摘要:介紹(shao)了熱式氣(qi)體質量流(liu)量計 的測(ce)量原理,表(biao)頭電路仿(pang)真過程和(he)儀表參數(shu)設置。應用(yong)兩個熱電(dian)阻傳感器(qi)，一個測流(liu)速，另一個(ge)測溫。通過(guo)電橋電路(lu)調整兩個(ge)探頭至恒(heng)溫差，通過(guo)标定不同(tong)流速下的(de)電橋加熱(re)功率實現(xian)熱式氣體(ti)瞬時流量(liang)的準确計(ji)量。由于儀(yi)表電路的(de)複雜性，采(cai)用電👌路仿(pang)真的方法(fa)對電橋電(dian)🛀🏻路進行測(ce)試，針對不(bu)同測☂️溫傳(chuan)感器的工(gong)況溫度值(zhi)，仿真🤞不同(tong)氣體流速(su)下，不同測(ce)速探頭的(de)實時溫度(du)值，驗證了(le)不同瞬時(shi)流量下⭐測(ce)溫探頭的(de)加熱⁉️功率(lü)并不相同(tong).且具有标(biao)定可行性(xing)。再以美國(guo)斯雅樂氣(qi)體質量流(liu)量計爲例(li)，詳細介紹(shao)了熱式流(liu)量計的儀(yi)🌍表計量數(shu)據和配置(zhi)參數。熱式(shi)氣體質量(liang)流量計具(ju)🍓有🎯靈敏度(du)、重複性高(gao)的工🙇‍♀️業計(ji)量儀表，尤(you)其适用于(yu)大管徑、低(di)流速的測(ce)量場🏃合。
　　熱(re)式氣體流(liu)量計是一(yi)種可以直(zhi)接測量氣(qi)體質量流(liu)量的流量(liang)計，其具有(you)重複性、可(ke)靠性、穩定(ding)性高和精(jing)度高,在測(ce)量現場靈(ling)敏度佳，尤(you)其适用于(yu)大管徑、低(di)流速的測(ce)量。由于熱(re)🙇‍♀️式氣體質(zhi)量流量計(ji)具有壓損(sun)小、機械結(jie)構多樣、安(an)裝靈活、使(shi)用方便⭐諸(zhu)多優點，被(bei)廣泛應用(yong)于現場氣(qi)體的流量(liang)測量。依據(ju)《JJG1132-2017熱式氣體(ti)質量流量(liang)計》檢定規(gui)程，對首次(ci)檢定、後續(xu)檢⭐定和使(shi)用中檢定(ding)做了明确(que)的🌈技術要(yao)求⭐。
1測量原(yuan)理
　　熱式氣(qi)體質量流(liu)量計探頭(tou)有兩個傳(chuan)感器，其中(zhong)一個溫度(du)傳感器測(ce)量管道内(nei)氣體介質(zhi)的溫度，另(ling)一個爲介(jie)質速度傳(chuan)感器，通🏃🏻‍♂️過(guo)電加熱作(zuo)用将速度(du)傳感器的(de)溫度加熱(re)至高于溫(wen)度傳感器(qi)測量得到(dao)的溫度，并(bing)且保持兩(liang)個傳感器(qi)溫🧑🏽‍🤝‍🧑🏻差的恒(heng)定。當氣體(ti)介質流動(dong)帶走🔴速度(du)傳感器🚩上(shang)的熱量時(shi)，表頭上的(de)電橋電路(lu)爲保⭐持⚽兩(liang)個傳感器(qi)的溫差恒(heng)定，速度傳(chuan)感器需要(yao)額外進行(hang)電補償加(jia)熱，這個補(bu)償的加熱(re)功率大小(xiao)和氣體介(jie)質的質量(liang)流量成正(zheng)比。在實際(ji)應用中，測(ce)溫傳感器(qi)通常應用(yong)Pt1000或者Pt300，測速(su)傳感器一(yi)般🈚使用Pt20。由(you)于在t℃時，兩(liang)種傳感器(qi)的電阻變(bian)化🌐幅度并(bing)不✨相同，這(zhe)樣就造成(cheng)電橋的不(bu)平衡，導緻(zhi)電橋連接(jie)比👄較器輸(shu)人端的電(dian)壓不同💋，從(cong)而觸發新(xin)的加熱動(dong)作。
 
　　其中，qm熱(re)式氣體質(zhi)量流量計(ji)瞬時流量(liang)值，kg/s;K是流量(liang)計出廠🐆标(biao)定的修正(zheng)系數值;△P熱(re)式流量計(ji)電橋加熱(re)功率，kJ/s;C。測量(liang)氣體介🌏質(zhi)的定壓😘比(bi)熱容，kJ(kg.℃);△t熱式(shi)流量計兩(liang)個傳感器(qi)的溫差值(zhi)，℃;qvN是氣體介(jie)質🔴的标況(kuang)體積流量(liang),Nm3/h;ρN是🌈氣體介(jie)質的标況(kuang)密❄️度值，kg/m3。
　　由(you)式(1)、式(2)可見(jian)，對于不同(tong)管徑下的(de)氣體測量(liang)，确定氣體(ti)介質的前(qian)提下，通過(guo)标定修正(zheng)系數K值就(jiu)能實現現(xian)場瞬時流(liu)量和累積(ji)流量的計(ji)量。
2電路仿(pang)真
　　熱式氣(qi)體質量流(liu)量計采用(yong)電橋平衡(heng)電路對測(ce)溫和測速(su)兩個🐆傳感(gan)器進行激(ji)勵，以Pt20和Pt1000的(de)組合爲例(li)，電橋左邊(bian)回路R1+Pt20，電橋(qiao)右邊回路(lu)R2+Pt1000;電阻R1的阻(zu)值爲4.9Ω，電阻(zu)R2的❤️阻值爲(wei)270.5Ω，測量Pt1000的阻(zu)值就📐可以(yi)計💔算出測(ce)溫傳感器(qi)的溫度值(zhi)。由于通過(guo)49Ω采樣電阻(zu)和Pt1000的電流(liu)相同，分别(bie)對兩個電(dian)阻的電壓(ya)進行采集(ji)，通過比率(lü)👌就可以計(ji)算出當前(qian)Pt1000的電阻💁值(zhi)，進而計算(suan)出測溫傳(chuan)感器的🚩溫(wen)度♌值。由于(yu)采🈲樣電阻(zu)49Ω對測量⚽的(de)準确度影(ying)響很大，需(xu)要電阻具(ju)備低溫漂(piao)和高精度(du)的特性，在(zai)使🔞用的過(guo)程中通常(chang)需要對采(cai)樣電✌️阻進(jin)行标定，通(tong)常是應用(yong)标🔞準電阻(zu)箱接人Pt1000的(de)位置，計算(suan)出采樣電(dian)阻的準确(que)電阻值與(yu)49Ω進行比較(jiao)，後續将此(ci)修正系數(shu)帶人計.算(suan)過程。對熱(re)式橋電路(lu)進行仿真(zhen)過程如下(xia):假設管道(dao)内空氣介(jie)質👈的溫度(du)爲20℃，則測溫(wen)傳感器Pt1000的(de)電⁉️阻值爲(wei)1077.935Ω。基♈于上述(shu)電橋特性(xing)，測速傳感(gan)器Pt20需達到(dao)63.67℃(産生43.67℃溫差(cha)🙇🏻)才🌈能至電(dian)橋平衡，停(ting)止對測速(su)傳感器進(jin)行加熱。
 
　　假(jia)設測溫傳(chuan)感器Pt1000的溫(wen)度恒定在(zai)20℃不變，當不(bu)同流速的(de)空氣介質(zhi)在管道内(nei)流過測速(su)傳感器Pt20時(shi)，流速越大(da)帶走的熱(re)量🛀越多‼️，即(ji)Pt20的溫度越(yue)低，Pt20阻值越(yue)小。分别假(jia)設Pt20的溫度(du)爲25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃、60℃，其對應(ying)🙇🏻的電阻值(zhi)爲21.95Ω、22.33Ω、22.72Ω、23.11Ω、23.49Ω、23.88Ω、24.26Ω、24.65Ω;電橋R1阻(zu)值上的電(dian)壓值分别(bie)爲:2.175V、2.145V、2.115V、2.085V、2.058V、2.030V、2.003V和0.419V。由此(ci)可見，熱式(shi)氣體質量(liang)流量計流(liu)量越大時(shi)，電橋采樣(yang)電阻的電(dian)壓值💜越大(da)，将采樣值(zhi)與标準流(liu)量值進行(hang)對應就可(ke)以實現熱(re)式氣體⛱️質(zhi)量流量計(ji)的出🌈廠标(biao)定。同理，假(jia)設測溫傳(chuan)感器Pt1000的溫(wen)度爲70℃(1270.7510)，測速(su)傳感器Pt20如(ru)果達到平(ping)衡停止加(jia)熱溫度爲(wei)119.77%C(恒溫差49.779C),Pt20在(zai)75℃、90℃、110℃下R1的電壓(ya)✔️值分别爲(wei)1.903V、1.834V和1.749V,也驗證(zheng)了上述仿(pang)真的正确(que)性。
3儀表設(she)置
　　工業現(xian)場應用的(de)熱式氣體(ti)質量流量(liang)計種類繁(fan)多，儀表參(can)數配置也(ye)各不相同(tong)，以熱式氣(qi)體質量流(liu)量計爲例(li)，流量計的(de)接線端子(zi)包括:交流(liu)AC220V供電、直流(liu)DC24V供電;瞬時(shi)流量4mA~20mA信号(hao)輸出、工況(kuang)溫度4mA~20mA信号(hao)輸出、工況(kuang)表壓4mA~20mA信号(hao)輸出(有些(xie)工況現場(chang)并不進行(hang)溫壓補償(chang)，所以熱式(shi)探頭并不(bu)具備溫度(du)和壓力測(ce)量功能)，流(liu)量當量脈(mo)沖Pulse信号輸(shu)出;串口RS22數(shu)據通信接(jie)口;繼電器(qi)Alarm輸出接口(kou)。美國斯雅(ya)樂熱式氣(qi)體質量流(liu)量計的經(jing)典型号是(shi)640i和780i系列流(liu)量計，儀表(biao)的液晶采(cai)用緊湊的(de)點陣式液(ye)晶，上電後(hou)依次顯示(shi)産品版本(ben)号、儀表序(xu)列号、儀表(biao)的量程上(shang)限、氣體介(jie)質類型和(he)備注Tag标識(shi)。由于LCD的篇(pian)幅有限，一(yi)個頁面并(bing)不能顯示(shi)完全所有(you)的儀表計(ji)量數據和(he)配置參數(shu)，并且工業(ye)儀表配有(you)防護外殼(ke)，需要設置(zhi)菜單的滾(gun)動顯示是(shi)否開啓。熱(re)式流量計(ji)的計量數(shu)據包括瞬(shun)時流量、工(gong)況溫度、工(gong)況壓力和(he)累積流量(liang)值，表頭也(ye)可以根據(ju)現場的工(gong)藝要求設(she)置上限或(huo)下限告警(jing)動作。
　　熱式(shi)氣體流量(liang)計的氣體(ti)介質包括(kuo):空氣、二氧(yang)化碳🐉、甲烷(wan)(沼氣)和氧(yang)氣。針對現(xian)場的管道(dao)情況，還需(xu)要設置管(guan)道内徑、管(guan)道内壁粗(cu)糙度(不同(tong)管道材質(zhi)會影響氣(qi)體✨計量的(de)準确度，如(ru)碳鋼和不(bu)鏽鋼的管(guan)道下，氣體(ti)的瞬時流(liu)量值🏃會有(you)少許變化(hua))。設置✏️瞬時(shi)流量單位(wei)、工況溫度(du)單位、工況(kuang)壓力單位(wei)、設🆚定工況(kuang)壓力值、儀(yi)表修正系(xi)🌈數、小流量(liang)切除、校準(zhun)日期，以及(ji)電流輸出(chu)通道🐇4mA和20mA校(xiao)準，4mA壓力下(xia)限值、20mA壓力(li)上限值、4mA溫(wen)度下限⭐值(zhi)、20mA溫度上限(xian)值，阻尼濾(lü)波值(1~200)。除了(le)通⁉️過儀表(biao)按鍵設置(zhi)參數之外(wai)，也可以通(tong)過RS232或者RS485連(lian)接儀表配(pei)㊙️套的♈上位(wei)機配置軟(ruan)件，實現計(ji)量數據的(de)實時采集(ji)記錄和配(pei)置參數❤️的(de)設置。
4結論(lun)
　　熱式氣體(ti)質量流量(liang)計的工作(zuo)原理，熱式(shi)電橋電路(lu)的仿真🌈過(guo)💃🏻程和常規(gui)表頭的參(can)數設置過(guo)程。熱式氣(qi)體流量計(ji)應用兩個(ge)🧡熱電阻傳(chuan)感器(分别(bie)測流速和(he)測工況🧡溫(wen)度),并通過(guo)電橋電路(lu)調整兩個(ge)傳感器至(zhi)恒溫差效(xiao)果;通過标(biao)定不同流(liu)速下電橋(qiao)電路的加(jia)熱功率，實(shi)現熱式氣(qi)體瞬時流(liu)量的準👈确(que)計量;通過(guo)采用電路(lu)仿真的方(fang)法對電橋(qiao)💚電路的複(fu)雜工作過(guo)程進行了(le)測試，測溫(wen)傳感器在(zai)不同🐇的工(gong)況溫度下(xia)，仿真不同(tong)氣體流速(su)下測速探(tan)頭的實☎️時(shi)溫度值，驗(yan)證了儀表(biao)标定可行(hang)性。熱式氣(qi)體質量流(liu)量計是具(ju)🐪有較高的(de)靈敏度和(he)重複性的(de)工業計量(liang)儀表，尤其(qi)❌适用在大(da)管徑、低流(liu)速的工業(ye)場合。

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