热式气体质量流量测量及补偿算法研究

摘要

混合气体流量测量是工业过程中经常遇到的问题，在测控领域处于非常重要的地位。混合气体，例如煤气、天然气等一般都具有脏污严重、组分变化、温度和压力变化以及流量变化大等不利于流量检测的特点。本文比较了几种气体流量测量方法在混合气体中应用的优势和缺点，最终选取热式气体流量测量方法为本文的研究对象，用于混合气体的流量测量研究。根据热式气体流量计的基本原理，混合气体的组分以及温度改变都会导致流量计输出信号的变化，造成较大的测量误差。因此，本文研究如何对热式气体流量计的输出信号进行温度补偿和组分补偿，消除温度和组分变化的影响，提高热式气体流量计的计量性能，有理论和实际意义。
　　 热式气体流量计源于“热线风速仪”，故本文先分别以反馈控制理论和传递函数分析两种方法对定温热线风速仪进行了研究。在此基础上，本文进一步研究了热式气体流量计的测量原理，建立了它的数学模型，并用数字仿真的方法对热式流量计进行了深入研究，具有一定的创新性，提高了热式气体流量计的理论水平。本文还对热式气体流量计的测量探头进行了深入研究，分析了探头的多种结构、探头的制作与安装误差对输出信号的影响，并分析了旋涡对探头的影响。
　　 针对气体温度对热式气体流量计输出信号的影响，本文研究了几种温度补偿算法，包括分析补偿算法、双敏感元件温度补偿算法、采用单一传感器进行温度补偿以及使用电桥进行自动温度补偿。在对常规补偿算法研究的基础上，本文提出了一种新的自动温度补偿电路，该电路突破了热式气体流量计常规温度补偿电路设计上的某些限制，具有一定的创新性和实用性。
　　 本文基于热式气体流量计的基本方程和实验结果分析了混合气体组分变化对热式气体流量计的影响，分析了组分补偿的必要性。在研究了基于换热方程分析以及基于实验研究和经验公式这两种现存组分补偿方法的基础上，本文提出了采用物性参数分析与经验公式相结合的热式气体流量计组分补偿算法，具有一定的创新性。还对补偿算法实现中的几个关键技术进行了研究。
　　 为了验证本文提出的温度补偿以及组分补偿算法的正确性和有效性，本文设计了热式气体流量计样机。设计了新的温度补偿电路，分析了组分补偿算法的功能划分以及在流量计算机中如何实现等技术。本文设计的样机首先在吹风实验台上进行了实验研究，得出了样机在空气中使用时的基本特性数据。样机的温度补偿电路也在该实验台上进行了实验研究，实验结果表明了该补偿电路可以取得较好的温度补偿效果。然后将热式气体流量计样机应用于某煤气公司测量煤气流量，以验证本文提出的组分补偿算法，实验结果表明该组分补偿算法能有效补偿混合气体组分变化对流量计输出信号的影响，但也显示出该补偿算法在实际使用上还存在一些误差，需要进一步研究和完善。
　　 本文对热式气体流量计温度和组分补偿算法研究的结论，提高了热式气体流量计的理论水平，有助于流量计的设计和推广，还有助于降低流量计的使用费用和维护成本。研究成果还大大扩展了热式气体流量计在变温度、变组分混合气体测量中的适应性。