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多传感器热式气体流量计的研制


文章日期:2017-06-17|阅读数:


针对大中型管道以及不规则流场中气体流量测量存在的问题,研制了一种多传感器结构的气体流量计。在测量管道中按照对数线性法选取测量特征点,采用4个热式气体流量传感器获取特征点的流量信号,利用正交多项式拟合建立特性曲线的函数关系式。在不规则流场条件下对200mm口径样机进行实验。实验结果表明,多传感器测量方法能够明显改善单传感器的测量精度不高的问题。

1.引 言

影响流量测量的主要因素为流速分布,因此除了容积式流量计等少数流量仪表之外,几乎所有的流量计都对直管段长度有要求 。如涡轮流量计的直管段长度为15D~20D 。然而在实际应用中受到现场条件限制,特别是大中型口径的管道,往往难以满足这样的直管段长度。而管道中安装的阀门、弯管等阻力件,更造成流速分布的复杂 。热式气体流量计具有无可动部件,压损低,能够测量低流速等诸多优点,目前在工业中的应用越来越广泛。国内关于热式流量计的研究主要集中在微小流量的测量,针对大中型管道的热式流量计主要依靠进口,且价格较为昂贵 。

本文将均速管流量计与热式流量计的测量原理相结合,针对不规则流场以及大中型管道气体流量测量中的单点测量度不高、差压式仪表压损太大等问题,研制了一种多传感器结构的热式气体流量计,采用多点测量方法来测量气体流速,并在不规则流场条件下对样机进行了实验研究与分析。

2.多传感器测量系统

2.1 传感器与测量电路

样机选用组合热膜探头作为流量传感器,如图1所示。它采用微机电系统(MEMS)技术,将加热铂电阻与测温铂电阻集成在一片厚度仅为0.2mm的陶瓷基片上,因此探头的热容量很低,整个传感器有很快的响应时间。

组合1.jpg

热电阻Rh和测温电阻Rc与固定精密电阻R1、R0组成惠斯登测量桥路。气体流过探头表面时热量将被带走,使得探头温度Th降低,此时由运放和三极管组成的反馈电路将及时增大加热电阻Rh的工作电流I,使得探头温度Th与环境温度Tc差值始终维持恒定 。因此,可以建立起电流I与气体流量Q的函数关系式。

组合2.jpg

2.2 多点测量原理

多点测量采用均速管流量计测量原理,将管道截面S划分为N个面积相等的部分,在每一部分设置特征点来测量流体流速ui,则流过整个管道的体积流量Q为:

NQ=NS∑ui (1)i=1

流量计结构如图3所示。将管道截面划分为4等分,按照对数线性法选取特征点,用检测杆将探头置于管道的不同的位置来获取气体流量信号,进而获得整个管道的流量。

组合3.jpg

流量信号的融合采用卡尔曼分布式融合,如图4所示,首先将每个传感器获得的测量值分别进行估计,再将局部估计送入到融合中心,根据局部状态估计精度高,避免某个传感器因故障而导致测量误差偏大。

3.系统的硬件和软件设计

3.1 硬件设计

组合4.jpg

流量计硬件结构如图5所示。气体流量信号由4个探头获取,经过放大滤波后由单片机内部自带的A/D进行多路采集。采集到的4路电压信号通过融合处理后获得气体的瞬时流量,同时对瞬时流量进行累加。硬件设计中还包括人机接口、掉电保护、信号输出等模块。

3.2 软件设计

系统软件采用模块化结构的设计方案,根据仪表的各个功能模块将软件划分成若干子程序,分别由主程序来调用,如图6所示。

组合5.jpg

4.实验研究与分析

4.1 热式流量计的特性曲线

由于传感器的特性曲线很难用单一解析式拟合,因此系统采用多项式***小二乘拟合算法作为特性曲线拟合处理的理论基础。对于一组数据

避免求解复杂线性方程组的麻烦,减少了运算量。***终的曲线拟合多项式可表示为:

nQ(x)=a0 +a1x+… +anx (5)

设传感器融合后电压和流量的测量数据为(ui,q),拟合结果如表1所示。并由此绘制流量与电压i

 组合6.jpg

的特性曲线如图7所示。运用多项式***小二乘算法求出该特性曲线的拟合方程Q(x),建立流量与电压的函数关系式。经反复实验验证与分析,当n取6时拟合效果***为理想,拟合误差小于 1%。

组合7.jpg

4.2 不规则流场测量实验

在不规则流场条件下对口径为200mm样机进行流量测量试验(图8),并与单传感器测量值进行对比。试验在杭州市质量技术监督检测院0.2级的音速喷嘴装置上进行。通过在样机的前直管段中设置半圆形障碍物来模拟半开闸阀制造不规则的流场,然后分别在不同直管段长度条件下进行试验结果见表2、表3、表4。

组合8.jpg

组合9.jpg

通过实验可以看出,在直管段长度较短、管内气体流速分布不规则的条件下,与单点测量相比,多传感器热式气体流量计具有较高的测量精度,改善单传感器的测量精度的效果是非常明显的。

5.结论

研制了一种多传感器结构的热式气体流量计。通过多传感器信号融合建立流量与电压的六阶多项式函数关系式,实现了气体流量的测量。不规则流场实验结果表明,多传感器结构的热式气体流量计具有较高的测量精度,很好地改善了单传感器测量精度不高的问题。受实验条件限制,目前样机只是对半开阀门产生的不规则流场进行了实验,今后将针对其他阻力件产生的不规则流场继续开展测试研究。

 



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