摘 要：介绍热式质量流量计的测量原理及恒流式、恒温差式两种测量方法。针对恒流式测量方法存在的问题，提出了根据流量大小，改变加热电流的方案，分析了实际测量系统的硬件结构和软件功能，详细介绍了加热电流的选取方法，该测量方法已得到实际验证。

关键字：热式流量计 测量方法 数据处理

    0 引言

    热式质量流量计是利用热扩散原理^[1]，通过流体流量与热源热量的热交换关系来测量流量的流量计。它具有压力损失小、没有可动部件、结构简单、维护方便、测量范围大的特点，特别适合于测量微小流量的气体流量。

    1 测量原理和测量方法

    热式质量流量计是在测量管路中加入两个金属铂电阻，一个铂电阻加入较小的电流（电流在4mA以下。不会引起电阻发热），用于测量被测流体温度，称为测温电阻。一个铂电阻通入较大电流（电流一般在50mA以上），用于测量被测流体的速度，称为测速电阻。根据热扩散原理，加热物体被流体带走的热量与加热物体与流体的温差、流体的流速以及流体的性质有关。若流体密度为ρ，流体流速为V，加热物体被流体带走的热量为Q，加热物体与流体的温差为ΔT，则有关系式：

    Q/ΔT=k_l+k₂•（ρ•V）^k₃

    对于组份一定的流体，k_l、k₂、k₃为常数。在横截面为S的管路中，质量流量Q_m=ρ•V•S。在实际测量过程中，测速铂电阻R_H被仪表输入的电流I加热，在热平衡状态下，电流的加热功率与加热电阻被流体带走的热量处于平衡状态，即有：Q=I²•R_H。因此质量流量Q_m与Q/ΔT成一一对应的关系，可表示成

    

    由此可以看出，质量流量的测量方法有两种，一种方法为恒流式，即当加热电流I不变时，通过测出流体的温差ΔT（这里忽略了R_H随温度的变），计算流体的质量流量。另一种方法为恒温差式，从字面上讲是保持加热铂电阻与测温铂电阻的温差ΔT不变，实际是通过一个桥式电路保持加热铂电阻和测温铂电阻的温差ΔT与加热铂电阻R_H的比值ΔT/R_H不变，通过测量加热电流I来计算流体的质量流量。本文采用的是恒流式测量方法。

    2 恒流式热式质量流量计总体设计

    热式质量流量的计算公式可表示成

        （1）

    由此可以看出，当环境温度T₀基本不变时，给加热电阻加一恒定电流I，质量流量只是加热温度的单值函数，只要测出加热电阻的阻值即可。当环境温度变化较大时，须同时测出环境温度和加热温度，利用上述公式计算质量流量。

    当流体流量较小或流量为零时，大的加热电流会使加热电阻过热，由于加热电阻的热辐射，加热电阻周围的环境温度也会增加，影响测量精度。当流体流量较大时，小的加热电流会使加热温度与环境温度的差变小，减小传感器对流量变化的灵敏度。因此在整个流量测量范围内，采用恒定的加热电流是不合理的。本文采用分段变电流的方法，当流量较小时，加入较小的加热电流，当流量较大时，加入较大的加热电流。

    公式（1）可表示为Q_m=f（X），其中

    

    加热电流I为已知给定量，环境温度通过测量得到，加热温度可通过测量加热电阻的阻值，再通过关系R_H=R₀（1+α•T）计算得到，这样就可计算出X。Q_m与X的关系是通过实际流体标定出来的，在本仪表中，将Q_m与X的关系制成表格，存入单片机中，根据计算出的，经查表，用插值的方法计算出Q_m。

    3 恒流式热式质量流量计硬件设计

    系统硬件结构如图1所示。单片机采用飞利浦80C51系列的80C552单片机^[2]，80C552内部包含8路10位的A/D转换器，和2路8位PWM信号发生器，在PWM信号发生器后面加一频压转换电路，即可完成D/A转换的功能。V/I转换是将反映加热电流大小的电压信号转换为电流信号，给加热电阻加热。电压放大器将加热电阻两端的电压信号进行处理，送入80C552的A/D转换器，因流过加热电阻的电流信号为给定，因此可通过单片机计算出加热电阻的阻值及加热温度T。

    环境温度T₀的测量通过一桥式电路完成，测温电阻是桥式电路的一个桥臂，差动放大器将反映环境温度的电压信号送入单片机的A/D转换器。

    4 恒流式热式质量流量计软件设计

    加热电流的选取原则是：

    ① 一般选择加热电阻温度与环境温度的温度差在60℃~80℃之间，因为在这个温度范围内，传感器对流量变化比较敏感。
    ② 加热电流所分的段尽量少，因为加热电流频繁变化，会延长测量系统的响应时间。

    加热电流的分段选择是在实验室条件下完成的，具体步骤如下：

    ① 在流量测量范围内均匀选取流量值N+1个点：Q_m（0）、Q_m（1）…Q_m（N），其中Q_m（0）=0。
    ② 在给定流量Q_m（i）（其中i=0，1…，N）条件下，加入加热电流，使加热温度与环境温度相差60℃~80℃ ，记录加热电流的取值范围I_L（i）~I_H（i）。
    ③ 合并加热电流：

    a取i=0；b若I_L（i+n）≥I_H（i）≥I_L（i+n-1），将流量在Q_m（i）~Q_m（i+n-1）范围内的加热电流取为

    

    c令：i=i+n-1， 若i≠N、r，返回b；若i=n，结束。

   ④ 制流量范围与加热电流的数据表，存入单片机。

    系统软件流程如图2所示。

    5 结束语

    在热式质量流量测量中，恒流式测量方法与恒温差式测量方法相比，硬件电路简单，但由于在小流量段加热电阻过热，大流量段加热温度与环境温度的温差较小，因而，存在传感器对流量变化不敏感的缺点，针对这一问题，现将恒定加热电流方式设计成分段恒定加热电流方式。试验结果表明分段恒流式测量方法与恒流式测量方法相比，具有较高的测量灵敏度。