热式气体流量计组分补偿方法研究

　　1 引 言

　　被测介质是混合气体时，组分的变化会影响其粘度、比热、导热系数等物性参数，导致热式流量测量仪表输出信号偏离，进而造成较大的测量误差[1]。由于热式气体流量计的基本方程中包含热导率 λf、动力粘度 η 以及气体密度 ρ 这三个与组分有关的物性参数。当气体组分变化时这三个参数都会改变，导致热式气体流量计的修正关系失效，从而带来一定的测量误差[2]。要消除该误差需要对热式气体流量计重新进行“配气”标定，这个问题严重影响了它的推广应用。为此，研究热式气体流量计在被测气体组分变化后不需要重新标定的补偿方法就显得非常有价值。

　　2 组分补偿原理

　　热式质量流量计以热线风速仪的理论为基础[3]，对于定温式气体流量计，其控制电路可以维持探头的热平衡[4]，从而将流量的变化转换为加热探头驱动电流的变化。加热探头与气体间的对流换热为:

　　Tw为探头温度;Ta为气体温度。加热元件的热损失由电能补充，测量电桥如图 1 所示。

　　只要能确定探头的对流换热系数 h，即可利用式(1)确定探头的热平衡关系。对流换热系数 h 既受气体的流动特性影响，又受气体的物性参数影响。如果物性参数不变的条件下，就可以建立测量电桥的输出电压和待求的质量流量之间的单值函数。

　　根 据 对 流 换 热 系 数 与 努 塞 尔 数 关 系 式 ：

         式(1)可写为：

　　努塞尔数(Nu)、普朗特数(Pr)和雷诺数(Re)的关系可以用如下准则方程表示：

　　通过换热公式可以推导出组分补偿公式，当混合气体组分改变时，在膜温度下查取物性参数，再代入补偿公式即可计算出补偿后的气体速度。

　　基于换热方程分析的组分补偿方法在某些场合得到了成功应用，也取得了一定的补偿效果[3-5]。但这种组分补偿方法的实现非常烦琐，不便于在热式气体流量计的流量计算机硬件上实现。本文将结合物性参数分析与经验公式两种思路来进行组分补偿。

　　3 组分补偿方法

　　由于热式气体流量计在各种组分混合气体中的特性具有很大的相似性，热式气体流量计的特性曲线可以用形式相同的函数模型 Eb = f( U)来拟合，不同组分的混合气体，只是反应在其特性曲线的系数不同[6]。组分补偿方法的基本思路是：

　　1)将热式气体流量计在一种已知组分的气体(例如，空气)中进行校准，计算(或查询)校准用气的物性参数。将获得的校准数据进行拟合以获得到热式气体流量计特性曲线的各个系数。将系数代入函数模型得流量计的特性曲线 E b= f (U)。