基于STM32单片机小流量热式气体质量流量测量仪研制

东北石油大学电子科学学院 宋维宁 韩 建 刘春华 廖 彧 黄 颖



基于STM32单片机小流量热式气体质量流量测量仪研制

东北石油大学电子科学学院 宋维宁 韩 建 刘春华 廖 彧 黄 颖

【摘要】气体小流量检测是当前火烧井助燃气体关键技术之一，本文设计了基于恒温差法热式气体流量测量电路；提出自动温度补偿电路设计思路，通过得到与各个瞬时流量以及气体温度对应的电压值，计算并在液晶屏上显示不同流速对应的实时电压曲线，计算出瞬时流速以及累积流量值；实验结果表明在小流量测量中精度达到2％以下。

【关键词】热式气体流量测量；小流量气体测量；热流量传感器；温度补偿

国家大学生创新实验指导项目（编号：201510220051）。

0　引言

石油是重要的非再生性战略能源，对我国的国民经济、人民生活和国家安全具有特殊的意义，而火烧油层是提高原油采收率的重要方法之一[1]，对于火烧油层采油技术来说，能够很好的检测井下是否注入了适量氧化剂十分关键；混合气体一般都具有脏污严重、组分变化、在接近井下底部温度和压力变化以及流量变化不大等特点，不利于流量检测，因此开展混合气体的小流量气体质量流量测量的方法研究势在必行[2-4]。热式气体流量计直接测量气体的质量流量，是气体流量测量(尤其是天然气、煤气等混合气体)中较适合的一种流量计量手段，本文充分发挥热式气体流量测量方法优势，进行小流量气体检测方面研究。

1　热式气体质量流量测量原理

热式气体质量流量计是一种坚固型质量流量仪表，其结构如图1所示。在测量管路中插入2个铂电阻Pt100作为探头，用于测量气体的速度与流体的温度，分别称为速度探头和温度探头[5]。

图1　热式气体质量流量计组成结构示意图

热式气体质量流量计利用了流体（气体）与固体（传感器探头）之间的热传导原理—L.V.KING定理[5]，提供给速度探头的电功率等于流动的气体对流换热所带走的热量。即：

式中：h为对流换热系数；A0为探头的表面积，一般情况下探头为圆柱体，所以；l为探头长度；d为探头直径；Ta为探头温度；Tb为气体温度。hA0可表示为：

式中：u为管内平均流速；B0、C0是经验常数。

气体的质量流量qm为：

由此可看出在Tb一定的条件下，流体的流量qm是电流Ia和温度Ta的函数，只要固定这2个参数中的任何一个，都可以获得流量qm与另一个参数的单值函数关系。

2　检测电路

如图2所示的电路图中，Ra、Rb、R6、R7构成桥式电路，Rb为发热铂电阻，当空气吹过电阻丝Rb时引起阻值的改变，放大器用来检测a、b两点的电位差。A2、A1、Q1组成整个电流反馈控制电路。即当检测到Uab时，反馈控制电路随时增加或减小通过铂电阻的电流，使电桥恢复平衡。再取与电阻丝同一支路的R7两端的电压为输出信号。当通过Rb和R7电流变化时，R7两端的电压也随之变化，取为流量输出的电压信号。

图2　发热器控制电路

可以注意到电阻丝是正温度系数的温敏电阻，当空气温度变化时其阻值也会变化，将导致无空气吹过时电桥也会随气温本身变化失去平衡，造成测量误差。若在热线相对的桥臂上接入相同正温度系数的电阻Ra，当气温变化时，a、b两点的电压同增同减，两点的电位差将保持Uab不变。由Ra、R1、R0组成温度补偿桥臂。

3　测试结果及数据分析

实验装置搭建完成后，保持室温不变，启动吹风机，通过改变距离来改变气体流速，并测量输出电压；通过调节使流速从零逐渐增大，并测量记录电压数据（加载电压）；然后从最大值逐渐减小至零，并测量记录电压数据（卸载电压）。基于温度并不属于瞬变量，需要一定时间，因此测量时需要等待数值稳定后进行记录；进行多次测量，提高数据可靠性同时验证系统的重复性，实验数据如表1所示。

表1　常温下样机实验数据

4　结论

本文基于STM32单片机，设计了小流量热式气体质量流量测量仪。通过实验，可以得出以下结论：加载和卸载时，流量计样机输出信号存在一定的回差，但是在小流速（0m/s～3m/s）情况下，回差在0.5％以内。通过分析比较多组样机加载和卸载的实验数据，可以得出流量计样机具有良好的重复性。被测气体的流速和流量计样机输出电压之间是非线性的关系。流量计样机的量范围为0m/s～8m/s；实验结果验证了对流速为0m/s～3m/s的小流量气体的流量测量具有高灵敏度和良好的重复性，测量精度可达±2％。所以本文设计的流量计样机可以作为小流量气体质量流量的测量工具，但同时也表明该流量计还存在一些误差，需要进一步完善。

参考文献

[1]张方礼.火烧油层技术综述[J].特种油气藏,2011,18(6):1～5．

[2]黄雪莲,武兴,白亚磊.气体流量检测技术的研究与应用[J].江苏现代计量,2012,5:28～29．

[3]许庆辉,邢宝庆,黄玉河.流量测量技术和仪表[J].中国科技投资,2013(20):114～116.

[4]李得天,冯炎,成永军,等.极小气体流量测量技术研究[J].真空科学与技术学报,2011,31(4):435-439．

[5]梁国伟,李长武,王芳.多点热式气体质量流量测试方法实验研究[J].传感技术学报,2005,18(4):785-789．