熱式氣體質(zhì)量流量計選型工作測量原理

流量傳感器上有一個流量探頭和一個溫度探頭，分別用來測量氣體的質(zhì)量流量與溫度。其探頭示意圖如圖 2-1 所示。

圖 2-1 熱式氣體質(zhì)量流量計的探頭示意圖
本文所研制的浸入式熱式氣體流量計是利用熱消散效應的金氏定律（King’s Law），電路提供給流量探頭的電功率等于管道內(nèi)氣體對流所帶走的熱量，其表達式為：

其中 I0為流過流量探頭的電流，R0為流量探頭自身的電阻值，h 為表面平均傳熱系數(shù)，A 為流量探頭的散熱表面積，T0為流量探頭表面溫度， T1為溫度探頭所測量出的氣體溫度。h A 又可表示為[34]：

h A 又可表示為

由上式可得，氣體的質(zhì)量流量 qm是流過探頭的電流 I0和溫差 T0-T1的函數(shù)，若保持這 2 個參數(shù)中的任何一個不變，就可得出質(zhì)量流量 qm與另一個參數(shù)的函數(shù)關(guān)系。
若保持通過探頭的電流 I0不變，則可根據(jù)溫差 T0-T1的大小，得到質(zhì)量流量 qm，基于此原理的流量計為恒功率式熱式氣體質(zhì)量流量計。
若保持溫差 T0-T1不變，則可根據(jù)流經(jīng)流量探頭的電流 I0的大小，測量出質(zhì)量流量，基于此原理的流量計稱為恒溫差式熱式氣體質(zhì)量流量計。若保持流量探頭表面的溫度 T0不變，則根據(jù)流經(jīng)探頭的電流 I0的大小，測量出質(zhì)量流量，基于此原理的流量計稱為恒溫型熱式氣體質(zhì)量流量計。由于氣體本身的溫度對流量也會產(chǎn)生影響，需要進行溫度補償。恒溫差式熱式氣體質(zhì)量流量計和恒溫型熱式氣體質(zhì)量流量計響應速度快，精度高，應用廣泛。本課題對恒溫差式熱式氣體質(zhì)量流量計和恒溫型熱式氣體質(zhì)量流量計分別進行研究。

熱式氣體質(zhì)量流量計的功能：

本文所設(shè)計的熱式氣體質(zhì)量流量計基于熱消散原理，恒溫差式熱式氣體質(zhì)量流量計和恒溫型熱式氣體質(zhì)量流量計均為浸入式流量計，分別由流量傳感器和流量轉(zhuǎn)換器兩部分組成，根據(jù)流量傳感器輸出的電壓信號值得出與之對應的質(zhì)量流量值，并在滿量程范圍內(nèi)輸出 4~20m A 電流，直接通過上位機軟件設(shè)定和讀取流量計的各類參數(shù)。其主要功能包括：

(1) 流量傳感器探頭產(chǎn)生兩路信號，流量轉(zhuǎn)換器通過對這兩路信號進行調(diào)理變換，再利用單片機對這信號進行 A/D 轉(zhuǎn)換；
(2) 通過 A/D 轉(zhuǎn)換利用單片機實現(xiàn)實時溫度、實時流量和累計流量的運算與數(shù)據(jù)傳輸；
(3) 根據(jù)所得到的實時流量，在設(shè)定的滿量程范圍內(nèi)對應輸出 4~20m A 電流，實現(xiàn)流量的工業(yè)控制；
(4) 具有 RS-485 通訊接口與計算機進行數(shù)據(jù)通信，根據(jù)實際工況條件，通過計算機直接設(shè)定和讀取流量計需要的流量參數(shù)。恒溫差式熱式氣體質(zhì)量流量計的流量參數(shù)為氣體管道直徑、被測氣體的流速零點、***小流速、介質(zhì)系數(shù)和流量滿程、儀器地址和液晶顯示方式共 7 項，恒溫型熱式氣體質(zhì)量流量計的流量參數(shù)為被測氣體的風溫滿程、風溫零點、流速零點、***小流速和介質(zhì)系數(shù)，氣體管道直徑，流量計的探頭系數(shù)和儀器地址、被測氣體的流量滿程共 9 項。其功能和計算表達式如表 2-1所示。

表 2-1 流量計的流量參數(shù)功能表
如圖 2-2 所示為恒溫差式熱式氣體質(zhì)量流量計和恒溫型熱式氣體質(zhì)量流量計的總體技術(shù)規(guī)劃圖。整個流量計系統(tǒng)由流量傳感器和流量轉(zhuǎn)換器組成，流量傳感器包括流量探頭和溫度探頭，流量轉(zhuǎn)換器由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成。
圖 2-2 流量計系統(tǒng)的總體技術(shù)規(guī)劃圖

圖 2-2 流量計系統(tǒng)的總體技術(shù)規(guī)劃圖
該恒溫差式和恒溫型熱式氣體質(zhì)量流量計的主要技術(shù)指標如下：
(1) 測量介質(zhì)：非腐蝕性氣體；
(2) 適用管道直徑：φ50~φ2000mm；
(3) 測量流速范圍：0~50m/s；
(4) 環(huán)境溫度：-40~70℃；
(5) 介質(zhì)溫度：-40~70℃；
(6) 保存溫度：-40~70℃；
(7) 工作濕度：0~90% RH；
(8) 輸出信號：4~20m A，負載阻抗<250Ω；
(9) 通訊接口：RS-485 通訊接口；
(10) 供電電壓：24VDC；
(11) 測量量程可設(shè)定。

熱式氣體質(zhì)量流量計的硬件系統(tǒng)：
本文所設(shè)計的流量計由流量傳感器和流量轉(zhuǎn)換器組成。根據(jù)流量計所選用測量探頭的特點和理論推導，設(shè)計流量信號和溫度信號的調(diào)理電路，并通過實驗結(jié)果分析和總結(jié)兩種流量計的測量方法的可行性和可靠性。
兩流量計的硬件系統(tǒng)主要包括對流量探頭和溫度探頭的信號調(diào)理 A/D 采樣電路、基于單片機的外圍電路、RS-485 通訊接口電路和電源電路。A/D 采樣電路主要是對流量傳感器輸出的溫度信號和流量信號進行調(diào)理轉(zhuǎn)換?；趩纹瑱C的外圍電路主要設(shè)計單片機與外圍器件時間的接口電路設(shè)計，我們選用了 C8051F410 單片機，其自帶了 12 位的 ADC 和 12 位的 DAC。通訊模塊是利用 C8051F410 自帶 UART 串口通信模塊通過 RS-485 接口直接與上位機進行通訊，通過制定合理的通信協(xié)議，上位機可以直接對流量計的參數(shù)進行設(shè)定，并直接在上位機上顯示實時流量、實時流速、實時溫度和累計流量值。
對于恒溫差式熱式氣體質(zhì)量流量計，其流量探頭和溫度探頭分別采用鉑電阻Pt20 和 Pt1000 作為測量元件，設(shè)計電路使鉑電阻 Pt20 比 Pt1000 恒定高出 100℃，根據(jù)探頭特點，設(shè)計流量測量電路的采樣電路、4~20m A 電流的輸出電路和串行通訊RS-485 接口、微控制器的調(diào)試下載接口和液晶顯示接口電路。
對于恒溫型熱式氣體質(zhì)量流量計，其流量傳感器采用 CMOS 工藝制作半導體熱探頭，使其表面恒定在 105℃，采用 AD590 傳感器作為溫度探頭，然后根據(jù)探頭的特點，設(shè)計了氣體流量測量電路的采樣電路、4~20m A 電流的輸出電路和串行通訊RS-485 接口、微控制器的調(diào)試下載接口。該流量計結(jié)構(gòu)堅固、耐沖擊、耐腐蝕、穩(wěn)定性好。

熱式氣體質(zhì)量流量計的軟件系統(tǒng)：

在本系統(tǒng)中，很多功能都是通過軟件來實現(xiàn)的。熱式氣體質(zhì)量流量計的軟件系統(tǒng)主要包括通信協(xié)議的設(shè)計、單片機的軟件編程和上位機的軟件編寫。通信協(xié)議是上位機和下位機進行通信的依據(jù)和規(guī)范。單片機的軟件設(shè)計，主要實現(xiàn)流量傳感器的溫度信號和流量信號采集(即 A/D 轉(zhuǎn)換)、流量運算處理和輸出 4~20m A、與上位機的通信等功能，采用了模塊化的程序編寫風格，提高了系統(tǒng)的可靠性和可讀性。上位機的軟件設(shè)計主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信功能，通過上位機直接對流量計的參數(shù)進行設(shè)定，可以實現(xiàn)對管道內(nèi)的實時工況進行監(jiān)測和判斷，計算機也可以對溫度、實時流量、累計流量做實時監(jiān)測并顯示。單片機的軟件采用 C 語言來進行編寫，上位機軟件基于 Visual Basic6.0 平臺開發(fā)。

恒溫差式熱式氣體質(zhì)量流量計采用了熱消散效應進行流量測量，流量傳感器由一個加熱電阻和一個測溫電阻組成。由于對流量計的精度和穩(wěn)定性要求較高，因此選用金屬鉑電阻作為測量傳感器，其自身電阻阻值對所處環(huán)境溫度反應敏感并成一定函數(shù)關(guān)系。鉑電阻具有電阻溫度系數(shù)大，感應靈敏；元件尺寸小；電阻值隨溫度變化而變化基本呈線性關(guān)系；在測溫范圍內(nèi)，物理化學性能穩(wěn)定，長期重復性好，測量精度高，是目前公認制造熱電阻的***好材料[35]。鉑電阻具有良好的線性特點，當溫度在 0~100℃之間時，其***大非線性偏差小于 0.5℃。按 IEC751 國際標準，溫度系數(shù) TCR=0.003851。鉑電阻測溫精度高，穩(wěn)定性好，應用溫度范圍廣，是中低溫區(qū)(-200℃～650℃)***常用的一種溫度傳感器[35]。Pt20 熱敏電阻和 Pt1000 熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而線性增大，具有正溫度系數(shù)、穩(wěn)定性好、耐高溫等優(yōu)點。Pt20為加熱電阻，Pt1000 為測溫電阻。如圖 3-1 為探頭測量電路圖。

圖 3-1 流量傳感器測量電路圖

熱式氣體質(zhì)量流量計價格：

價格	¥ 180.00 ~10000.00
起批量	≥1 臺

熱式氣體質(zhì)量流量計|工作測量原理|廠家價格選型
熱式氣體質(zhì)量流量計規(guī)格型號：

加工定制	是	品牌	HY/華云	型號	GMF2000
類型	質(zhì)量流量計	測量范圍	0.03~282000N（m3/h）	精度等級	1.0
公稱通徑	DN10,15,20,32,40,50,65,80,100,125,150,200,250,300（mm）	適用介質(zhì)	空氣,壓縮空氣,氧氣、氮氣、氫氣、氯氣及多組分氣體,天然氣，液化氣，火炬氣	工作壓力	4.0（MPa）
工作溫度	-40~+220（℃）	規(guī)格	DN10mm(管道式法蘭),DN15mm(管道式法蘭),DN20mm(管道式法蘭),DN25mm(管道式法蘭),DN32mm(管道式法蘭),DN40mm(管道式法蘭),DN50mm(管道式法蘭),DN65mm(管道式法蘭),DN80mm(管道式法蘭),DN100mm(管道式法蘭),DN125mm(管道式法蘭),DN150mm(管道式法蘭),DN200mm(管道式法蘭),DN250mm(管道式法蘭),DN300mm(管道式法蘭),DN65mm(球閥插入式),DN80mm(球閥插入式),DN100mm(球閥插入式),DN125mm(球閥插入式),DN150mm(球閥插入式),DN200mm(球閥插入式),DN250mm(球閥插入式),DN300mm(球閥插入式),DN350mm(球閥插入式),DN400mm(球閥插入式),DN450mm(球閥插入式),DN500mm(球閥插入式),DN600mm(球閥插入式),DN700mm(球閥插入式),DN800mm(球閥插入式),DN900mm(球閥插入式),DN1000mm(球閥插入式),超過1000mm每增加100mm加價,防爆型加價,帶RS485通訊加價,帶HART協(xié)議加價,其他要求咨詢客服