一种恒功率热式气体流量计温度补偿实现
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２０１５正 第１０期 仪表技术与传感器
Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ Ｓｅｎｓｏｒ ２０１５
Ｎｏ．１０
一种恒功率热式气体流量计温度补偿实现 顾 宇 ，叶寒生 ，冯 超 ，陶进绪 （１．合肥科迈捷智能传感技术有限公司，安徽合肥２３００８８；２．中国科学技术大学电子工程与信息科学系，安徽合肥２３００２６）
摘要：恒功率热式气体流量计的加热探头的热量散失不仅与测量介质的质量流量有关还与测量介质的温度有关。针 对目前常用补偿方式的繁琐问题，通过对实验数据的分析，提出了一种简洁易行的多项式拟合补偿算法。试验结果表明 该算法能够在温度变化５０℃情况下，仍能达到１．５级精度要求。 关键词：热式流量计；恒功率；温度补偿；多项式拟合 中图分类号：ＴＨ８１４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２－１８４１（２０１５）１０－００３８－０２
Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｐｏｗｅｒ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｇａｓ Ｆｌｏｗｍｅｔｅｒ
ＧＵ Ｙｕ ，ＹＥ Ｈａｎ—ｓｈｅｎｇ ，ＦＥＮＧ Ｃｈａｏ ，ＴＡＯ Ｊｉｎ—ＸＵ （１．Ｈｅｆｅｉ Ｃｏｍａｔｅ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｓｅｎｓｏｒ Ｃｏ．Ｌｔｄ．，Ｈｅｆｅｉ ２３００８８，Ｃｈｉｎａ； ２。Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｃｈｉｎａ，Ｈｅｆｅｉ ２３００２６，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｈｅａｔ ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｐｏｗｅｒ ｈｅａｔｅｄ ｐｒｏｂｅ ｉｎ ｔｈｅｒｍａｌ ｇａｓ ｆｉｏｗｍｅｔｅｒ ｉｓ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｒｅｌａｔｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｍａｓｓ ｆｌｏｗ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅｄｉｕｍ ｂｕｔ ａｌｓｏ ｒｅｌａｔｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅｄｉｕｍ．Ｃｏｍｐａｒｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ ｍｏｄｅｓ ｃｏｍｍｏｎｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ，ａ ｓｉｍｐｌｅ ａｎｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｕｓｉｎｇ ｐｏｌｙｎｏｍｉａｌ ｆｉｔｔｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｄａｔａ ｗａｓ ｐｕｔ ｆｏｒ— ｗａｒｄ．Ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｃａｎ ａｓｓｕｒｅ ｔｈｅ ｅｒｒｏｒ ｂｅｌｌｏｗｓ １．５％ｅｖｅｎ ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｅｘｃｅｅｄ ５０℃． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｈｅｒｍａｌ ｆｌｏｗｍｅｔｅｒ；ｃｏｎｓｔａｎｔ ｐｏｗｅｒ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ；ｐｏｌｙｎｏｍｉａｌ ｆｉｔｔｉｎｇ．
０引言 热式气体流量计是基于热扩散原理而设计开发的流量仪 表，即利用气体流过发热元件所带走的热量与流体的质量流速 成比例关系的原理而设计的…。热式气体流量计又分为恒温 差型和恒功率型两种，由于恒功率型具有工作电流小、使用寿 命长等优点逐渐开始应用于各个领域。在工程应用中，恒功率 型热式流量计与恒温差型同样会遇到由于测量介质温度的变 化带来测量误差增大的问题。本文分析介质温度变化对恒功 率热式流量计的影响，并提出了一种新的温度补偿方法。 １测量原理 常见的热式流量计探头均有２个铂电阻，一个作为有源元 件（速度探头）被加热，另一个作为参考元件（温度探头）不被 加热，探头结构如图１所示。 图１热式流量仪表探头结构 根据热力学原理，提供给加热探头的功率等于流动的气体 对流换热带走的能量 。即： Ｒ ＝ｈＡ （Ｔｗ－Ｔｆ） （１） 式中：，ｗ为通过加热探头的电流； 为加热探头的电阻；ｈ为表 基金项目：科技型中小企业技术创新基金（１３Ｃ２６２１３４０２７０６） 收稿日期：２０１５一Ｏ卜２９ 收修改稿日期：２０１５一Ｏ７—１６ 面传热系数；Ａ 为探头的表面积；Ｔｗ为加热探头的温度；Ｔｆ为 温度探头所测的气体温度。 可表示如下 Ｊ： ｈＡ ＝ ＋曰・ｑｌｍ／ （２）
式中：Ａ，日为经验常数；ｑ 为气体的质量流量。 由式（１）和式（２）可得：
ｃ 一 由式（３）可以看出，在 一定的条件下，流体的流量ｑ 是 电流，ｗ和温度 的函数，保持７、Ｗ不变即为恒温差测量，保持 ， 不变即为恒功率测量。 ２温度对恒功率热式流量计的影响分析 针对恒功率热式气体流量计，一般均同时采集参考温度 值、加热温度值，则温度探头和速度探头采集的电压值可表示 为： ＝尺０Ｉｆ［１＋ （Ｔｆ＋ＡＴ）］ ＝ ０Ｉｓ［１＋ＯＬ （ ＋ ＋ＡＴ）］
ＡＴ＝Ｔ０一Ｔｆ （４） 式中： 为温度探头采集的电压值；Ｖ 为速度探头采集的电压 值； 为铂电阻在０℃时的电阻值；， 为温度探头的工作电流； ＯＬ为温度探头铂电阻的温度系数；， 为速度探头的工作电流；ＯＬ 为速度探头铂电阻的温度系数； 为校验时温度； 为速度探 头的温度；Ｔｃ为实际使用过程中的环境温度。 在校验的过程中，可先关闭加热器，然后通过调节 ，使 得Ｒ。Ｉｆ［１＋ｏｔＴｆ］＝ 。， ［１＋ｏｔ Ｔｆ］；仪表工作时实际计算的是两个 探头的温度差，则有： 第１０期 顾宇等：一种恒功率热式气体流量计温度补偿实现 ３９ ＡＶ＝ — ＝Ｒ０ＩｓＯｔ ＋Ｒ０（ Ｉｓ—Ｏｄｆ）ＡＴ （５） 若 ＝Ｉｆ，则 Ｒｏ（ ， 一 ，ｒ）ＡＴ＝Ｒ０，（ｄ 一ＯＬ）ＡＴ （６） 式中： Ｊ Ｔ 表示速度探头加热温度；Ｒ。ｊ（ＯＬｔ－－ ）△ 表示由 环境温度相比校验温度的改变所引起的温度差所引入的测量 偏差。 因此温度补偿的目的就是消除该误差的影响。在校验过 程中，由于环境温度变化是缓慢的而且校验时间较短，可以认 为环境温度没有发生改变（ＡＴ＝０），即校验时认为没有温度变 化带来误差。 ３恒功率热式流量计温度补偿实现 文献［４］从硬件的角度提出了一种温度补偿方法，但是该 方法是针对恒温差热式流量计，并不适用于恒功率热式流量 计。由于采集到的电压含有温度变化带来的偏移量，故定义补 偿系数为温度变化量的函数： Ｖ，＿ａ・（ — ） 十６・（ — ）＋ｃ （７） 式中：ｂ＝ （ Ｉｓ一 ，ｆ）；ａ、ｃ为多项式系数，用于对补偿量进一 步修正。 若要进行温度补偿，需要在校验的过程中记录环境温度 值，并实时采集现场的温度值，计算温度差，再进行温度补偿计 算。图２为温度补偿计算流程图。 图２温度补偿计算流程图 在温度计算程序中，计算出易于系统应用的补偿系数，假 设系统的Ａ／Ｄ转换器为Ⅳ位，参考电压为Ｌｏ ，则补偿系数的 计算公式更新为 Ｖ ０ｄ ＝［ａ・（ — ） ＋６・（Ｔｃ—Ｔｆ）＋ｃ】・２ｕ／Ｌｏｆ （８） 故最终的温度差的采样Ａ／Ｄ值补偿计算公式为 Ｃｏｄｅｔ ＝Ｃｏｄｅ… ｔ＋Ｃｏｄｅ…… （９） ４温度补偿结果验证 在常温下（２Ｏ℃）用空气作为介质来标定恒功率热式流量 计，得到的校验数据如表１所示。对表格中的数据进行５阶多 项式拟合，得到的拟合曲线为 ｖ＝１．７ｘ１０ 一３．４ｘ１０６Ｘ４＋２．６ｘ１０ 。一９．９ｘ１０７Ｘ２＋１．９ｘ １０ 一１．５ｘ１０ （１０） 由于需要对实验气体进行调温，实验时使用电源箱调节加 热管段加热电阻丝的电流以将气体加热到实际所需的温度。 实验时，分别取室温（２０ ｏＣ）、２７℃、３５℃、６０℃、７５℃进行实 验比较。由于电阻丝具有热惯性，温度是缓慢升高的，故需要 等待温度进入稳态才可以记录数据。如图３所示，分别是在流 速为５．５ ｍ／ｓ、９．１ ｍ／ｓ、１６．２ ｍ／ｓ时在上述实验温度点采集的数 据。 表１校验数据
电压值／Ｖ 标况流速／（ＩＴＩ・Ｓ ） ３．７７９ ４１８ ４８０ ３．８２１ ５４４ １５８ ３．８５５ ５５４ ６０５ ３．８９１ １５３ ３３０ ３．９２２ ３１ｌ １９９ ３．９４３ ５９６ ９３５
３・９８广
３∞ ——————＿＝＝ Ｉ 十Ｖ ９．１ｍ，ｓ 乏３．９０ 卜 十Ｖ＝１６．２ｍ／ｓ 器。 —————一
３．８２ Ｌ－
ｌ。——．＿＿—————— —— ３ ７８ １．．．．． ． ．．Ｊ Ｌ．．．．．．．．．． ．１． ． ．． Ｌ． ．．．．．．．Ｊ．．． ０ ｌＵ ＺＵ ３Ｕ ４【Ｊ ５Ｕ ６【Ｊ 温度差／￣Ｃ
图３采样电压与温度的关系 由图３可知，采样电压随着温度的升高而升高。电压的变 化量是温度差的函数，根据实验数据得到的修正公式为 Ｖ，＿一３ｘ１０ ×（ 一 ） ＋０．０００ ３×（ — ）＋０．００４ ６ （１１） 图４和图５分别是温度补偿前和补偿后的测量误差，流速 计算公式是校验时得到的式（１０）。从图４可以看出测量误差 会随着温度增加而显著增大，经过温度补偿后测量误差保持在 １．５％以内，表明采用本文提出的温度补偿方法可以较好地补偿 气体温度变化带来的测量误差。
０ ５ ｌＵ ｌ５ ＺＵ ２５ ３Ｏ 流速／（ｍ・ｓ ）
图４未补偿前测量误差 ５结论 通过对热式流量计传热模型的分析，结合介质温度对恒功 率热式流量计的影响，提出了一种简单易行的运用多项式拟合 方法的温度补偿方法。与传统的硬件补偿方法相（下转第４２页）
６ ９ ７ ８ ４ ５ ３ ９ ７ ６ ６ ５ ７ ６ ７ ５ ３ ７ ｉ｝ １ ０ ４ Ｏ ６ ９ Ｏ ８ ２ Ｏ ５ ｌ ６ １ ５ ７ ５ ９ ４ Ｏ ４ ６ ５ ４ ３述
