基于STM32單片機(jī)小流量熱式氣體質(zhì)量流量測(cè)量?jī)x研制

東北石油大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院 宋維寧 韓 建 劉春華 廖 彧 黃 穎

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基于STM32單片機(jī)小流量熱式氣體質(zhì)量流量測(cè)量?jī)x研制

東北石油大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院 宋維寧 韓 建 劉春華 廖 彧 黃 穎

【摘要】氣體小流量檢測(cè)是當(dāng)前火燒井助燃?xì)怏w關(guān)鍵技術(shù)之一，本文設(shè)計(jì)了基于恒溫差法熱式氣體流量測(cè)量電路；提出自動(dòng)溫度補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)思路，通過(guò)得到與各個(gè)瞬時(shí)流量以及氣體溫度對(duì)應(yīng)的電壓值，計(jì)算并在液晶屏上顯示不同流速對(duì)應(yīng)的實(shí)時(shí)電壓曲線(xiàn)，計(jì)算出瞬時(shí)流速以及累積流量值；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在小流量測(cè)量中精度達(dá)到2％以下。

【關(guān)鍵詞】熱式氣體流量測(cè)量；小流量氣體測(cè)量；熱流量傳感器；溫度補(bǔ)償

國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)項(xiàng)目（編號(hào)：201510220051）。

0　引言

石油是重要的非再生性戰(zhàn)略能源，對(duì)我國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)、人民生活和國(guó)家安全具有特殊的意義，而火燒油層是提高原油采收率的重要方法之一[1]，對(duì)于火燒油層采油技術(shù)來(lái)說(shuō)，能夠很好的檢測(cè)井下是否注入了適量氧化劑十分關(guān)鍵；混合氣體一般都具有臟污嚴(yán)重、組分變化、在接近井下底部溫度和壓力變化以及流量變化不大等特點(diǎn)，不利于流量檢測(cè)，因此開(kāi)展混合氣體的小流量氣體質(zhì)量流量測(cè)量的方法研究勢(shì)在必行[2-4]。熱式氣體流量計(jì)直接測(cè)量氣體的質(zhì)量流量，是氣體流量測(cè)量(尤其是天然氣、煤氣等混合氣體)中較適合的一種流量計(jì)量手段，本文充分發(fā)揮熱式氣體流量測(cè)量方法優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行小流量氣體檢測(cè)方面研究。

1　熱式氣體質(zhì)量流量測(cè)量原理

熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)是一種堅(jiān)固型質(zhì)量流量?jī)x表，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。在測(cè)量管路中插入2個(gè)鉑電阻Pt100作為探頭，用于測(cè)量氣體的速度與流體的溫度，分別稱(chēng)為速度探頭和溫度探頭[5]。

圖1　熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)組成結(jié)構(gòu)示意圖

熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)利用了流體（氣體）與固體（傳感器探頭）之間的熱傳導(dǎo)原理—L.V.KING定理[5]，提供給速度探頭的電功率等于流動(dòng)的氣體對(duì)流換熱所帶走的熱量。即：

式中：h為對(duì)流換熱系數(shù)；A0為探頭的表面積，一般情況下探頭為圓柱體，所以；l為探頭長(zhǎng)度；d為探頭直徑；Ta為探頭溫度；Tb為氣體溫度。hA0可表示為：

式中：u為管內(nèi)平均流速；B0、C0是經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

氣體的質(zhì)量流量qm為：

由此可看出在Tb一定的條件下，流體的流量qm是電流Ia和溫度Ta的函數(shù)，只要固定這2個(gè)參數(shù)中的任何一個(gè)，都可以獲得流量qm與另一個(gè)參數(shù)的單值函數(shù)關(guān)系。

2　檢測(cè)電路

如圖2所示的電路圖中，Ra、Rb、R6、R7構(gòu)成橋式電路，Rb為發(fā)熱鉑電阻，當(dāng)空氣吹過(guò)電阻絲Rb時(shí)引起阻值的改變，放大器用來(lái)檢測(cè)a、b兩點(diǎn)的電位差。A2、A1、Q1組成整個(gè)電流反饋控制電路。即當(dāng)檢測(cè)到Uab時(shí)，反饋控制電路隨時(shí)增加或減小通過(guò)鉑電阻的電流，使電橋恢復(fù)平衡。再取與電阻絲同一支路的R7兩端的電壓為輸出信號(hào)。當(dāng)通過(guò)Rb和R7電流變化時(shí)，R7兩端的電壓也隨之變化，取為流量輸出的電壓信號(hào)。

圖2　發(fā)熱器控制電路

可以注意到電阻絲是正溫度系數(shù)的溫敏電阻，當(dāng)空氣溫度變化時(shí)其阻值也會(huì)變化，將導(dǎo)致無(wú)空氣吹過(guò)時(shí)電橋也會(huì)隨氣溫本身變化失去平衡，造成測(cè)量誤差。若在熱線(xiàn)相對(duì)的橋臂上接入相同正溫度系數(shù)的電阻Ra，當(dāng)氣溫變化時(shí)，a、b兩點(diǎn)的電壓同增同減，兩點(diǎn)的電位差將保持Uab不變。由Ra、R1、R0組成溫度補(bǔ)償橋臂。

3　測(cè)試結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)裝置搭建完成后，保持室溫不變，啟動(dòng)吹風(fēng)機(jī)，通過(guò)改變距離來(lái)改變氣體流速，并測(cè)量輸出電壓；通過(guò)調(diào)節(jié)使流速?gòu)牧阒饾u增大，并測(cè)量記錄電壓數(shù)據(jù)（加載電壓）；然后從最大值逐漸減小至零，并測(cè)量記錄電壓數(shù)據(jù)（卸載電壓）?；跍囟炔⒉粚儆谒沧兞?，需要一定時(shí)間，因此測(cè)量時(shí)需要等待數(shù)值穩(wěn)定后進(jìn)行記錄；進(jìn)行多次測(cè)量，提高數(shù)據(jù)可靠性同時(shí)驗(yàn)證系統(tǒng)的重復(fù)性，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　常溫下樣機(jī)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

4　結(jié)論

本文基于STM32單片機(jī)，設(shè)計(jì)了小流量熱式氣體質(zhì)量流量測(cè)量?jī)x。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，可以得出以下結(jié)論：加載和卸載時(shí)，流量計(jì)樣機(jī)輸出信號(hào)存在一定的回差，但是在小流速（0m/s～3m/s）情況下，回差在0.5％以?xún)?nèi)。通過(guò)分析比較多組樣機(jī)加載和卸載的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以得出流量計(jì)樣機(jī)具有良好的重復(fù)性。被測(cè)氣體的流速和流量計(jì)樣機(jī)輸出電壓之間是非線(xiàn)性的關(guān)系。流量計(jì)樣機(jī)的量范圍為0m/s～8m/s；實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了對(duì)流速為0m/s～3m/s的小流量氣體的流量測(cè)量具有高靈敏度和良好的重復(fù)性，測(cè)量精度可達(dá)±2％。所以本文設(shè)計(jì)的流量計(jì)樣機(jī)可以作為小流量氣體質(zhì)量流量的測(cè)量工具，但同時(shí)也表明該流量計(jì)還存在一些誤差，需要進(jìn)一步完善。

參考文獻(xiàn)

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[5]梁國(guó)偉,李長(zhǎng)武,王芳.多點(diǎn)熱式氣體質(zhì)量流量測(cè)試方法實(shí)驗(yàn)研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2005,18(4):785-789．