摘 要：介紹熱式質量流量計的測量原理及恒流式、恒溫差式兩種測量方法。針對恒流式測量方法存在的問題，提出了根據流量大小，改變加熱電流的方案，分析了實際測量系統的硬件結構和軟件功能，詳細介紹了加熱電流的選取方法，該測量方法已得到實際驗證。

關鍵字：熱式流量計 測量方法 數據處理

    0 引言

    熱式質量流量計是利用熱擴散原理^[1]，通過流體流量與熱源熱量的熱交換關系來測量流量的流量計。它具有壓力損失小、沒有可動部件、結構簡單、維護方便、測量范圍大的特點，特別適合于測量微小流量的氣體流量。

    1 測量原理和測量方法

    熱式質量流量計是在測量管路中加入兩個金屬鉑電阻，一個鉑電阻加入較小的電流（電流在4mA以下。不會引起電阻發熱），用于測量被測流體溫度，稱為測溫電阻。一個鉑電阻通入較大電流（電流一般在50mA以上），用于測量被測流體的速度，稱為測速電阻。根據熱擴散原理，加熱物體被流體帶走的熱量與加熱物體與流體的溫差、流體的流速以及流體的性質有關。若流體密度為ρ，流體流速為V，加熱物體被流體帶走的熱量為Q，加熱物體與流體的溫差為ΔT，則有關系式：

    Q/ΔT=k_l+k₂?（ρ?V）^k₃

    對于組份一定的流體，k_l、k₂、k₃為常數。在橫截面為S的管路中，質量流量Q_m=ρ?V?S。在實際測量過程中，測速鉑電阻R_H被儀表輸入的電流I加熱，在熱平衡狀態下，電流的加熱功率與加熱電阻被流體帶走的熱量處于平衡狀態，即有：Q=I²?R_H。因此質量流量Q_m與Q/ΔT成一一對應的關系，可表示成

    

    由此可以看出，質量流量的測量方法有兩種，一種方法為恒流式，即當加熱電流I不變時，通過測出流體的溫差ΔT（這里忽略了R_H隨溫度的變），計算流體的質量流量。另一種方法為恒溫差式，從字面上講是保持加熱鉑電阻與測溫鉑電阻的溫差ΔT不變，實際是通過一個橋式電路保持加熱鉑電阻和測溫鉑電阻的溫差ΔT與加熱鉑電阻R_H的比值ΔT/R_H不變，通過測量加熱電流I來計算流體的質量流量。本文采用的是恒流式測量方法。

    2 恒流式熱式質量流量計總體設計

    熱式質量流量的計算公式可表示成

        （1）

    由此可以看出，當環境溫度T₀基本不變時，給加熱電阻加一恒定電流I，質量流量只是加熱溫度的單值函數，只要測出加熱電阻的阻值即可。當環境溫度變化較大時，須同時測出環境溫度和加熱溫度，利用上述公式計算質量流量。

    當流體流量較小或流量為零時，大的加熱電流會使加熱電阻過熱，由于加熱電阻的熱輻射，加熱電阻周圍的環境溫度也會增加，影響測量精度。當流體流量較大時，小的加熱電流會使加熱溫度與環境溫度的差變小，減小傳感器對流量變化的靈敏度。因此在整個流量測量范圍內，采用恒定的加熱電流是不合理的。本文采用分段變電流的方法，當流量較小時，加入較小的加熱電流，當流量較大時，加入較大的加熱電流。

    公式（1）可表示為Q_m=f（X），其中

    

    加熱電流I為已知給定量，環境溫度通過測量得到，加熱溫度可通過測量加熱電阻的阻值，再通過關系R_H=R₀（1+α?T）計算得到，這樣就可計算出X。Q_m與X的關系是通過實際流體標定出來的，在本儀表中，將Q_m與X的關系制成表格，存入單片機中，根據計算出的，經查表，用插值的方法計算出Q_m。

    3 恒流式熱式質量流量計硬件設計

    系統硬件結構如圖1所示。單片機采用飛利浦80C51系列的80C552單片機^[2]，80C552內部包含8路10位的A/D轉換器，和2路8位PWM信號發生器，在PWM信號發生器后面加一頻壓轉換電路，即可完成D/A轉換的功能。V/I轉換是將反映加熱電流大小的電壓信號轉換為電流信號，給加熱電阻加熱。電壓放大器將加熱電阻兩端的電壓信號進行處理，送入80C552的A/D轉換器，因流過加熱電阻的電流信號為給定，因此可通過單片機計算出加熱電阻的阻值及加熱溫度T。

    環境溫度T₀的測量通過一橋式電路完成，測溫電阻是橋式電路的一個橋臂，差動放大器將反映環境溫度的電壓信號送入單片機的A/D轉換器。

    4 恒流式熱式質量流量計軟件設計

    加熱電流的選取原則是：

    ① 一般選擇加熱電阻溫度與環境溫度的溫度差在60℃~80℃之間，因為在這個溫度范圍內，傳感器對流量變化比較敏感。
    ② 加熱電流所分的段盡量少，因為加熱電流頻繁變化，會延長測量系統的響應時間。

    加熱電流的分段選擇是在實驗室條件下完成的，具體步驟如下：

    ① 在流量測量范圍內均勻選取流量值N+1個點：Q_m（0）、Q_m（1）…Q_m（N），其中Q_m（0）=0。
    ② 在給定流量Q_m（i）（其中i=0，1…，N）條件下，加入加熱電流，使加熱溫度與環境溫度相差60℃~80℃ ，記錄加熱電流的取值范圍I_L（i）~I_H（i）。
    ③ 合并加熱電流：

    a取i=0；b若I_L（i+n）≥I_H（i）≥I_L（i+n-1），將流量在Q_m（i）~Q_m（i+n-1）范圍內的加熱電流取為

    

    c令：i=i+n-1， 若i≠N、r，返回b；若i=n，結束。

   ④ 制流量范圍與加熱電流的數據表，存入單片機。

    系統軟件流程如圖2所示。

    5 結束語

    在熱式質量流量測量中，恒流式測量方法與恒溫差式測量方法相比，硬件電路簡單，但由于在小流量段加熱電阻過熱，大流量段加熱溫度與環境溫度的溫差較小，因而，存在傳感器對流量變化不敏感的缺點，針對這一問題，現將恒定加熱電流方式設計成分段恒定加熱電流方式。試驗結果表明分段恒流式測量方法與恒流式測量方法相比，具有較高的測量靈敏度。