為了熱式氣體質量流量計選擇一種更加合理可靠的測量方法作為采樣方法,針對兩種測量方法建立了物理模型和測量電路,通過現有的科研設備進行了實際測量,根據得到的實驗數據繪制線性曲線,并通過分析曲線的姿態分析測量方法的可行性和可靠性,從而選擇一種更加合理的方法進行設計。
恒流測量原理如上圖所示。兩個Pt100鉑電阻溫度傳感器分別連接恒流源,Rc和Rw為金屬鉑電阻探頭.其中Rw通過Ic(5mA)提供測量電流,探頭本身不發熱,用于測試環境溫度;Rw通過Iw(50mA)提供加熱電流,探頭被加熱到氣體溫度80℃以上,作為測試流速的傳感器。此時氣體流速與兩個鉑電阻之間的溫差關系直接對應兩個鉑電阻的電阻阻值差的關系。
由式(2.10)可知:
根據流體學原理,式(2.12)中n的取值與雷諾數Re成對應關系.根據熱式氣體質量流量計的測量范圍,本實驗中取Re的范圍為40~4000,此時n取0.466。
在氣流溫度一定時,Vc為固定值,則此時除了加熱電阻的電壓Vw和氣體流速U之外的其他參數均為常量,于是可以得到w V 和氣體流速U個一對應的函數關系。跟據式(2.12)作出電壓-流速的理想關系曲線:
由圖2-4可見,使用恒流測量法測量流體質量流量,在質量流量從0~100kg/h區間變化時,曲線的斜率出現較大變化;在0~5kg/h區間內斜率接近0,在小流量下流量計采樣電壓靈敏度過高,而在20~100kg/h區間內斜率又趨近無窮,即采樣電壓的靈敏度過低,因此難以滿足流量計的精度要求。
從恒流測量的理想曲線可以得出結論:本流量計不適用于采用此種測量方法。
與恒流測量模式相比,恒溫測量模式的鉑電阻維持在一個恒定的工作溫度當被測氣體流速變化時,傳感器元件的熱慣性可以自動調整.如圖2-5所示,電路中由R1,R2,Rc,Rw組成電橋,其中Rw為金屬鉑電阻探頭,用于測量流速;R1,R2,Rc為精密電阻,根據電橋測量原理,滿足Rc/R2=Rw/R1。恒溫測量在電路中引入了一個反饋放大器,當流速變化時,利用反饋控制電路中電橋的電流以保持Rw工作溫度恒定,即當流速變化導致Rw有變化趨勢時,控制電路使Rw保持不變。
定溫反饋控制過程如下:當流速增加時,鉑電阻表面溫度降低,Rw降低,放大器負輸入端電勢降低,引起放大器輸入電壓增大,導致輸出電壓增大,使流過Rw的電流Iw增大Iw的上升導致通過Rw的熱量增加,Rw的溫度隨之升高,因而使得放大器負輸入端電勢升高,放大器輸出減小,電路恢復平衡.
以上過程是瞬間發生的,從輸入輸出關系來看,氣體流速U 的上升,立即引起放大器輸出電壓的增加;反之,氣體流速的降低,也立即引起輸出電壓的降低�,F在,運算放大器的響應頻率一般較高,故恒溫測量模式下傳感器可以保持溫度恒定(很高頻率的流速變化除外)。
在圖2-5中,輸出電壓選用R1兩端的電壓V1.由式(2.9):
由式(2.14)可得到采樣電壓和氣體流速的理想關系曲線,如圖2-6所示。
由圖可見,使用恒溫測量法測量氣體流速時,測量曲線的斜率變化較為平滑,使得測量精度相比恒功率測量得到了很大的提高,在低流速時斜率較大,具有很好的低流速靈敏度;高流速時曲線的線性度較好,精確度較高。
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