恒温差型热式气体质量流量变送器研制
发布时间：2021-07-30 09:00
热式质量流量计可以直接测量出被测气体的质量流量,可测流量范围比较大,广泛应用于化工和发电等领域。针对核电站空调通风系统等的通风流量测量问题,由于其工作条件较为恶劣且设计流量范围较大,因而对热式质量流量计的设计提出了较高的要求。设计了基于恒温差原理的热式质量流量计的硬件电路,包括电源电路、信号调理电路和信号处理与输出电路,其中,信号调理电路通过惠斯通电桥和负反馈控制电路维持传感器探头之间的恒定温差。针对引线电阻对测量结果的影响,通过理论分析得到引线电阻补偿电路的原理,并设计了引线电阻补偿电路。针对仪表的测量范围较小的问题,基于LT1510恒流驱动芯片实现控制电压到输出电流的转换,替换了传统电路中的三极管,有效地提高了仪表的量程比。对加热电流原始数据进行了幅值域和频域分析,结果表明:加热电流值近似符合高斯分布,且噪声信号频域分布较广。因此,使用4阶巴特沃斯低通滤波器对加热电流进行滤波,提高了测量结果的重复性。针对加热电流和被测流速的非线性关系,基于最小二乘法准则进行分段6阶多项式拟合,以获得最小误差平方和下的仪表特性曲线,提高了仪表的测量精度。利用二维回归方程构建出拟合流速、气体温度和实际...
【文章来源】：合肥工业大学安徽省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：87 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
管壁温度场分布曲线
合肥工业大学硕士学位论文31.2.2热扩散式质量流量计热扩散式质量流量计基于金氏定律，其传感器被不锈钢钢套包裹并插入到管道中间，一个传感器测量流体的温度，称为测温探头，另一个传感器被用来加热，称为测速探头。在流体流速稳定时，流体流动带走的热量与电路提供的加热热量相等实现热平衡，根据加热功率或探头之间的温差与质量流量之间的关系便可计算出质量流量，热扩散式质量流量计的使用与测量方法如图1.3所示。图1.3热扩散式质量流量计的使用与测量方法Fig1.3Theusingandmeasurementmethodofthermaldiffusiontypemassflowmeter热扩散式质量流量计传感器无可动部件，被测流体压力损失较小，可测流速范围较大，可以实现100：1甚至是1000：1的量程比，因而在化工、发电和通风测量等领域中得到了广泛应用。根据测量方法的不同，热扩散式流量计又可以分为恒功率和恒温差型两种，两者在传感器设计、信号调理电路和信号处理方法等方面具有较大的差异。1.3热扩散式质量流量计测量原理基于自加热探头与气体之间的对流传热，得到热扩散式质量流量计的基本测量原理。将热力学第一定律应用于自加热的圆柱状传感器，分析加热传感器的热扩散效应，并根据热平衡原理推导加热传感器的热平衡公式，最终建立加热功率与气体流速、物性参数的具体函数关系。1.3.1热扩散原理当有源探头被放置于管道中，在流速稳定时，气体流动带走探头上的热量与加热功率提供的热量形成平衡，此时探头的温度不再发生改变。将加热元件、管壁和流体看作是一个系统，根据热力学原理可知，此时热传递主要包括对流换热、传导散热和辐射传热三种形式[6]，即：ckfHQQQ(1.1)
合肥工业大学硕士学位论文24样，减少了信号调理电路引入的误差。内部数字滤波器实际上是一个低通SINC3滤波器，用于减少信号采样带来的量化噪声，从而实现更高的测量精度。AD7718通过外部32.768kHz晶振时钟输入和内部PLL的模块倍/分频产生工作时钟。图2.13AD7718的内部结构框图Fig2.13TheinternalblockdiagramofAD7718根据引脚的性质将全部引脚分为模拟引脚和数字引脚，模拟引脚包括了信号输入通道和参考电压输入，数字引脚包括SPI串行接口和时钟输入等。在采用伪差分输入时，输入通道最多可以被配置为10通道，输入信号的公共参考端为AINCOM引脚，RT1的电压电流信号、RT2的电压电流信号分别连接到AIN1~AIN4。图4.13为AD7718的信号采集电路。由于参考电压的温度漂移和初始精度等都会对测量结果的精度造成影响，为此，需要一个低温漂高精度的参考电源，利用REF192芯片可以提供2.5V的高精度参考电源。VDD_3V3VDD_3V3VREF2.5AD_AIN2AD_AIN3AD_AIN1VDD_3V3AD_RSTAD_SCLKAD_AIN7AD_CSAD_RDYAD_OUTAD_DINAGNDAGNDAGNDAGNDAGNDAGNDC9C10C14C15C11R19R18R17C13C16AGNDTP21432Y1R20C19R21AIN71AIN82AVDD3AGND4REFIN1(-)5REFIN1(+)6AIN17AIN28AIN39AIN410AIN511AINCOM12REFIN2(+)/AIN913REFIN2(-)/AIN1014AIN615P216AGND17P118RESET19SCLK20CS21RDY22DOUT23DIN24DGND25DVDD26XTAL227XTAL128U4AD7718C20图2.14AD7718数据采集电路Fig2.14ThedataacquisitioncircuitofAD7718
【参考文献】：
期刊论文
[1]热式气体质量流量计的设计与计算[J]. 黄延禄,李初阳,王庆标. 自动化与仪表. 2019(05)
[2]火驱注气井热式气体质量流量计的研制及应用[J]. 余训兵. 上海计量测试. 2018(04)
[3]井下恒功率热式流量计设计与实现[J]. 汪栋良,余厚全,杨旭辉,秦民君,刘国权,陈强. 石油管材与仪器. 2018(02)
[4]简述热式质量流量计的发展现状[J]. 秦贞臻,于斌. 计量与测试技术. 2017(07)
[5]基于恒温差的热式空气流量计[J]. 汪余景,翟军勇. 仪表技术与传感器. 2017(06)
[6]热式气体流量计的温度补偿[J]. 温力杰. 中国计量. 2017(06)
[7]基于陶瓷基体铂薄膜电阻热式气体质量流量计设计[J]. 刘志亮,姜国光. 传感器与微系统. 2016(02)
[8]基于Fluent的新型微流量热分布式质量流量计的仿真分析及实验研究[J]. 闫加胜. 传感器世界. 2015(03)
[9]热式气体流量计信号采集电路的设计与研究[J]. 唐明,赵志龙. 测试技术学报. 2014(02)
[10]热式质量流量计两种工作原理比较[J]. 于斌,秦贞臻,刘红. 中国高新技术企业. 2011(01)
博士论文
[1]热式气体质量流量测量及补偿算法研究[D]. 张世荣.华中科技大学 2007
硕士论文
[1]热式流量计的误差分析及精度提升方法研究[D]. 袁琨翔.浙江大学 2015
本文编号：3311118
【文章来源】：合肥工业大学安徽省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：87 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
管壁温度场分布曲线
合肥工业大学硕士学位论文31.2.2热扩散式质量流量计热扩散式质量流量计基于金氏定律，其传感器被不锈钢钢套包裹并插入到管道中间，一个传感器测量流体的温度，称为测温探头，另一个传感器被用来加热，称为测速探头。在流体流速稳定时，流体流动带走的热量与电路提供的加热热量相等实现热平衡，根据加热功率或探头之间的温差与质量流量之间的关系便可计算出质量流量，热扩散式质量流量计的使用与测量方法如图1.3所示。图1.3热扩散式质量流量计的使用与测量方法Fig1.3Theusingandmeasurementmethodofthermaldiffusiontypemassflowmeter热扩散式质量流量计传感器无可动部件，被测流体压力损失较小，可测流速范围较大，可以实现100：1甚至是1000：1的量程比，因而在化工、发电和通风测量等领域中得到了广泛应用。根据测量方法的不同，热扩散式流量计又可以分为恒功率和恒温差型两种，两者在传感器设计、信号调理电路和信号处理方法等方面具有较大的差异。1.3热扩散式质量流量计测量原理基于自加热探头与气体之间的对流传热，得到热扩散式质量流量计的基本测量原理。将热力学第一定律应用于自加热的圆柱状传感器，分析加热传感器的热扩散效应，并根据热平衡原理推导加热传感器的热平衡公式，最终建立加热功率与气体流速、物性参数的具体函数关系。1.3.1热扩散原理当有源探头被放置于管道中，在流速稳定时，气体流动带走探头上的热量与加热功率提供的热量形成平衡，此时探头的温度不再发生改变。将加热元件、管壁和流体看作是一个系统，根据热力学原理可知，此时热传递主要包括对流换热、传导散热和辐射传热三种形式[6]，即：ckfHQQQ(1.1)
合肥工业大学硕士学位论文24样，减少了信号调理电路引入的误差。内部数字滤波器实际上是一个低通SINC3滤波器，用于减少信号采样带来的量化噪声，从而实现更高的测量精度。AD7718通过外部32.768kHz晶振时钟输入和内部PLL的模块倍/分频产生工作时钟。图2.13AD7718的内部结构框图Fig2.13TheinternalblockdiagramofAD7718根据引脚的性质将全部引脚分为模拟引脚和数字引脚，模拟引脚包括了信号输入通道和参考电压输入，数字引脚包括SPI串行接口和时钟输入等。在采用伪差分输入时，输入通道最多可以被配置为10通道，输入信号的公共参考端为AINCOM引脚，RT1的电压电流信号、RT2的电压电流信号分别连接到AIN1~AIN4。图4.13为AD7718的信号采集电路。由于参考电压的温度漂移和初始精度等都会对测量结果的精度造成影响，为此，需要一个低温漂高精度的参考电源，利用REF192芯片可以提供2.5V的高精度参考电源。VDD_3V3VDD_3V3VREF2.5AD_AIN2AD_AIN3AD_AIN1VDD_3V3AD_RSTAD_SCLKAD_AIN7AD_CSAD_RDYAD_OUTAD_DINAGNDAGNDAGNDAGNDAGNDAGNDC9C10C14C15C11R19R18R17C13C16AGNDTP21432Y1R20C19R21AIN71AIN82AVDD3AGND4REFIN1(-)5REFIN1(+)6AIN17AIN28AIN39AIN410AIN511AINCOM12REFIN2(+)/AIN913REFIN2(-)/AIN1014AIN615P216AGND17P118RESET19SCLK20CS21RDY22DOUT23DIN24DGND25DVDD26XTAL227XTAL128U4AD7718C20图2.14AD7718数据采集电路Fig2.14ThedataacquisitioncircuitofAD7718
【参考文献】：
期刊论文
[1]热式气体质量流量计的设计与计算[J]. 黄延禄,李初阳,王庆标. 自动化与仪表. 2019(05)
[2]火驱注气井热式气体质量流量计的研制及应用[J]. 余训兵. 上海计量测试. 2018(04)
[3]井下恒功率热式流量计设计与实现[J]. 汪栋良,余厚全,杨旭辉,秦民君,刘国权,陈强. 石油管材与仪器. 2018(02)
[4]简述热式质量流量计的发展现状[J]. 秦贞臻,于斌. 计量与测试技术. 2017(07)
[5]基于恒温差的热式空气流量计[J]. 汪余景,翟军勇. 仪表技术与传感器. 2017(06)
[6]热式气体流量计的温度补偿[J]. 温力杰. 中国计量. 2017(06)
[7]基于陶瓷基体铂薄膜电阻热式气体质量流量计设计[J]. 刘志亮,姜国光. 传感器与微系统. 2016(02)
[8]基于Fluent的新型微流量热分布式质量流量计的仿真分析及实验研究[J]. 闫加胜. 传感器世界. 2015(03)
[9]热式气体流量计信号采集电路的设计与研究[J]. 唐明,赵志龙. 测试技术学报. 2014(02)
[10]热式质量流量计两种工作原理比较[J]. 于斌,秦贞臻,刘红. 中国高新技术企业. 2011(01)
博士论文
[1]热式气体质量流量测量及补偿算法研究[D]. 张世荣.华中科技大学 2007
硕士论文
[1]热式流量计的误差分析及精度提升方法研究[D]. 袁琨翔.浙江大学 2015
本文编号：3311118
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/yiqiyibiao/3311118.html
