熱式質(zhì)量流量計(jì)可以直接測(cè)量出被測(cè)氣體的質(zhì)量流量,可測(cè)流量范圍比較大,廣泛應(yīng)用于化工和發(fā)電等領(lǐng)域。針對(duì)核電站空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)等的通風(fēng)流量測(cè)量問(wèn)題,由于其工作條件較為惡劣且設(shè)計(jì)流量范圍較大,因而對(duì)熱式質(zhì)量流量計(jì)的設(shè)計(jì)提出了較高的要求。
設(shè)計(jì)了基于恒溫差原理的熱式質(zhì)量流量計(jì)的硬件電路,包括電源電路、信號(hào)調(diào)理電路和信號(hào)處理與輸出電路,其中,信號(hào)調(diào)理電路通過(guò)惠斯通電橋和負(fù)反饋控制電路維持傳感器探頭之間的恒定溫差。針對(duì)引線電阻對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響,通過(guò)理論分析得到引線電阻補(bǔ)償電路的原理,并設(shè)計(jì)了引線電阻補(bǔ)償電路。針對(duì)儀表的測(cè)量范圍較小的問(wèn)題,基于LT1510恒流驅(qū)動(dòng)芯片實(shí)現(xiàn)控制電壓到輸出電流的轉(zhuǎn)換,替換了傳統(tǒng)電路中的三極管,有效地提高了儀表的量程比。
對(duì)加熱電流原始數(shù)據(jù)進(jìn)行了幅值域和頻域分析,結(jié)果表明:加熱電流值近似符合高斯分布,且噪聲信號(hào)頻域分布較廣。因此,使用4階巴特沃斯低通濾波器對(duì)加熱電流進(jìn)行濾波,提高了測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性。針對(duì)加熱電流和被測(cè)流速的非線性關(guān)系,基于最小二乘法準(zhǔn)則進(jìn)行分段6階多項(xiàng)式擬合,以獲得最小誤差平方和下的儀表特性曲線,提高了儀表的測(cè)量精度。利用二維回歸方程構(gòu)建出擬合流速、氣體溫度和實(shí)際流速之間的函數(shù)關(guān)系,從而消除氣體溫度變化所造成的測(cè)量誤差。
基于模塊化設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)各個(gè)子模塊的程序,包括主監(jiān)控程序、信號(hào)采樣模塊、流量計(jì)算模塊、中斷模塊、脈沖輸出模塊、上位機(jī)通訊模塊、液晶顯示模塊和初始化模塊等,各子模塊間互相配合,實(shí)現(xiàn)了從信號(hào)采樣、流量計(jì)算到結(jié)果輸出的完整流程。
為驗(yàn)證設(shè)計(jì)電路和算法的有效性,進(jìn)行了氣體流量標(biāo)定實(shí)驗(yàn)和氣體溫度補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在氣體溫度不變時(shí)研制的恒溫差型熱式質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量結(jié)果滿足1級(jí)精度要求,儀表的最大可測(cè)流量達(dá)到了60m3/h,量程比達(dá)到了60:1,有效地拓寬了熱式質(zhì)量流量計(jì)的測(cè)量范圍。被測(cè)氣體溫度在20~60℃范圍內(nèi)變化時(shí),溫度補(bǔ)償算法有效地消除了氣體溫度變化帶來(lái)的影響,儀表測(cè)量結(jié)果滿足1.5級(jí)精度要求。