公开/公告号CN101221060A
专利类型发明专利
公开/公告日2008-07-16
原文格式PDF
申请/专利权人 当代天启技术(北京)有限公司;
申请/专利号CN200710304552.1
发明设计人 高志兴;
申请日2007-12-28
分类号G01F1/86(20060101);G01P5/12(20060101);
代理机构11243 北京银龙知识产权代理有限公司;
代理人许静
地址 100085 北京市海淀区上地东路1号院鹏寰国际大厦501
入库时间 2023-12-17 20:23:48
法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2011-01-26
专利权的转移 IPC(主分类):G01F1/86 变更前: 变更后: 登记生效日:20101221 申请日:20071228
专利申请权、专利权的转移
2010-01-06
授权
授权
2008-09-10
实质审查的生效
实质审查的生效
2008-07-16
公开
公开
技术领域
本发明涉及流体流量测量领域，特别是涉及一种热耗散式质量流量计及质量流量测量方法。
背景技术
凡是有物质流动的场合，人们为掌握其数量都需要进行流量测量。流量分为瞬时流量(Flow Rate)和累计流量(Total Flow)。单位时间内通过封闭管道或明渠有效截面的量称为瞬时流量，在某一段时间间隔内流过封闭管道或明渠有效截面的累计量称为累计流量，通过将瞬时流量对时间积分可求得累计流量。
用于测量瞬时流量或累计流量的器具统称为流量计(Flowmeter)。质量流量计(Mass Flow Meter，MFM)是一种精确测量流体流量的仪表，其测量值不因温度或压力的波动而失准，不需要温度压力补偿。热耗散式质量流量计(TMF)是利用热耗散(热传导)原理，即流动中的流体与热源(流体中加热的物体或测量管外加热体)之间热量交换关系来测量流量的仪表。
基于金氏定律(King’s Law)的热耗散式流量测量原理简单介绍如下：
(1)将两个电阻式温度探测器(Resistance Temperature Detector，RTD)部署在流场(气体或液体)中，分别用来感知流体的温度和流速。其中一个RTD(以下称之为测温RTD)用来感知流体的温度变化，以测量流体的温度；另外一个RTD(以下称之为测流RTD)用来感知流体的流速变化，以测量流体的流速。
(2)使用测温RTD对流体的温度进行测量，遵循常规的电阻测温方法即可实现，此处不再赘述。
(3)对于使用测流RTD测量流体的流速的方法，具体解释如下：对测流RTD以加热功率P进行加热，使测流RTD本身的温度高于流体的温度，其差值记为ΔT。根据金氏定律，可以得到以下关系式：
P/ΔT＝A+B·(ρ·v)N
上式中，
P：对测流RTD施加的加热功率；
ΔT：测流RTD温度和流体温度(即测温RTD的温度)的差值；
A、B：与测流RTD几何形状和被测流体物理性质有关的系数；
ρ：流体的介质密度；
v：流体的流速；
N：与雷诺数有关的系数。
当固定温度差ΔT不变时，所施加的加热功率P与流体的质量流速ρ·v成函数对应关系(参见图1)，测量加热功率P，可知流体质量流速，此为功率测量法。在功率测量法的电路实施中，须要设计模拟电路，建立温度差ΔT和加热功率P之间的负反馈控制关系，以便动态调整加热功率P，使得温度差ΔT维持在一个固定数值附近，其逼近程度取决于负反馈控制电路的性能。
当固定加热功率P不变时，温度差ΔT和流体的质量流速成函数对应关系(参见图2)，测量温度差ΔT，可知流体质量流速，此为温差测量法。在温差测量法的电路实施中，须通过模拟电路对测流RTD施加电压激励或电流激励，来实现对测流RTD的固定加热功率P。
另外，从图1、2可以看出，功率测量法在低流速范围适用，高流速范围不适用，而温差测量法在高流速范围适用，低流速范围不适用。
现有技术的缺点：
(1)对于功率测量法，现有技术是采用具有负反馈控制功能的模拟电路实现，它并不是通过直接测量流体的温度T1和测流RTD的温度T2来获得ΔT，而是以测流RTD的电阻值变化ΔR来表征ΔT，即负反馈控制电路是将ΔR控制在一个预设值附近。这样做的局限在于：测流RTD作为温度传感器，其电阻值随温度的变化是非线性的，在流体介质温度不同的情况下，ΔR所表征的ΔT是不相同的。由于模拟电路不能补偿电阻阻值和温度之间的非线性对应关系，其对“恒定温差”这一预设条件的实现，始终存在误差，这将影响该方法的测量性能。
(2)对于温差测量法，现有技术是采用控制测流RTD的激励电压值U或者激励电流值I为一固定值，来实现“恒定”的加热功率。然而，由于测流RTD的电阻值R是随温度变化的，由加热功率计算公式P＝U2/R或P＝I2·R可知，此种方法并不能实现准确的恒定加热功率。
(3)无论是功率测量法还是温差测量法，现有技术都是使用模拟电路设计技术实现，二者的电路难以整合为一套电路，因而难以实现将功率测量法和温差测量法集成在一套测量系统中。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种热耗散式质量流量计及质量流量测量方法，实现对温差和加热功率的精确控制，从而提高流量测量的准确度。
为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：
一种热耗散式质量流量计，包括：
测流RTD、测温RTD；
电阻测量模块，用于测量所述测流RTD和测温RTD的电阻；
微处理器，用于根据所述电阻获取测流RTD和测温RTD的温度，计算测流RTD和测温RTD的温差，输出数字信号到数模转换器，通过数模转换器、压控电压/电流源控制对测流RTD的加热功率，以及根据所述温差或加热功率确定流体的当前流速；
数模转换器，用于对所述数字信号进行数模转换，输出控制电压到压控电压/电流源；
压控电压/电流源，用于根据所述控制电压输出电压/电流到测流RTD，以加热测流RTD。
较佳地，所述微处理器进一步用于：通过数模转换器、压控电压/电流源控制对测流RTD的加热功率，以使得所述温差恒定，以及根据温差恒定时的加热功率确定流体的当前流速。
较佳地，所述微处理器进一步用于：通过数模转换器、压控电压/电流源控制对测流RTD的加热功率，以使得所述加热功率恒定，以及根据加热功率恒定时的温差确定流体的当前流速。
较佳地，所述微处理器还用于：判断所述当前流速是否高于预设值，在确定所述当前流速高于预设值时，通过数模转换器、压控电压/电流源控制对测流RTD的加热功率，以使得所述加热功率恒定，以及根据加热功率恒定时的温差确定流体的当前流速；以及在确定所述当前流速不高于预设值时，通过数模转换器、压控电压/电流源控制对测流RTD的加热功率，以使得所述温差恒定，以及根据温差恒定时的加热功率确定流体的当前流速。
较佳地，所述加热功率为U2/R或I2·R，其中，U为施加到测流RTD的电压，I为施加到测流RTD的电流，R为测流RTD的电阻。
一种质量流量测量方法，包括如下步骤：
A、将测流RTD和测温RTD置于待测流体中，并对测流RTD进行加热；
B、测量所述测流RTD和测温RTD的电阻，根据所述电阻获取测流RTD和测温RTD的温度，计算测流RTD和测温RTD的温差；
C、控制对测流RTD的加热功率，并根据所述温差或加热功率确定流体的当前流速。
较佳地，所述步骤C包括：控制对测流RTD的加热功率，以使得所述温差恒定，并根据温差恒定时的加热功率确定流体的当前流速。
较佳地，所述步骤C包括：控制对测流RTD的加热功率，以使得所述加热功率恒定，并根据加热功率恒定时的温差确定流体的当前流速。
较佳地，所述步骤C后还包括步骤：D、判断所述当前流速是否高于预设值，若是，控制对测流RTD的加热功率，以使得所述加热功率恒定，并根据加热功率恒定时的温差确定流体的当前流速；否则，控制对测流RTD的加热功率，以使得所述温差恒定，并根据温差恒定时的加热功率确定流体的当前流速。
较佳地，所述加热功率为U2/R或I2·R，其中，U为施加到测流RTD的电压，I为施加到测流RTD的电流，R为测流RTD的电阻。
与现有技术相比，本发明具有如下有益技术效果：
(1)使用数字电路对温差和加热功率进行控制，达到了更高的控制精度，提高了流量测量的准确度。在功率测量法中，微处理器通过算法维持温度差恒定，实现了真正意义上的“恒温差”；在温差测量法中，微处理器通过算法维持加热功率恒定，实现了真正意义上的“恒功率”。
(2)通过使用数字电路，可以使两支RTD既能应用于功率测量法，也能应用于温差测量法，将两种不同原理的测量方法有机的整合在一起。通过在低流速情形下使用功率测量法，在高流速情形下使用温差测量法，从而可以在低流速和高流速都能获得很好的灵敏度，提高了流量计的测量精度及测量范围。
附图说明
图1为温度差恒定时，加热功率与流体的质量流速的对应关系示意图；
图2为加热功率恒定时，温度差与流体的质量流速的对应关系示意图；
图3为本发明较佳实施例的热耗散式质量流量计结构示意图；
图4为本发明较佳实施例的功率测量法流程图；
图5为本发明较佳实施例的温差测量法流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述。
请参照图3，本发明较佳实施例的热耗散式质量流量计主要包括：微处理器10、电阻测量模块20、测流RTD30、测温RTD40、数模转换器50和压控电压/电流源60。
在进行流量测量时，将测流RTD30和测温RTD40置于待测流体中，由微处理器10通过数模转换器50和压控电压/电流源60对测流RTD30进行加热控制。具体地，微处理器10输出数字信号到数模转换器50，由数模转换器50将该数字信号转换成控制电压Uc，再由压控电压/电流源60将控制电压Uc转换为加热电压Uh或电流Ih。电压Uh或电流Ih施加于测流RTD30，对其进行加热。数模转换器50的模拟输出量和它所接收到的数字量是一一对应的，这种对应关系是确定并且可知的。压控电压/电流源60的电压输出或电流输出与控制电压Uc也是一一对应的。因此，微处理器10通过改变所发送的数字量可以控制加热电压Uh或者加热电流Ih，即根据数模转换器50的数字输入量和模拟输出量的对应关系，能够得到所控制输出的加热电压Uh或者加热电流Ih。对测流RTD30所施加的加热功率P由微处理器10根据测流RTD30的当前阻值R2和所施加的加热电压值Uh或加热电流值Ih，依据功率计算公式P＝Uh2/R2或P＝Ih2·R2进行实时计算。
电阻测量模块20实时测量测流RTD30和测温RTD40的电阻，由微处理器10根据电阻-温度的对应特性曲线，获取到测流RTD30和测温RTD40的温度，进而计算测流RTD30和测温RTD40的温差。
微处理器10可以通过控制温差恒定或者加热功率恒定来实现流量测量。具体地，在温差恒定时，根据加热功率确定流体的流速，对应于功率测量法；在加热功率恒定时，根据温差确定流体的流速，对应于温差测量法。所执行的功率测量法和温差测量法的具体流程请参见后文的描述。
本发明较佳实施例的热耗散式质量流量计，使用数字电路对温差和加热功率进行控制，达到了更高的控制精度，提高了流量测量的准确度。在功率测量法中，微处理器通过算法维持温度差恒定，实现了真正意义上的“恒温差”；在温差测量法中，微处理器通过算法维持加热功率恒定，实现了真正意义上的“恒功率”。
由于功率测量法适用于低流速情形，温差测量法适用于高流速情形，本发明较佳实施例的热耗散式质量流量计通过使用数字电路，可以使两支RTD既能应用于功率测量法，也能应用于温差测量法，将两种不同原理的测量方法有机的整合在一起。通过在低流速情形下使用功率测量法，在高流速情形下使用温差测量法，从而可以在低流速和高流速都能获得很好的灵敏度，提高了流量计的测量精度及测量范围。具体地，预设一个流速值，首先使用功率测量法进行测量，微处理器10判断当前流速是否高于预设值，若是，自动转换到温差测量法，否则，继续使用功率测量法。
在功率测量法的实现中，控制算法以控制温度差恒定为控制目标，微处理器实时获取温度差，动态的调整加热功率，维持温度差为恒定值。图4给出了本发明较佳实施例的功率测量法的流程，主要包括如下步骤：
步骤401、测量测温RTD的电阻R1；
步骤402、根据R1查表得到测温RTD的温度T1；
步骤403、测量测流RTD的电阻R2；
步骤404、根据R2查表得到测流RTD的温度T2；
步骤405、计算测流RTD和测温RTD的温差ΔT＝T2-T1；
步骤406、计算控制偏差e1＝ΔT-ΔT0，ΔT0为预设的温差值；
步骤407、判断控制偏差e1的绝对值是否小于预设的误差阈值e01，若是，则可以认定温差恒定，进入步骤411，否则，进入步骤408；
步骤408～410、判断e1是否小于0，若是，增加加热功率后返回步骤401，否则，减小加热功率后返回步骤401；
步骤411、计算对测流RTD所施加的加热功率P，P＝Uh2/R2或者P＝Ih2·R2，其中，Uh为施加到测流RTD的电压，Ih为施加到测流RTD的电流；
步骤412、由加热功率P和流速的对应曲线，求出流体的流速值V。
在温差测量法的实现中，控制算法以控制加热功率恒定为控制目标，微处理器实时采集测流RTD的电阻值，动态的调整压控电压/电流源的输出，从而维持加热功率为恒定值。图5给出了本发明较佳实施例的温差测量法的流程，主要包括如下步骤：
步骤501、测量测温RTD的电阻R1；
步骤502、根据R1查表得到测温RTD的温度T1；
步骤503、测量测流RTD的电阻R2；
步骤504、根据R2查表得到测流RTD的温度T2；
步骤505、计算测流RTD和测温RTD的温差ΔT＝T2-T1；
步骤506、计算对测流RTD所施加的加热功率P，P＝Uh2/R2或者P＝Ih2·R2，其中，Uh为施加到测流RTD的电压，Ih为施加到测流RTD的电流；
步骤507、计算控制偏差e2＝P-P0，P0为预设的加热功率；
步骤508、判断控制偏差e2的绝对值是否小于预设的误差阈值e02，若是，则可以认定加热功率恒定，进入步骤512，否则，进入步骤509；
步骤509～511、判断e2是否小于0，若是，增加加热功率后返回步骤501，否则，减小加热功率后返回步骤501；
步骤512、由温差ΔT和流速的对应曲线，求出流体的流速值V。
如前所述，功率测量法适用于低流速情形，温差测量法适用于高流速情形。依据以下方法，可以实现测量方法的自动切换，即，在低流速情形下使用功率测量法，在高流速情形下使用温差测量法。
自动切换测量方法的流程简单描述如下：
(1)假设所测量的流速范围是0～Vmax，其中Vmax是流速范围上限，预设一个流速值Vmid，例如，令Vmid＝Vmax/2；
(2)首先使用功率测量法，测出当前流速值V；
(3)如果当前流速值V≤Vmid，仍然采用功率测量法进行测量；
(4)如果当前流速值V＞Vmid，改为采用温差测量法进行测量；
(5)在使用温差测量法的过程中，如果当前流速值V≤Vmid，改为采用功率测量法进行测量。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
机译： 热质量流量测量方法，使用该方法的热质量流量计以及使用该热质量流量计的热质量流量控制装置
机译： 质量流量测量方法，使用所述方法的热质量流量计以及使用所述热质量流量计的热质量流量控制器
机译： 热质量流量测量方法，使用所述方法的热质量流量计以及使用所述热质量流量计的热质量流量控制器
