热式气体流量计温度补偿研究

　　对流型热式气体流量计又分成能量恒定型( 恒流) 和温度恒定型( 定温) 两种。温度恒定型热式气体流量计的响应速度比能量恒定型快, 是目前热式气体流量计的主要发展方向, 以下简称为热式气体流量计。该仪表具有以下特点[ 1] : ¹ 能测量极低流速的微小流量; º 无可动部件, 可靠性高; » 压力损失非常小、几乎可以忽略; ¼ 直接测量质量流量,无需压力、温度修正; ½ 电信号输出, 输出值较大;¾ 量程比极高; ¿ 价格与管径关系不大, 易于安装; À 复现性能好。基于以上优点, 进行热式气体流量计的研究开发具有很好的应用前景。但在工程应用中, 热式气体流量计也面临诸多问题。比如流量计的输出受被测气体组分和温度变化的影响造成较大测量误差。本文分析介质温度变化对热式气体流量计的影响, 并提出了一种新的温度补偿方法。

　　1 换热模型

　　热式气体流量计以热线风速仪的理论为基础,对于定温侵入式气体流量计, 与CT 热线风速仪相似, 加热探头与气体间的对流换热为:

　　2 传感器结构分析

　　热式气体流量计探头由两只铂热电阻构成。其结构形式如图1( a) 所示, 一只用作加热元件Rw , 另外一只是用作温度补偿的测温元件R c。通常使用的驱动电路简化模型如图1( b) 所示。Rw 、Rc 与另外两只精密电阻R1、R2 构成测量电桥, 桥路的不平衡电压经放大器放大后调节供桥电压, 改变供桥电流实现电功率调节, 跟踪并保持加热元件温度始终比介

　　R1 、R2 是精密固定电阻, 则Rw 、Rc 的比值应为常数。由铂电阻的阻值公式可得R w = Rw0 ( 1+ At w ) ,Rc = Rc0 ( 1+ At c) 。Rw0 和Rc0 分别为加热铂电阻和测温铂电阻在零度时的阻值。A为电阻的温度系数。

　　设在某稳定工作状态时, 加热电阻的温度为t w1 , 测温电阻的温度( 即被测介质的温度) 为t c1。当质量流量发生改变或被测介质的温度改变时, 电桥处于新的平衡状态, 此时加热电阻的温度为t w2 , 测温电阻的温度( 即被测介质的温度) 为t c2。将阻值代入平衡式得如下关系式

　　不变, 使得质量流量是加热电流的单值函数而与介质的温度无关, 从而实现温度的补偿功能。

　　进一步分析可发现该桥路的温度补偿电路存在两个问题。首先按理论要求测温补偿元件只对气体温度敏感, 而对气体速度不敏感。这要求流经补偿元件的电流远小于流经加热元件的电流[ 4-5], 测温补偿元件从电路吸收极其微弱的电功率, 自身不会在工作中被加热, 其温度只取决于气体温度。因此电桥中要满足R2 >> R 1 , R c >>R w 。但铂电阻阻值过大除了工艺实现不便, 还会导致测温补偿元件的热惯性增大, 使系统的响应变慢。其次, 该电路的输出通常是取V o , 即建立的是Vo 与质量流量之间的函数关系。由前面的分析可知, 经过温度补偿后, 流经加热元件的电流I w 是质量流量的单值函数, 而Vo = I w *(R1 + Rw ) = I w # [ R1 + Rw0 # ( 1+ Bt w ) ] , 除了受质量流量的影响, 还会受流体介质温度的影响( 导致Rw 改变, 从而影响V o 输出) 。实验结果也表明, 原有桥路的温度补偿精度是不够的。