热式气体质量流量测量方法及系统研究

摘要

随着工业过程自动化水平的不断提高，人们对流量测量的要求越来越高。流量测量作为一项复杂的技术，需要根据被测流体的种类，流动状况以及测量的场合等条件来研究相应的测量方法。
　　 热式流量测量方法是一种基于热传递原理的直接式质量流量测量方法，以压损低、量程范围大、精度高等优点而得到广泛的应用，但在介质变化、大管径、不均匀流场等情况还有待进一步完善。
　　 本文以热式流量测量方法为基础，深入研究了气体质量流量的测量技术。在单传感器气体质量流量测量方面，针对现有温度补偿电路的缺点，提出了基于温补型热膜探头和温控型铂电阻的热式气体流量测量方法。针对单传感器气体测量中因管径增大而导致测量精度下降的问题，提出了多传感器信息融合的热式气体流量测量方法，并研制了基于ARM处理器的多传感器气体流量样机。在不规则管径的流场测量中，管内流速分布不均匀，从而影响流量测量的精度，针对这一问题，提出了基于GA和LS—SVM的热式气体质量流量测量方法。
　　 本文的主要工作和创新点如下：
　　 1)针对热式流量传感器的温度补偿元件非线性，以及传感器的输出电压与测量元件的电阻有关，从而导致测量精度较差的问题，提出了温补型的单传感器气体流量测量方法。该方法采用一种将测量电阻和温度补偿电阻集成于同一基片上的热膜探头作为传感元件，通过在不同温度和电流下进行了温度特性的实验研究，确定了热膜探头的工作电流。然后分析了测量电阻和温度补偿电阻在测量电路中的关系，设计了一种新型气体流量测量电路。最后通过实验数据建立了测量模型。实验结果表明该流量测量方法对提高气体流量测量的精度和一致性是有效的。
　　 2)针对热式流量传感器在流量测量中需要外部增加温度补偿电路，传感器补偿过程操作繁琐、耗时，而且补偿效果较差的问题，提出了一种温控型的单传感器气体流量测量方法。采用单一铂电阻PT20作为测量元件，在无额外补偿电路的情况下，通过设计铂电阻的温度控制算法，使铂电阻工作在两个不同的设定温度，从而由铂电阻的输出电压计算出气体的流量，消去了气体温度对测量的影响，实现了气体流量的测量以及温度补偿。实验表明该方法提高了测量精度。
　　 3)针对单传感器气体测量中测量精度不高的问题，提出了基于多传感器信息融合的热式气体流量测量方法。采用对数线性法将4个铂膜电阻PT20分布于测量管道内的不同位置，用于测量气体的流量。按照流体流速分布的特点，提出了基于流速相对距离的数据剔除方法。然后对4个传感器的测量结果采用方差最小的加权融合算法，计算出气体的质量流量。温度融合算法采用分析校正方法，对流量进行温度修正。
　　 4)工业管道的不规则引起了管内流速分布的紊乱，而流速分布是影响流量测量的主要因素。针对上述问题，提出了基于LS—SVM的热式气体质量流量测量方法。采用4个热式流量传感器，分别获取管道中不同位置的气体流量。通过流量标定实验，获得不同质量流量下测量管道内4个传感器的电压数据。然后应用GA和LS—SVM算法建立了流量测量模型，实现了不对称流场分布的流量测量。实验结果表明该方法是有效的。
　　 5)在多传感器融合的热式气体质量流量测量方法的基础上，设计了基于ARM处理器的多传感器气体质量流量仪样机。整个样机的设计考虑了仪表的扩展性和可靠性。

目录

文摘

英文文摘

声明

致谢

1 绪论

1.1引言

1.2流体流动基本知识

1.2.1 层流与湍流

1.2.2 流速分布

1.2.3 平均流速

1.3气体流量测量的研究现状

1.3.1 利用伯努利方程原理

1.3.2 速度式流量计

1.3.3 容积式流量计

1.3.4 质量流量计

1.4气体流量测量中存在的问题

1.5本文所做的主要工作

2 热式气体质量流量检测技术综述

2.1热式气体质量流量测量的发展历程

2.2热式气体质量流量测量的基本原理

2.2.1 传热原理

2.2.2 热式气体质量流量测量的工作原理

2.2.3 传感元件

2.3热式气体质量流量测量的研究现状

2.4热式气体质量流量测量的发展趋势

3 温补型单传感器气体质量流量测量

3.1引言

3.2气体质量测量系统结构设计

3.2.1 气体流量传感器组成

3.2.2 传感器检测口的确定

3.3热膜探头温度特性的实验研究

3.4气体流量测量的电路

3.4.1 气体流量传感器电路

3.4.2 差动放大电路

3.4.3 同相放大电路

3.4.4 电流输出电路的设计

3.5气体流量实验与数学模型

3.5.1 气体流量传感器实验

3.5.2 气体流量传感器数学模型

3.5.3 气体流量传感器测量误差分析

3.6测量仪表的实验研究

3.6.1 钟罩气体流量标准装置

3.6.2 实验过程

3.6.3 流量计算公式

3.6.4 热式气体流量计测试数据

3.7本章小结

4 温控型单传感器气体质量流量测量

4.1引言

4.2铂电阻温度特性研究

4.3温控型气体流量测量原理

4.4温控型气体测量系统的设计

4.4.1 PWM电路设计

4.4.2 信号调理电路设计

4.4.3 AD转换电路设计

4.5铂电阻恒温控制

4.5.1 铂电阻动态方程

4.5.2 Sigma-Delta调制器工作原理

4.5.3 铂电阻热式Sigma-Delta调制器设计

4.5.4 铂电阻小信号控制算法

4.5.5 铂电阻恒温控制算法

4.6流量测量实验与分析

4.6.1 流量实验

4.6.2 误差分析

4.7本章小结

5 多传感器融合的气体质量流量测量

5.1引言

5.2多传感器信息融合理论

5.3多传感器气体质量流量测量原理

5.3.1 多传感器气体流量测量原理

5.3.2 传感器位置的确定方法

5.4基于多传感器信息融合的测量系统

5.4.1 测量系统结构

5.4.2 传感器位置的确定

5.5气体流量测量的数据融合

5.5.1 基于相对距离的失效数据剔除方法

5.5.2 方差最小的加权融合算法

5.5.3 温度融合算法

5.6实验研究

5.7本章小结

6 基于LS-SVM的多传感器气体质量流量测量

6.1引言

6.2多传感器气体流量测量系统

6.3支持向量机简介

6.3.1 回归支持向量机

6.3.2 LS-SVM

6.4气体质量流量测量模型

6.4.1 LS-SVM流量测量模型

6.4.2 流量模型参数的确定方法

6.5实验研究

6.5.1 音速喷嘴气体流量标准装置

6.5.2 不规则流场的实验与分析

6.6本章小结

7 多传感器气体质量流量仪样机的研制

7.1系统硬件设计

7.1.1 硬件结构框图

7.1.2 微处理器选型

7.1.3 模拟信号处理电路

7.1.4 数字信号处理电路

7.1.5 电源模块

7.1.6 硬件实物

7.2系统软件设计

7.2.1 主程序流程

7.2.2 初始化模块

7.2.3 计算模块

7.2.4 输出模块

7.2.5 人机接口模块

7.2.6 通讯模块

7.2.7 软件界面

7.3本章小结

8 总结与展望

8.1总结

8.2展望

参考文献

作者简历