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引言 熱式流量計(jì)是在早期熱線風(fēng)速儀的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型流量檢測儀表,具有壓損低、測量范圍大、無可動部件、可靠性高以及可用于極低氣體流量監(jiān)測和控制等特點(diǎn),因此,被廣泛應(yīng)用于航空、航天、能源、汽車工業(yè)以及天然氣管道運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)[1]。根據(jù)敏感元件類型,熱式流量計(jì)可分為熱線敏感元件、熱膜敏感元件和組合鉑膜敏感元件共三種。在分析了三種敏感元件的優(yōu)缺點(diǎn),并對各種熱線、熱膜探頭進(jìn)行試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上[2-3],最終提出基于組合鉑膜探頭的熱式氣體流量計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文采用的流量傳感器對提高氣體流量測量的精度是有效的。 1溫度特性研究 流量傳感器以熱傳遞原理為基礎(chǔ),即在空氣流通管路中放置一個(gè)或多個(gè)發(fā)熱體(鉑膜或熱線),由于發(fā)熱體的熱量被流動的空氣帶走,發(fā)熱體本身會被冷卻,所以它的阻值會隨氣體流速發(fā)生變化。鉑膜周圍通過的空氣流量越大,被帶走的熱量就越多,探頭的阻值變化也就越大。鉑膜式空氣流量計(jì)就是利用鉑電阻與空氣之間的這種熱傳遞現(xiàn)象進(jìn)行空氣流量測量的。 除了氣體的流量大小,氣流的溫度對鉑膜電阻的散熱也有很大影響,造成流量計(jì)的輸出在流量恒定的情況下也會隨氣流溫度的變化而變化。為了使流量傳感器的輸出僅隨流量變化,無論是傳統(tǒng)的熱分布型質(zhì)量流量計(jì),還是新型的浸入型質(zhì)量流量計(jì),在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮熱式探頭的溫度補(bǔ)償。而補(bǔ)償電路的設(shè)計(jì)與氣流溫度對鉑膜電阻的影響量即鉑膜電阻的溫度特性有關(guān)。通過對上文的分析可知,對鉑膜探頭的溫度特性研究極為重要。溫度特性實(shí)驗(yàn)方案如圖1所示。 
圖1溫度特性實(shí)驗(yàn)圖 Fig. 1The experimental graphic of thetemperature characteristics 將鉑膜探頭放置在溫度可調(diào)的恒溫箱中,給探頭加上某一恒定電流,通過測量總電壓和鉑膜探頭兩端的電壓,計(jì)算探頭溫度。溫度特性曲線圖如圖2所示。 
圖2溫度特性曲線圖 Fig. 2The curves of the temperature characteristics 由圖2可以看出,在靜止氣流和恒流供電情況下,組合鉑膜探頭工作溫度隨環(huán)境溫度的提高基本呈線性提高,即探頭工作溫度與環(huán)境溫度之間的溫差基本保持不變。當(dāng)組合鉑膜探頭溫差較低時(shí),探頭的靈敏度不高,而溫差太大,容易造成探頭的損壞。所以,最終確定組合鉑膜探頭工作電流應(yīng)在30mA左右,這時(shí)探頭具有較高的靈敏度,探頭也不易損壞。 溫度補(bǔ)償是使電路能自動地根據(jù)氣流溫度變化改變探頭的工作溫度,實(shí)現(xiàn)在相同流量下輸出與氣流溫度變化無關(guān)的穩(wěn)定電壓。溫度補(bǔ)償電路如圖3所示。 
圖3溫度補(bǔ)償電路 Fig. 3The temperature compensation circuit 圖3中:溫度補(bǔ)償電路采用的是自動校正法,在惠斯登電橋中加入補(bǔ)償電阻RC以及輔助電阻R0、R1和R2。溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì)的依據(jù)是組合鉑膜探頭的散熱特性。設(shè)RX為RC和R1并聯(lián)后的總電阻值,為了使傳感器輸出不隨環(huán)境溫度變化,理論上在任何環(huán)境溫度下應(yīng)滿足: R0/RH=R2/RX (1) 即當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí),測量橋臂和補(bǔ)償橋臂上兩電阻之比的曲線應(yīng)該重合,這樣就能夠比較準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對環(huán)境溫度的補(bǔ)償。 2數(shù)據(jù)處理與曲線擬合 在本文研究過程中,對組合鉑膜探頭在鐘罩式氣體檢定裝置上做了大量的流量測量實(shí)驗(yàn),并做了重復(fù)性的分析,從而判定該組合鉑膜探頭在氣體流速測量中的可行性。實(shí)驗(yàn)是用鐘罩式氣體檢定裝置來控制流量的,這里只取三組實(shí)驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)來進(jìn)行重復(fù)性分析,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。 
從表1可以看出,電壓與流量之間具有較好的一一對應(yīng)關(guān)系,因此,可以根據(jù)輸出電壓來檢測流場中的流量;且在相同的實(shí)驗(yàn)條件下,當(dāng)氣體流量相同時(shí),三組實(shí)驗(yàn)的輸出電壓值也基本相同,即三組實(shí)驗(yàn)的輸出電壓重復(fù)性較好。
3曲線擬合及誤差分析 本文研究的新型氣體流量計(jì)最終要把電壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬?yīng)的數(shù)字信號。這里,需要使用流量對應(yīng)信號電壓的函數(shù)Q=F(U),且實(shí)驗(yàn)表明函數(shù)Q=F(U)更容易擬合處理[4],所以可以把探頭特性曲線表示成待擬合試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)。熱式流量計(jì)輸出擬合曲線如圖4所示。 
圖4熱式流量計(jì)輸出擬合曲線 Fig. 4The output fitting curve of the thermal flowmeter 由圖4所示曲線可知,可采用多項(xiàng)式對其進(jìn)行擬合。于是,選取多項(xiàng)式{x0,x1,…,xm}為基,進(jìn)行多項(xiàng)式最小二乘曲線擬合。分別取m=3和m=4進(jìn)行擬合,其結(jié)果如表2所示。 
由表2可知,3階和4階的個(gè)別點(diǎn)擬合誤差較大,不能滿足流量檢測的精度要求。而如果增大擬合次數(shù),其系數(shù)矩陣不易于計(jì)算,在單片機(jī)中更難實(shí)現(xiàn)。因此,選取正交多項(xiàng)式為基作最小二乘擬合。假設(shè)測得的各實(shí)驗(yàn)點(diǎn)數(shù)據(jù)為(x0,f0), (x1,f1),…,(xn,fn),各數(shù)據(jù)點(diǎn)的權(quán)重均為1,選取的正交多項(xiàng)式簇為{φ0(x),φ1(x),…,φm(x)}。將基函數(shù)的系數(shù)矩陣變?yōu)閷顷?從而大大簡化計(jì)算,不需要解矩陣方程就可直接求解。 
這里m的大小可以預(yù)先給定或者在計(jì)算過程中根據(jù)誤差大小進(jìn)行調(diào)整[5]。 采用正交多項(xiàng)式進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合,并按上述方法對同一實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行6階和7階正交多項(xiàng)式擬合,正交擬合結(jié)果如表3所示。 
4結(jié)束語 試驗(yàn)表明,該氣體流量傳感器測量范圍大、重復(fù)性好、響應(yīng)速度快。經(jīng)鐘罩氣體流量裝置實(shí)驗(yàn)檢測[6],采用正交多項(xiàng)式為基的最小二乘法進(jìn)行擬合能獲得滿意的結(jié)果[7]。6階擬合誤差小于±0. 6%,測量范圍達(dá)100∶1,可以用于管道氣體流量的測量。 摘自：中國計(jì)量測控網(wǎng)
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