針對(duì)大中型管道以及不規(guī)則流場(chǎng)中氣體流量測(cè)量存在的問題，研制了一種多傳感器結(jié)構(gòu)的氣體流量計(jì)。在測(cè)量管道中按照對(duì)數(shù)線性法選取測(cè)量特征點(diǎn)，采用４個(gè)熱式氣體流量傳感器獲取特征點(diǎn)的流量信號(hào)，利用正交多項(xiàng)式擬合建立特性曲線的函數(shù)關(guān)系式。在不規(guī)則流場(chǎng)條件下對(duì)２００ｍｍ口徑樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，多傳感器測(cè)量方法能夠明顯改善單傳感器的測(cè)量精度不高的問題。

1.引 言

影響流量測(cè)量的主要因素為流速分布，因此除了容積式流量計(jì)等少數(shù)流量儀表之外，幾乎所有的流量計(jì)都對(duì)直管段長度有要求 。如渦輪流量計(jì)的直管段長度為１５Ｄ～２０Ｄ 。然而在實(shí)際應(yīng)用中受到現(xiàn)場(chǎng)條件限制，特別是大中型口徑的管道，往往難以滿足這樣的直管段長度。而管道中安裝的閥門、彎管等阻力件，更造成流速分布的復(fù)雜 。熱式氣體流量計(jì)具有無可動(dòng)部件，壓損低，能夠測(cè)量低流速等諸多優(yōu)點(diǎn)，目前在工業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛。國內(nèi)關(guān)于熱式流量計(jì)的研究主要集中在微小流量的測(cè)量，針對(duì)大中型管道的熱式流量計(jì)主要依靠進(jìn)口，且價(jià)格較為昂貴 。

本文將均速管流量計(jì)與熱式流量計(jì)的測(cè)量原理相結(jié)合，針對(duì)不規(guī)則流場(chǎng)以及大中型管道氣體流量測(cè)量中的單點(diǎn)測(cè)量度不高、差壓式儀表壓損太大等問題，研制了一種多傳感器結(jié)構(gòu)的熱式氣體流量計(jì)，采用多點(diǎn)測(cè)量方法來測(cè)量氣體流速，并在不規(guī)則流場(chǎng)條件下對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究與分析。

２.多傳感器測(cè)量系統(tǒng)

２．１ 傳感器與測(cè)量電路

樣機(jī)選用組合熱膜探頭作為流量傳感器，如圖１所示。它采用微機(jī)電系統(tǒng)（ＭＥＭＳ）技術(shù)，將加熱鉑電阻與測(cè)溫鉑電阻集成在一片厚度僅為０．２ｍｍ的陶瓷基片上，因此探頭的熱容量很低，整個(gè)傳感器有很快的響應(yīng)時(shí)間。

熱電阻Ｒｈ和測(cè)溫電阻Ｒｃ與固定精密電阻Ｒ１、Ｒ０組成惠斯登測(cè)量橋路。氣體流過探頭表面時(shí)熱量將被帶走，使得探頭溫度Ｔｈ降低，此時(shí)由運(yùn)放和三極管組成的反饋電路將及時(shí)增大加熱電阻Ｒｈ的工作電流Ｉ，使得探頭溫度Ｔｈ與環(huán)境溫度Ｔｃ差值始終維持恒定 。因此，可以建立起電流Ｉ與氣體流量Ｑ的函數(shù)關(guān)系式。

２．２ 多點(diǎn)測(cè)量原理

多點(diǎn)測(cè)量采用均速管流量計(jì)測(cè)量原理，將管道截面Ｓ劃分為Ｎ個(gè)面積相等的部分，在每一部分設(shè)置特征點(diǎn)來測(cè)量流體流速ｕｉ，則流過整個(gè)管道的體積流量Ｑ為：

ＮＱ＝ＮＳ∑ｕｉ （１）ｉ＝１

流量計(jì)結(jié)構(gòu)如圖３所示。將管道截面劃分為４等分，按照對(duì)數(shù)線性法選取特征點(diǎn)，用檢測(cè)桿將探頭置于管道的不同的位置來獲取氣體流量信號(hào)，進(jìn)而獲得整個(gè)管道的流量。

流量信號(hào)的融合采用卡爾曼分布式融合，如圖４所示，首先將每個(gè)傳感器獲得的測(cè)量值分別進(jìn)行估計(jì)，再將局部估計(jì)送入到融合中心，根據(jù)局部狀態(tài)估計(jì)精度高，避免某個(gè)傳感器因故障而導(dǎo)致測(cè)量誤差偏大。

３.系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)

３．１ 硬件設(shè)計(jì)

流量計(jì)硬件結(jié)構(gòu)如圖５所示。氣體流量信號(hào)由４個(gè)探頭獲取，經(jīng)過放大濾波后由單片機(jī)內(nèi)部自帶的Ａ／Ｄ進(jìn)行多路采集。采集到的４路電壓信號(hào)通過融合處理后獲得氣體的瞬時(shí)流量，同時(shí)對(duì)瞬時(shí)流量進(jìn)行累加。硬件設(shè)計(jì)中還包括人機(jī)接口、掉電保護(hù)、信號(hào)輸出等模塊。

３．２ 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，根據(jù)儀表的各個(gè)功能模塊將軟件劃分成若干子程序，分別由主程序來調(diào)用，如圖６所示。

４.實(shí)驗(yàn)研究與分析

４．１ 熱式流量計(jì)的特性曲線

由于傳感器的特性曲線很難用單一解析式擬合，因此系統(tǒng)采用多項(xiàng)式***小二乘擬合算法作為特性曲線擬合處理的理論基礎(chǔ)。對(duì)于一組數(shù)據(jù)

避免求解復(fù)雜線性方程組的麻煩，減少了運(yùn)算量。***終的曲線擬合多項(xiàng)式可表示為：

ｎＱ（ｘ）＝ａ０ ＋ａ１ｘ＋… ＋ａｎｘ （５）

設(shè)傳感器融合后電壓和流量的測(cè)量數(shù)據(jù)為（ｕｉ，ｑ），擬合結(jié)果如表１所示。并由此繪制流量與電壓ｉ

的特性曲線如圖７所示。運(yùn)用多項(xiàng)式***小二乘算法求出該特性曲線的擬合方程Ｑ（ｘ），建立流量與電壓的函數(shù)關(guān)系式。經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析，當(dāng)ｎ?。稌r(shí)擬合效果***為理想，擬合誤差小于 １％。

４．２ 不規(guī)則流場(chǎng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)

在不規(guī)則流場(chǎng)條件下對(duì)口徑為２００ｍｍ樣機(jī)進(jìn)行流量測(cè)量試驗(yàn)（圖８），并與單傳感器測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比。試驗(yàn)在杭州市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測(cè)院０．２級(jí)的音速噴嘴裝置上進(jìn)行。通過在樣機(jī)的前直管段中設(shè)置半圓形障礙物來模擬半開閘閥制造不規(guī)則的流場(chǎng)，然后分別在不同直管段長度條件下進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果見表２、表３、表４。

通過實(shí)驗(yàn)可以看出，在直管段長度較短、管內(nèi)氣體流速分布不規(guī)則的條件下，與單點(diǎn)測(cè)量相比，多傳感器熱式氣體流量計(jì)具有較高的測(cè)量精度，改善單傳感器的測(cè)量精度的效果是非常明顯的。

5.結(jié)論

研制了一種多傳感器結(jié)構(gòu)的熱式氣體流量計(jì)。通過多傳感器信號(hào)融合建立流量與電壓的六階多項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系式，實(shí)現(xiàn)了氣體流量的測(cè)量。不規(guī)則流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，多傳感器結(jié)構(gòu)的熱式氣體流量計(jì)具有較高的測(cè)量精度，很好地改善了單傳感器測(cè)量精度不高的問題。受實(shí)驗(yàn)條件限制，目前樣機(jī)只是對(duì)半開閥門產(chǎn)生的不規(guī)則流場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，今后將針對(duì)其他阻力件產(chǎn)生的不規(guī)則流場(chǎng)繼續(xù)開展測(cè)試研究。