气体通用型组合式及热分布式微型质量流量计

摘要

本发明涉及一种气体通用型组合式及热分布式微型质量流量计，包括：检测基座、控制阀基座、旁路与传感器、流量控制阀、检测与温度补偿器、流量控制驱动器、流量报警显示屏、流量信号处理器、DB15电气接口、RS485接口及气体选择开关。其具有以现代工业产品的形式，对各种种类质量流量的气体，能够分别实现测量、显示与报警、测量与控制、各种测量与控制方法的研究等功能，并可以根据用户需要，实现柔性模块组合式应用等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种气体通用型组合式及热分布式微型质量流量计，用户根据需要，可对已有的气体实施质量流量的检测、显示、控制和各种方法研究的智能热分布式质量流量装置，属于检测控制与仪表技术领域。

背景技术

在现代工业生产和研究的各种参数中，流量是主要需要经常测量和控制的参数之一。流量是一个动态变化的组分参量，流量测量和控制中涉及了许多流体种类，如气体、液体的单相流体和气液混合的多相流体；流量测量和控制中的环境因素存在着多变性，包括测量温度、压力、流量和组分等环境因素，例如测量和控制的温度具有广泛性，可以从高温到低温实施测量和控制，测量和控制时的压力也可以从高压到低压，被测流体的流量大小可以从微小流量变化至大流量等；另外，混合气体流量测量和控制是工业生产过程中经常遇到的问题，在测量与控制领域处于非常重要的地位。由于流量测量与控制技术的复杂性以及科学技术的迅速发展，在现代工业生产测量与控制中，对流量测量与控制提出了更新和更高的要求，流量测量与控制的现状远不能满足生产的需要，因此，研究新的质量流量测量与控制方法显得十分重要。

热分布式质量流量计，简称热式质量流量计，是近些年来发展比较快的一类质量流量计。它是根据热传导和平衡的原理，利用流动的流体与外部加热源之间的热量交换的关系来测量流体质量流量的仪表，与其它质量流量计相比较，热式质量流量计主要是用来测量低流速的质量流量。由于它的结构中不存在可动部件，结构坚固，压力损失小，可靠性高，在振动中或者颠簸的环境中也可以进行质量流量测量，并且便于安装，因此它可以应用于狭小空间中质量流量的测量研究中。

热式气体质量流量计主要用于测量以下介质，如空气、氩气、六氟乙烷、乙炔、乙烯、乙烷、八氟丙烷、丙烯、丙烷、八氟环丁烷、四氟化碳、甲烷、氯气、一氧化碳、二氧化碳、氢气、氯化氢、氦气、丁烷、正丁烷、异丁烷、异丁烯、氪气、氮气、一氧化氮、一氧化二氮、氖气、三氟化氮、氨气、氧气、六氟化硫、四氟化硅、硅烷、二氧化硫、高炉煤气、焦炉煤气、煤气、光气、天然气、液化石油气、过氧化氢、烟道气、燃气、沼气、压缩空气、甲苯及硫化氢等各种气体。

通过近期的文献综述，当前国内外在热式质量流量计领域的研究，主要为下列几个方向：改进热式质量流量计的传感器结构，提升测量和控制精度，以增强环境适应度的目的；采用非线性建模方法，实现对复杂流场的气体流量测量；采用多传感器的流量测量与控制方法，能对大管径、不规则管径以及多相流实施测量与控制；气体微小流量测量；补偿算法研究；采用先进的信号处理技术和方法，采取高级的各种各样算法；分析测量环境以及流场分布对精度的影响；采用非浸入式的加热方法和温度测量方法，减小测量对气体流速分布的影响；高精度、大量程比的流量传感器研究；或者使用各式各样的器件来处理热式质量流量计的输出信号。

但是，目前国内外生产的热式质量流量计，几乎是为现代工业生产提供的测量与控制一体化产品，每个产品只限于某种气体的测量与控制。在高校、质量检验所和研究所计划开展相关测量与控制领域发明的研究时，往往是需重新设计一个热式微型质量流量计，而且设计出来的这些热式微型质量流量计，也只是一个研究装置和系统，不具备满足现代工业产品的要求。

因此，本发明涉及一种气体通用型组合式热式微型质量流量计，即是一个现代工业产品，又是一个热式质量流量研发系统。通过采用柔性模块组合方式，用户根据需要，可对已有的气体质量流量实施检测、显示、控制和各种各样技术与方法的研究。

总之，在本技术领域中，提出了期望通过考虑想要测定的，如上所述质量流量的流体的种类，各种技术与方法，来准确地研究和测定呈现与理想气体不同的特性的流体的质量流量的测量与控制装置和系统。根据这些技术，能够不仅考虑想要测定和控制质量流量的气体的种类、还考虑测定和控制质量流量时的各种组合方式，以现代工业产品的形式，更准确地研究和测定各种气体的质量流量。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足而提供一种气体通用型组合式及热分布式微型质量流量计，以现代工业产品的形式，对各种种类质量流量的气体，能够分别实现测量、显示与报警、测量与控制、各种测量与控制方法的研究等功能，并可以根据用户需要，实现柔性模块组合式应用。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的，其是一种气体通用型组合式及热分布式微型质量流量计，其特征在于包括：检测基座、控制阀基座、旁路与传感器、流量控制阀、检测与温度补偿器、流量控制驱动器、流量报警显示屏、流量信号处理器、DB15电气接口、RS485接口及气体选择开关；其中，所述控制阀基座安装在检测基座的出气口处，所述旁路与传感器安装在检测基座上并与检测基座连通，所述流量控制阀安装在控制阀基座上；所述检测与温度补偿器的输入端与旁路与传感器电气连接，检测与温度补偿器的输出端分别与流量报警显示屏的输入端及流量控制驱动器的输入端电气连接，检测与温度补偿器的输入输出端分别与流量信号处理器的输入输出端及DB15电气接口的输入输出端电气连接，所述流量控制驱动器的输入输出端与DB15电气接口及流量信号处理器的输入输出端电气连接，流量控制驱动器的输出端与流量控制阀的输入端电气连接，所述流量信号处理器的输入输出端与RS485接口的输入输出端及气体选择开关的输入输出端电气连接。

在本技术方案中，所述检测基座包括壳体、湍流滤波器及层流元件；其中湍流滤波器及层流元件嵌入于壳体中使气体依次通过湍流滤波器及层流元件；所述旁路与传感器包括旁路测量管、加热线圈RH、上游传感器Rt1和下游传感器Rt2，所述加热线圈RH、上游传感器Rt1及下游传感器Rt2分别绕在旁路测量管的外壁上，加热线圈RH位于旁路测量管的中间，上游传感器Rt1及下游传感器Rt2分别位于加热线圈的两边且相互对称，所述旁路测试管的进气口及出气口分别与壳体连通，旁路测试管的进气口位于湍流滤波器及层流元件之间，旁路测试管的出气口位于层流元件与检测基座出气口之间。

在本技术方案中，所述检测与温度补偿器包括电阻R1、电阻R2、流量检测电路IC1、温度补偿电路IC2、加热电源IC3、电源调节器IC4以及CPU监控电路IC5；其中，所述电阻R1、电阻R2与上游传感器Rt1及下游传感器Rt2连接形成惠登斯电桥电路，所述惠登斯电桥电路的输出端分别与温度补偿电路IC2的输入端和流量检测电路IC1的输入端电气连接，惠登斯电桥电路的输入端分别与旁路与传感器的上游传感器Rt1的输出端、下游传感器Rt2的输出端电气连接，所述温度补偿电路IC2的输出端经电阻R3及功率管Q1的发射极后也与惠登斯电桥电路的输入端电气连接，所述流量检测电路IC1的输出端分别与流量控制驱动器的输入端、流量报警显示屏的输入端及流量信号处理器的输入输出端电气连接，流量检测电路IC1输入端还与CPU监控电路IC5的输出端电气连接，所述加热电源IC3的输入端与检测与旁路传感器的加热线圈RH电气连接；所述电源调节器IC4的输入端与DB15电气接口电气连接，电源调节器IC4的输出端为检测与温度补偿器提供工作电源；CPU监控电路IC5的输入端输出端与流量控制驱动器的输入输出端及流量信号处理器的输入输出端电气连接。

在本技术方案中，所述的检测基座、控制阀基座、旁路与传感器、流量控制阀、检测与温度补偿器、流量控制驱动器、流量报警显示屏、流量信号处理器、DB15电气接口、RS485接口及气体选择开关组合，对256种气体实现质量流量测定及显示与控制，并且能够对用户提出的各种测定和控制算法开展科学研究。

在本技术方案中，所述的检测基座、旁路与传感器和检测与温度补偿器三个部件组合后用于对气体质量流量进行测定。

在本技术方案中，所述的检测基座、旁路与传感器、检测与温度补偿器和流量报警显示屏四个部件组合用于对气体质量流量进行测定以及实时显示。

在本技术方案中，所述的检测基座、控制阀基座、旁路与传感器、流量控制阀、检测与温度补偿器及流量控制驱动器六个部件组合用于对气体质量流量进行测定和控制。

在本技术方案中，所述的控制阀基座、流量控制阀及流量控制驱动器三个部件组合用于提供用户实现提出的新型质量流量检测方式和控制研究。

本发明与现有技术相比的优点为：以现代工业产品的形式，对各种种类质量流量的气体，能够分别实现测量、显示与报警、测量与控制、各种测量与控制方法的研究等功能，并可以根据用户需要，实现柔性模块组合式应用。

附图说明

图1是本发明的结构框图；

图2是本发明检测与温度补偿器与其他部件配合的结构框图；

图3是本发明检测基座的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以互相结合。

如图1至图3所示，其是一种气体通用型组合式及热分布式微型质量流量计，包括：检测基座1、控制阀基座2、旁路与传感器3、流量控制阀4、检测与温度补偿器5、流量控制驱动器6、流量报警显示屏7、流量信号处理器8、DB15电气接口9、RS485接口10及气体选择开关11；其中，所述控制阀基座2安装在检测基座1的出气口处，所述旁路与传感器3安装在检测基座1上并与检测基座1连通，所述流量控制阀4安装在控制阀基座2上；所述检测与温度补偿器5的输入端与旁路与传感器3电气连接，检测与温度补偿器5的输出端分别与流量报警显示屏7的输入端及流量控制驱动器6的输入端电气连接，检测与温度补偿器5的输入输出端分别与流量信号处理器8的输入输出端及DB15电气接口9的输入输出端电气连接，所述流量控制驱动器6的输入输出端与DB15电气接口9及流量信号处理器8的输入输出端电气连接，流量控制驱动器6的输出端与流量控制阀4的输入端电气连接，所述流量信号处理器8的输入输出端与RS485接口10的输入输出端及气体选择开关111的输入输出端电气连接。

工作时，本发明的第一种工作方式，用户只是需要对气体进行测定，而不需要控制时，在气体通用型组合式热分布式微型质量流量计中，只需包括检测基座1、旁路与传感器3、检测与温度补偿器5以及DB15电气接口9，检测基座1只是与旁路与传感器3实现机械连接，而没有与控制阀基座2实现机械连接，旁路与传感器3的输出端与检测与温度补偿器5的输入端实现电气连接，检测与温度补偿器5的输出端与DB15电气接口9的输入端或输出端实现电气连接，将测量到的质量流量通过DB15电气接口9输出，输出电压信号为0-5VDC和输出电流信号为4-20mA；本发明的第二种工作方式，作为本发明所述的一种气体通用型组合式热分布式微型质量流量计进一步优化方案，如果用户需要对气体进行测定以及实时显示质量流量时，本发明的第二种工作方式在本发明的第一种工作方式的基础上，流量报警显示屏7的输入端与检测与温度补偿器5的输出端实现电气连接，通过流量报警显示屏7可以实时显示测定的当前质量流量和累计质量流量；本发明的第三种工作方式是在本发明的第一种工作实施方式的基础上，所述的控制阀基座2与检测基座1和流量控制阀4实现机械连接；流量控制驱动器6的输入端与检测与温度补偿器5的输出端和DB15电气接口9的输入端或输出端实现电气连接，流量控制阀4的输入端与流量控制驱动器6的输出端实现电气连接，用户通过DB15电气接口9的输入端输入给定流量信号0-5VDC或输入电流信号为4-20mA，流量控制驱动器6根据给定流量信号与检测与温度补偿器5的输出端反馈的质量流量信号进行比较而产生偏差信号，去控制并调节流量控制阀4，其中，流量控制阀4为电磁比例调节阀，通过流量控制驱动器6的控制电路，控制所加在电磁线圈上的电流大小来相应改变阀门的开度，从而达到控制气体质量流量的目的；本发明的第四种工作方式，作为本发明所述的一种气体通用型组合式热分布式微型质量流量计进一步优化方案，如果用户需要对任意气体质量流量进行测定和控制时，本发明的第四种工作方式在本发明的第三种工作方式的基础上，所述的流量信号处理器8的输入端或输出端分别于检测与温度补偿器5、RS485接口10以及气体选择开关11的输入端或输出端实现电气连接，DB15电气接口9的输入端或输出端分别与检测与温度补偿器5和流量控制驱动器6的输入端或输出端实现电气连接，RS485接口10的输入端或输出端与流量信号处理器8的输入端或输出端实现电气连接，气体选择开关11的输出端与流量信号处理器8的输入端实现电气连接，通过流量信号处理器8与气体选择开关11，气体选择开关为八位编码开关从而实现电气结合，针对想要测定和控制质量流量的气体的种类来预先设定气体流量参数，如气体转换系数、最小流速、流速零点、管道直径、介质系数、流量满速、仪器地址、流量计算式标定参数等，并预先存入质量流量信号处理器的数据存储单元中，在本技术领域中，本热分布式微型质量流量计能够实现256种气体的测定与控制；本发明的第五种工作方式，作为本发明所述的一种气体通用型组合式热分布式微型质量流量计进一步优化方案，如果用户需要对任意气体质量流量进行测定和控制等各种算法进行研究时，本发明的第五种工作方式在本发明的第四种工作方式的基础上，所述的RS485接口10将上位机PC编制的各种测定和控制算法软件传送到流量信号处理器8的CPU中，流量信号处理器8的CPU采用DSP数字处理芯片TMS320F28335，可以进行各种测定和控制算法的研究，本热分布式微型质量流量计能够实现256种气体的各种测定和控制算法的研究。

在本实施例中，所述检测基座1包括壳体11、湍流滤波器12及层流元件13；其中湍流滤波器12及层流元件13嵌入于壳体11中使气体依次通过湍流滤波器12及层流元件13；所述旁路与传感器3包括旁路测量管31、加热线圈RH、上游传感器Rt1和下游传感器Rt2，所述加热线圈RH、上游传感器Rt1及下游传感器Rt2分别绕在旁路测量管31的外壁上，加热线圈RH位于旁路测量管31的中间，上游传感器Rt1及下游传感器Rt2分别位于加热线圈的两边且相互对称，所述旁路测试管31的进气口及出气口分别与壳体11连通，旁路测试管31的进气口位于湍流滤波器12及层流元件13之间，旁路测试管31的出气口位于层流元件13与检测基座1出气口之间。

在本实施例中，所述检测与温度补偿器5包括电阻R1、电阻R2、流量检测电路IC1、温度补偿电路IC2、加热电源IC3、电源调节器IC4以及CPU监控电路IC5，流量检测电路IC1、温度补偿电路IC2、加热电源IC3、电源调节器IC4以及CPU监控电路IC5均可采用瑞萨RL78/L13单片机；其中，所述电阻R1、电阻R2与上游传感器Rt1及下游传感器Rt2连接形成惠登斯电桥电路，所述惠登斯电桥电路的输出端分别与温度补偿电路IC2的输入端和流量检测电路IC1的输入端电气连接，惠登斯电桥电路的输入端分别与旁路与传感器3的上游传感器Rt1的输出端、下游传感器Rt2的输出端电气连接，所述温度补偿电路IC2的输出端经电阻R3及功率管Q1的发射极后也与惠登斯电桥电路的输入端电气连接，所述流量检测电路IC1的输出端分别与流量控制驱动器6的输入端、流量报警显示屏7的输入端及流量信号处理器8的输入输出端电气连接，流量检测电路IC1输入端还与CPU监控电路IC5的输出端电气连接，所述加热电源IC3的输入端与检测与旁路传感器3的加热线圈RH电气连接；所述电源调节器IC4的输入端与DB15电气接口9电气连接，电源调节器IC4的输出端为检测与温度补偿器5提供工作电源；CPU监控电路IC5的输入端输出端与流量控制驱动器6的输入输出端及流量信号处理器8的输入输出端电气连接。

在本实施例中，所述的检测基座1、控制阀基座2、旁路与传感器3、流量控制阀4、检测与温度补偿器5、流量控制驱动器6、流量报警显示屏7、流量信号处理器8、DB15电气接口9、RS485接口10及气体选择开关11组合，对256种气体实现质量流量测定及显示与控制，并且能够对用户提出的各种测定和控制算法开展科学研究。

在本实施例中，所述的检测基座1、旁路与传感器3和检测与温度补偿器5三个部件组合后用于对气体质量流量进行测定。

在本实施例中，所述的检测基座1、旁路与传感器3、检测与温度补偿器5和流量报警显示屏7四个部件组合用于对气体质量流量进行测定以及实时显示。

在本实施例中，所述的检测基座1、控制阀基座2、旁路与传感器3、流量控制阀4、检测与温度补偿器5及流量控制驱动器6六个部件组合用于对气体质量流量进行测定和控制。

在本实施例中，所述的控制阀基座2、流量控制阀4及流量控制驱动器6三个部件组合用于提供用户实现提出的新型质量流量检测方式和控制研究。

以上结合附图对本发明的实施方式作出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对于本领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下对这些实施方式进行多种变化、修改、替换及变形仍落入在本发明的保护范围内。