一种通过动态温度补偿提高热式质量流量计测量精度的方法

摘要

一种通过动态温度补偿提高热式质量流量计测量精度的方法，包括步骤：测得T

说明书

【技术领域】

本发明涉及一种热式质量流量计测量方法，更确切地说是一种通过动态温 度补偿提高热式质量流量计测量精度的方法。

【背景技术】

热式质量流量计利用传热原理，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，当前主要用于测 量气体。热式质量流量计具有直接测量气体质量流量，组成简单，出现故障概 率小，量程宽，快速响应，精度高，低流速敏感，直接质量流量测量，现场显 示，信号输出，上下限报警，结构多样，分插入式、管道式安装，安装灵活， 装卸方便，使用简便，无活动部件，结构坚固，抗振，可应用于高温场合和腐 蚀环境中等特点，在气体测量领域得到了广泛应用，今日之科技发展迅猛，对 流量仪表的要求也在增加，对热式质量流量计精度要求的提高即是其一。

中国发明专利(文献名称：CN102538887A,公开日期：2012年7月4日)， 公开了一种测量有较低湿度的气体时也能保证高精度的热式质量流量计，这是 对产品硬件的改变。

目前，德美热式质量流量计对气体质量流量的测量，主要应用于项目中的 高压氮气、低压氮气、氧气、压缩空气、氩气、丙烷气等气体的流量测量，测 量涵盖的介质广，工艺比较复杂，广泛应用在电力、冶金、有色、石化、市政 环保等行业。其传感器由两个具有正温度系数的热阻传感器组成，一个是自热 RTD(R_H)提供流体能量，另一个参考RTD(R_C)提供温度参考值。流量计的测量 原理是采用美国专利(文献名称：US6450024B1，公开日：2002年9月17日) 的恒比率加热法，基于介质的的热导率进行流量测量，可以直接测量质量流量， 无需额外增加变送器成本，通过对自热RTD与参考RTD之间的温度进行控制， 保持一个恒定的比率γ_q＝R_H/R_C。这样，当有流体流过传感器时，流体会带走 自热RTD产生的热量使其电阻值变低，为保持比率的恒定，自热RTD的加热电 流也会随之增加来补偿被流体带走的热量；流量越大，流体带走的热量就越多， 自热RTD的加热电流也就越大。自热RTD的加热电流与流体流量存在一一对应 的关系，因此通过测量加热电流值就可以计算出流体流量。在一定程度上能够 消除温度变化而产生的测量漂移，保障测量度。宽量程比最高可以达到1000:1， 流量与自热RTD的加热电流的关系可以用以下函数表示：

Flow＝f(Ihot，Ih0)

其中：Flow表示流体流量，Ihot表示自热RTD的加热电流，Ih0表示零 流量时自热RTD的加热电流值。

对于目前德美的热式质量流量计，参数Ih0通常是在某一个温度(如常温) 下测量得到的，因此，在用公式Flow＝f(Ihot，Ih0)计算流体流量时，Ih0 实际上是一个常量。但，不同温度下的流体因为密度、热传导等不同导致Ih0 也是不一样的。也即是说，同一流体，不同的温度对应不同的Ih0。在具体的应 用中，假设Ih0是在T0温度时测量得到的，如果在应用现场中被测流体温度恰 巧也是在T0附近，则Ih0的误差是比较小的，通过公式Flow＝f(Ihot，Ih0) 计算得到的流量值还相对准确，如果被测流体温度远远低于或高于T0温度，则 Ih0的误差相对较大，测量的结果也会有较大的偏差。再者，如果被测流体温度 是动态变化的，则Ih0的误差也将随温度的改变而动态的变化，导致最终测量 结果的误差也会动态的变化。总之，目前德美的热式质量流量计因为固定的Ih0 会导致测量精度会受到被测流体温度影响。

【发明内容】

本发明的目的是对现有德美热式质量流量计的测量方法的改进，即在现有 硬件环境没有发生变化的情况下，通过对测量方法的改进来提高测量精度。

本发明提供了一种通过动态温度补偿提高质量流量计传感器测量精度的方 法，测出不同温度下的Ih0，然后根据流体的温度，将对应温度下Ih0代入流量 计算公式Flow＝f(Ihot，Ih0)中，实现流量的动态温度补偿。具体的实现方 法如下：

测得T₀温度下流体零流量时自热RTD的加热电流为Ih0₀；

设定温度T下流体零流量时自热RTD的加热电流为Ih0_T；

定义电流转换系数

测得至少两个离散温度点下自热RTD的加热电流；

通过电流转换系数公式K求得对应离散温度点下的电流转换系数；

通过离散温度点得到温度与电流转换系数的连续关系函数K＝f(T)；

求得任意合理温度下零流量时自热RTD的电流；

通过流量计算式Flow＝f(Ihot，Ih0)，根据流体温度的不同动态地调整 Ih0。

通过这些离散温度点用近似曲线或者分段曲线的任意一种来得到温度与电 流转换系数的连续关系函数。

所述的温度的是通过热式质量流量计测得。

所述的热式质量流量计包括一个用于温度检测的热阻元件和一个用于加热 的热阻元件的传感器，测量采用恒比率加热法。

所述的流体是气体。

所述的流体是氮气。

通过实验可以测得T₀温度下零流量时自热RTD的加热电流为Ih0₀，一般地， 我们取T₀＝25℃，设温度T下零流量时自热RTD的加热电流为Ih0_T，定义将“K”称为电流转换系数，它是一个以温度为自变量的单一变量函数。 通过实验可以测得一系列离散温度点下自热RTD的加热电流，通过公式进而可以求得对应离散温度点下的电流转换系数。通过这些离散的点可 以用近似曲线或者分段曲线来得到温度与电流转换系数的连续关系函数K＝f (T)。将公式变形后得这样我们就可以求得任意合理 温度下零流量时自热RTD的电流。计算出各个温度下零流量的自热RTD的电流 值后，在流量计算式Flow＝f(Ihot，Ih0)中根据流体温度的不同动态地调整 Ih0。

本发明的有益效果是，在现有硬件环境下，克服了现有的热式质量流量计 测量精度受流体温度影响的缺陷，提高了测量的精度，可以测量更宽广温度范 围的流体。

【附图说明】

图1为氮气在三种温度下德美热式质量流量计测量值的相对误差与实际氮 气流量的关系。

图2为氮气在不同温度下的电流转换系数K。

图3为使用了该发明后的流量计测量值的相对误差与实际氮气流量的关系。

【具体实施方式】

为进一步说明本发明的原理，现结合附图对本发明的优选实例进行详细说 明。

测量范围 气体流速 0～160m/s 精度 测量精度 ±1％

当质量、体积不变时,温度每增减1℃,其压强的增减等于在0℃时的1/273。 当在标准大气压760mmH汞柱的0℃时,其密度ρ是1.2928Kg/m。所以,气体 流量的检测多以标准条件下理想状态作参考基准换算气体质量流量。

热式质量流量计工作时流体的比热容和热导率保持恒定才能测量准确。被 测介质工况温度、压力变化范围不大，仅在工作点附近波动，比热容变化不大， 可视作常数。若工作点压力温度远离校准时压力温度，则必须在该工作点压力 温度下调整。

气体分子具有很强的可压缩性、温度系数、吸湿性,对温度、压力、体积特 别敏感,密度在时刻发生变化。测量气体流量用体积流量不能够确切,只有质量 流量才能较为精确测控描述气体的流量。气体分子流动时带走传感器的热量的 多少与空气流体的流速、流量、气体分子的多少成正比。

测量气体时流体温度变化，不像体积流量仪表那样气体体积变化改变所测 (体积)流量，并不影响质量流量，然而如若温度变化过大，比热容的变化会 导致测量值变化较大。这种影响因气体种类而异。

测出不同温度下的Ih0，然后根据流体的温度，将对应温度下Ih0代入流量 计算公式Flow＝f(Ihot，Ih0)中，实现流量的动态温度补偿。具体的实现方 法如下：

测得T₀温度下流体零流量时自热RTD的加热电流为Ih0₀；

设定温度T下流体零流量时自热RTD的加热电流为Ih0_T；

定义电流转换系数

测得至少两个离散温度点下自热RTD的加热电流；

通过电流转换系数公式K求得对应离散温度点下的电流转换系数；

通过离散温度点得到温度与电流转换系数的连续关系函数K＝f(T)；

求得任意合理温度下零流量时自热RTD的电流；

通过流量计算式Flow＝f(Ihot，Ih0)中根据流体温度的不同动态地调整 Ih0。

通过这些离散温度点用近似曲线或者分段曲线的任意一种来得到温度与电 流转换系数的连续关系函数。

所述的温度的是通过热式质量流量计测得。

所述的热式质量流量计包括一个用于温度检测的热阻元件和一个用于加热 的热阻元件，测量采用恒比率加热法。

所述的流体是气体。

所述的流体是氮气。

通过实验可以测得T₀温度下零流量时自热RTD的加热电流为Ih0₀，一般地， 我们取T₀＝25℃，设温度T下零流量时自热RTD的加热电流为Ih0_T，定义将“K”称为电流转换系数，它是一个以温度为自变量的单一变量函数。 通过实验可以测得一系列离散温度点下自热RTD的加热电流，通过公式进而可以求得对应离散温度点下的电流转换系数。通过这些离散的点可 以用近似曲线或者分段曲线来得到温度与电流转换系数的连续关系函数K＝f (T)。将公式变形后得这样我们就可以求得任意合理 温度下零流量时自热RTD的电流。计算出各个温度下零流量的自热RTD的电流 值后，在流量计算式Flow＝f(Ihot，Ih0)中根据流体温度的不同动态地调整 Ih0。

图1实验用的流体是氮气，测试三种温度(分别为0℃，25℃，130℃)下 德美热式质量流量计测量相对误差，流量计算式中的Ih0是在25℃时测得的。 由图1我们可以观察到当氮气的温度约等于测量Ih0时的温度时，流量计的测 量值相对误差是比较小的，也即是说测量精度是比较高的。但是，当氮气的温 度大于或小于测量Ih0时的温度时，测量结果就存在较大误差了，氮气的温度 与测量Ih0时的温度差别越大，测量的结果误差就越大。图中实际流量越来越 大时，测量值相对误差也都不断增大的原因是受流量计的测量量程限制。

经过实验我们测出氮气的电流转换系数约为＝-6E-12T⁴+5E-09T³-2E-06T²+0.001T+0.9759，通过该公式就可以计算出各个温度下对应的电流转换系数， 不同温度的氮气与K的对应关系如图2所示。再运用公式就可 以得到各个温度下的Ih0。

将0℃、130℃时的Ih0分别代入Flow＝f(Ihot，Ih0)中进行重新测量， 测量的结果如图3所示。从图中我们可以观察到0℃、130℃温度下新的测量结 果误差较之前要小的很多。

本发明通过动态温度补偿提高热式质量流量计测量精度的方法，在现有硬 件环境下，克服了现有的热式质量流量计测量精度受流体温度影响的缺陷，提 高了测量的精度和量程比，可以测量更宽广温度范围的流体。

同时，热式质量流量计对检测气体质量流量具有功耗低、微型化、智能化、 精度高、直接式质量测量、适宜介质温度宽、响应快、受温度影响小、稳定可 靠和使用维护简便等突出特点。

以上实施例为本发明的优选实施例，本发明不限于上述实施例，对于本领 域普通技术人员而言，在不背离本发明技术原理的基础上所做的任何显而易见 的改动，都属于本发明的构思和所附权利要求的保护范围。