热式流量计混合气体组分补偿策略

２００９年第２３卷第４期测试技术学报Ｖｏｌ．２３Ｎｏ．４２００９（总第７６期）﹢﹨﹦﹢﹥﹦﹢﹦﹦﹦﹤﹪﹩（ＳｕｍＮｏ．７６）文章编号：１６７１７４４９（２００９）０４０３０７０６热式流量计混合气体组分补偿策略张世荣１，唐玉玲２（１．武汉大学动力与机械学院，湖北武汉４３００７２；２．中南民族大学计算机学院，湖北武汉４３００７４）摘要：混合气体的组分变化将对热式流量计的输出造成一定影响，这是该类流量计在工程应用中的难题．本文从定温热式气体流量计的基本公式出发，结合电路结构，推导了热式流量计在不同气体组分条件下使用时输出信号之间的关联方程，定义了补偿系数．并提出利用补偿系数在流量计标定数据的基础上，进行组分补偿的方法和过程．将该补偿策略分别应用于ＳＩＥＲＲＡ热式流量计以及自行设计的热式气体流量计样机，给出了其在现场煤气流量测量中的实验结果，验证了该补偿策略的有效性和实用性．关键词：热式流量计；组分补偿；混合气体；补偿系数；物性参数中图分类号：ＴＭ９３０．１２＋５文献标识码：Ａ﹤┄│┅┃┈┉┄┃┉┇┉┎┄┇┇│━﹨━┄┌┉┇┈┊┉┉┄﹤┄│┅┄┃┃┉┇┉┄┃┈┄﹩┈┍┉┊┇┈ＺＨＡＮＧＳｈｉｒｏｎｇ１，ＴＡＮＧＹｕｌｉｎｇ２（１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＰｏｗｅｒ＆ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＷｕｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｈａｎ４３００７２，Ｃｈｉｎａ２．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒＳｃｉｅｎｃｅ，ＳｏｕｔｈＣｅｎｔｒａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｆｏｒＮａｔｉｏｎａｌｉｔｉｅｓ，Ｗｕｈａｎ４３００７４，Ｃｈｉｎａ）﹢┈┉┇┉：Ｔｈｅｃｏｍｐｏｎｅｎｔｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｇａｓｍｉｘｔｕｒｅｄｅｆｉｎｉｔｅｌｙｂｒｉｎｇｓｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｅｒｒｏｒｓｔｏｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｆｌｏｗｍｅｔｅｒｓ（ＴＦＭ），ｗｈｉｃｈｒｅｓｕｌｔｓｉｎａｄｉｆｆｉｃｕｌｔｐｒｏｂｌｅｍｆｏｒｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆＴＦＭ．ＴｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｅｑｕａｔｉｏｎｓｆｏｒｔｈｅｏｕｔｐｕｔｓｏｆＴＦＭｓｕｂｊｅｃｔｔｏｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓａｒｅｄｅｄｕｃｅｄａｎｄａｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｉｓｄｅｆｉｎｅｄ．ＴｈｅｙａｒｅｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｅｑｕａｔｉｏｎｓｏｆｃｏｎｓｔａｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＴＦＭａｎｄｉｔｓｃｉｒｃｕｉｔｒｙｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｔｈｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｓｔｒａｔｅｇｙａｎｄｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｄｕｒｅａｒｅａｌｓｏｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔａｎｄｔｈｅｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｄａｔａｏｆＴＦＭ．ＴｈｉｓｓｔｒａｔｅｇｙｉｓａｐｐｌｉｅｄｔｏａｃｏｍｍｅｒｃｉａｌｌｙａｖａｉｌａｂｌｅＳＩＥＲＲＡＴＦＭａｎｄａＴＦＭｐｒｏｔｏｔｙｐｅｄｅｖｅｌｏｐｅｄｂｙｔｈｅａｕｔｈｏｒｓｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅｖａｌｉｄｉｔｙａｎｄｐｒａｃｔｉｃａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｉｓｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｓｔｒａｔｅｇｙａｒｅｅｖｉｄｅｎｃｅｄｂｙｔｈｅｆｉｅｌｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ．┎┌┄┇┈：ｔｈｅｒｍａｌｆｌｏｗｍｅｔｅｒ；ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｓｔｒａｔｅｇｙ；ｇａｓｍｉｘｔｕｒｅ；ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ；ｐｈｙｓｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｙｐａｒａｍｅｔｅｒ０引言混合气体是工业现场常用的介质，如煤气、天然气、火炬气、锅炉烟气等都是常见的混合气体，其一般具有脏污、变组分、温压以及流量大范围变化等特点．导致大多数现存流量测量方法在应用于混合气收稿日期：２００８１１２３作者简介：张世荣（１９７５），男，讲师，博士，主要从事检测技术与智能系统研究．体时都不同程度地存在一些问题．多声道超声流量计［１２］和热式气体流量计比较适合混合气体流量测量．高精度多声道超声流量计性能优异，但价格昂贵，难以大面积推广和使用．热式气体流量计具有量程比大、抗脏污、压损小、直接测量质量流量等特点，且价格合理、应用简单，在测量混合气体流量时具有一定优势．从２０世纪６０年代开始，借助热线风速仪的研究基础，陆续出现了各种形式和结构的热式气体流量计［３７］．定温（ＣｏｎｓｔａｎｔＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ＣＴ）工作模式具有更好的零点稳定性和响应速度，是近代热式气体流量计普遍采用的处理方式．从ＣＴ热式气体流量计的测量原理可知，被测气体物性参数（导热系数犧、动力粘度犣、密度犱）或温度改变会影响流量计的输出信号．针对气体温度的影响，出现了一系列温度补偿的算法或处理电路，取得了较好的应用效果［８１１］．混合气体的物性参数与组分密切相关，组分变化将对流量计输出造成影响［１２］，但只有为数不多的文献研究了热式测量方法的混合气体组分补偿问题．Ｃｏｒｒｓｉｎ首先提出将热线风速仪应用于混合气体测量［１３］．文献［１４］研究了由两种气体组成的混合气体的组分修正．文献［１５１７］在传热方程中综合考虑各种因素（包括物性参数）得出复杂的方程用于混合气体测量．以上研究立足于热线风速仪，在应用于热式气体流量计时尚需完善和推广．目前热式气体流量计采用“配气”标定来解决组分影响的问题，若被测气体的组分发生了显著变化，需将流量计送回厂家重新标定，这为用户带来了不便且增加了维护费用．本文采用物性参数分析与经验公式相结合的方法来研究组分补偿策略，并将该策略分别在商用热式流量计以及自行设计的样机中进行了实现，并提供了在煤气中的现场实验结果．１ＴＦＭ流量公式分析ＣＴ热式气体质量流量计一般采用两只铂电阻构建传感器［１８］，如图１所示．爲牥是速度燉加热探头，爲牅图１ＣＴ热式流量计原理图﹨．１ＰｒｉｎｃｉｐｌｅｃｉｒｃｕｉｔｒｙｏｆＣＴＴＦＭ为是温度燉参比探头，以供桥电压爠牄为输出信号．根据热式流量计的工作模式、工作条件及探头结构设计，可忽略传导及辐射的影响，则加热探头的热平衡方程为爣＝牎爛（爴ｗ－爴ａ），（１）式中：爣为加热能量；牎为对流换热系数；爴ｗ为热线温度；爴ａ为流体温度．加热探头符合横掠单管的对流换热模型，特征关联式可以表示为［１９］爫ｕ＝爞（爲牉）牔（爮牜）１燉３．（２）对于气体，式（２）中的普朗特数爮牜取０．７，且基本不随气体温度变化［１９］．将爫ｕ＝牎牆燉犧，爲牉＝犱爺牆燉犣带入式（２），并以爠ｂ为输出变量，结合电路结构可得爠ｂ＝爲１＋爲ｗ爲槡ｗ０．７爞犧爛牆（犱牣牆犣）牔（爴ｗ－爴ａ槡），（３）式中：爛，牆为探头换热面积以及探头直径；牣为气体流速；爞和牔随爲牉变化，将爫ｕ－爲牉的曲线进行分段拟合即可得爞和牔的值［２０］．取爲牉范围为４０～４０００，查得对应的爞＝０．６８３，牔＝０．４６６，代入式（３）得ＣＴ热式流量计的流量公式为爠ｂ＝爲１＋爲ｗ爲槡ｗ０．６０６×爛牆槡－０．５３４爴ｗ－爴槡ａ犧（犱犣）槡０．４６６牣槡０．４６６，（４）从式（４）可见，检测电量参数，结合物性参数、探头机械尺寸等即可计算气体的速度．但理论计算及尺寸测量将引入误差，故爠ｂ－牣之间的关系仍然用标定确定．８０３测试技术学报２００９年第４期２组分补偿策略分析２．１流量计特性曲线分析式（４）还可以分析得：热式气体流量计在不同组分混合气体中的爠ｂ－牣关系具有很大的相似性，可以用形式相同的函数模型来拟合，不同的混合气体组分，反应为不同的特性曲线系数．通过对热式气体流量计特性的理论分析以及对大量实验数据的研究，采用式（５）所示数学模型来拟合热式气体流量计的特性曲线可以取得较小的误差［２１］，且便于在流量计算机中实现．爠ｂ＝牃０牣＋牃１槡牣＋牃２．（５）２．２补偿系数推导热式气体流量计在标定状态以及变组分状态下都必然满足式（４），标定状态用下标牅表示，测量状态用下标牔表示．爠ｂｃ＝爲１＋爲ｗｃ爲槡ｗｃ０．６０６×爛牆槡－０．５３４爴ｗｃ－爴槡ａｃ犧ｃ（犱ｃ犣ｃ）槡０．４６６牣０．４６６槡ｃ，（６）爠ｂｍ＝爲１＋爲ｗｍ爲槡ｗｍ０．６０６×爛牆槡－０．５３４爴ｗｍ－爴槡ａｍ犧ｍ（犱ｍ犣ｍ）槡０．４６６牣０．４６６槡ｍ．（７）本文所研究的ＣＴ热式气体流量计采用了副反馈控制来确保加热探头与被测气体之间的温差基本不变，故式（６），（７）中爴ｗｃ－爴槡ａｃ≈爴ｗｍ－爴槡ａｍ．ＣＴ热式气体流量计都采用了有效的温度补偿措施，故式（６），（７）第一部分爲１＋爲ｗ爲槡ｗ在两种气体中基本相同．０．６０６×爛牆槡－０．５３４项只与探头本身几何尺寸有关．定义组分补偿系数爞ｆ为流量计在标定气体组分以及被测气体组分中使用时，在相同流速下输出信号的比值，即爞ｆ＝爠ｂｍ燉爠ｂｃ，（牣ｃ＝牣ｍ）．将式（６），（７）带入得爞ｆ＝爠ｂｍ爠ｂｃ＝犧ｍ犧槡ｃ（犱ｍ犣ｃ犱ｃ犣ｍ）槡０．４６６．（８）可见，爞ｆ仅与气体物性参数有关，即在流速值域［牣ｍｉｎ，牣ｍａｘ］内，爞ｆ为常数．若得知标定气体以及被测气体的物性参数，即可通过爞ｆ关联两种状态下相同流速的输出信号．２．３物性参数计算随着气体动力学的发展，气体输运方程的严格理论已经建立，可以比较准确地计算许多非极性气体和气体混合物的输运性质［２１２２］．但这些计算公式非常严格、烦琐，不适用于工程应用．Ｗｉｌｋｅ等从严格的表达式导出了半经验近似公式［２３２４］，具有较好的准确性且易于实现，在混合气体物性参数的工程计算中具有重要地位．本文即使采用此方法计算标定气体以及被测气体物性参数（犧ｃ燉犧ｍ，犣ｃ燉犣ｍ，犱ｃ燉犱ｍ）．按照计算公式设计了上位机的计算程序，在这里就不再详述．３补偿策略的实现在以上分析的基础上，即可按照一定的过程进行组分补偿．１）将ＴＦＭ在一种已知组分的气体（例如，空气）中进行标定，并用式（５）拟合标定数据［爠ｂｃ牏，牣ｃ牏］（１≤牏≤牕，牕为标定点数）以获得到热式气体流量计特性曲线，如图２所示．将系数牃０ｃ，牃１ｃ，牃２ｃ写入流量计算机进行流量测量．２）若被测气体的组分发生了显著变化，则计算（或查询）标定气体、被测气体的物性参数．带入式（８）计算组分补偿系数爞ｆ．利用式（９）即可获得流量计标定数据的组分补偿值［爠ｂｍ牏，爺ｍ牏］（１≤牏≤牕）．９０３（总第７６期）热式流量计混合气体组分补偿策略（张世荣等）图２ＴＦＭ特性曲线的补偿过程﹨．２ＴｈｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｄｕｒｅｆｏｒｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｃｕｒｖｅｏｆＴＦＭ爠ｂｍ牏＝爞ｆ×爠ｂｃ牏．（９）３）用式（５）函数模型拟合［爠ｂｍ牏，牣ｍ牏］（１≤牏≤牕），得组分补偿后的标定曲线．将系数牃０ｍ，牃１ｍ，牃２ｍ写入流量计算机即可对被测气体进行流量．组分补偿策略采用上下位机结合的方式实现．特性曲线拟合、物性参数计算、补偿系数计算等计算量大、处理繁琐的工作在由上位机完成．流量计算机只完成流量计算、报警处理等工作，非常适合采用单片机进行设计，便于工程实现．当组分变化后，上位机进行处理并获得系数－牃０牔，牃１牔，牃２牔，然后通过通信连接或键盘输入等多种方式完成系数下载，即实现了组分补偿．４实验结果为了验证补偿策略，将其分别在ＳＩＥＲＲＡ流量计以及自行设计的流量计样机中进行了实现，并进行了现场实验．ＳＩＥＲＲＡ探头在表１所示组分的煤气中标定，而流量计样机在空气中标定．标定后的两只流量计应用于表２所示组分条件的煤气中进行现场实验．表１ＳＩＥＲＲＡ标定煤气组分．１Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｏｆｔｈｅｃｏａｌｇａｓｆｏｒｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ成分含量成分含量Ｈ２４２．１０％Ｎ２１７．９０％ＣＯ２１４．００％Ｑ２０．８０％ＣＯ２３．２０％ＣＨ４２．００％表２实验煤气组分．２Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｏｆｃｏａｌｇａｓｆｏｒｅｘｐｅｒｉｍｅｎ