基于Fuzzy-PI双模无扰切换控制的热式气体质量流量计制造技术

本发明专利技术公开Fuzzy‑PI双模无扰切换控制的热式气体质量流量计，包括流量计测量杆、温度传感器恒流源模块、温度传感器模块、温度传感器信号调理模块、速度传感器PWM驱动模块、速度传感器模块、速度传感器信号调理模块、信号处理和主控模块，环形均流板。测量时供电和R

Thermal gas mass flow meter based on Fuzzy PI dual mode undisturbed switching control

【技术实现步骤摘要】
基于Fuzzy-PI双模无扰切换控制的热式气体质量流量计
本专利技术属热式气体质量流量计技术范畴。特指基于恒温差Fuzzy-PI无扰控制，采用环形均流板，速度/温度传感器位于上/下测量孔的热式气体质量流量计。
技术介绍
随着科学技术的进步和流程工业自动化程度的提高，流量测量的要求越来越高。流量测量历史悠久，可追溯至古埃及人对尼罗河水的观测；现代意义下的流量测量则始于1738年，第一伯努利方程为基石的差压流量测量法。流量计按测量原理可分为：差压式流量计、容积式流量计、速度式流量计和质量式流量计；热式气体质量流量计隶属质量式流量计。热式气体质量流量计起源20世纪初的热线风速仪(Hot-WireAnemometer)。美国托马斯率先设计完成热式气体质量流量计(ThermalGasMassFlowmeter，简称TGF)；因流量计传感器与气体直接接触，存在腐烛、磨损和防爆等问题，工业应用受限；故接触式气体质量流量计已逐步被非接触式的热膜气体质量流量计取代。热式气体质量流量计基于传热原理，即基于管道内流体与流量传感器之间的热量交换机理测量流量。利用热量传递、转移效应的流量计称为热分布式气体质量流量计；利用热量消散效应的流量计为浸入式气体质量流量计。根据实现电路的不同，浸入式气体质量流量计进一步细分为：恒功率(电流)和恒温差热式气体质量流量计；本文定位主流的恒温差热式气体质量流量计，以下简称热式气体质量流量计。热式气体质量流量计涉及四种热量交换方式：强迫对流、自然对流、导热和辐射传热，且以强迫对流传热为主。知名的热式气体质量流量计厂家有：美国Brooks、FCI(1964年，率先推出热式流量开关)、日本Hitachi、德国BOSCH等；以及上海华强仪表、昆明埃里伯特等。热式气体质量流量计成本低廉，原理和结构简单，无可动部件，压力损失小，测量范围大；由于国产热式气体质量流量计的误差机理研究不足，存在测量精度欠佳的短板。补短板是一项系统工程，包括传感器的结构优化、补偿方法的改进、信号处理算法的研究，本文从流量计误差的源由切入，探索消除或减少误差的应对之策。热式气体质量流量计的理论模型如下式所示：式中，qm为质量流量；IH为速度传感器的加热电流，RH为速度传感器的电阻，TH为速度传感器的温度；TL0为被测气体的温度，TL为流量计温度传感器测得的被测气体温度(式中未出现)，工程中用TL近似TL0；A、B为经验常数。目前，电桥温度补偿是恒温差热式气体质量流量计主要的温度补偿方法，所谓的温度补偿是对被测量气体所在管道环境温度变化的补偿。电桥温度补偿法借助补偿电阻RL，实现惠斯顿电桥自身的平衡；从而达到电桥测量电路的输出只与被测气体的流速有关，而与被测气体的温度无关。换言之，热式气体质量流量计模型的成立有一个假设，假设补偿电阻RL的温度TL＝被测气体的温度TL0；假设过于理想，温度传感器测得的气体温度TL＞被测气体的温度TL0，温度传感器测得的温度TL实际上是补偿电阻RL的温度；TL＞TL0，导致热式气体质量流量计的精度下降。TL≠TL0的原因有二：1、温度传感器的补偿电阻RL紧邻速度传感器的速度电阻RH，加热元件RH为高温源，RH的高温影响补偿电阻RL，使温度TL较被测气体的温度TL0略高。2、惠斯顿电桥的速度桥臂比Ra/RH＝温度桥臂比Rb/RL，通常取Rb＞Ra、RL＞RH；电桥平衡时，流经速度桥臂Ra、RH的电流IaH＞流经温度桥臂Rb、RL的电流IbL；虽电流IbL＜IaH，但IbL流经RL产生热量将推高RL的温度TL进一步偏高被测气体的温度TL0。设置补偿电阻RL的惠斯顿电桥本质上是一种模拟电路温度补偿技术，故具有简单方便的优点。另一方面，模拟电路温度补偿技术存在无法克服的固有缺陷：首先，模拟电路受补偿电阻非线性、元器件精度的限制；无法实现精准的理想补偿，故温度补偿精度有限。其次，模拟电路一旦搭建好，各元器件固定，补偿模型也固定，又需对每台热式气体质量流量计的电路单独调试；故不仅补偿操作繁琐、耗时，而且缺乏灵活性和测量数据的一致性。如上所述，理想的电桥温度补偿要求温度补偿电阻RL的温度TL＝被测气体的温度TL0；当且仅当RL不被加热，RL温度TL＝被测气体温度TL0，即TL＝TL0成立。现有的电桥补偿电路出于TL≈TL0的考量，取Rb＞Ra、RL＞RH，电路设计受限；电阻越大带来噪声增加，且Rb和Ra取值悬殊对生产和应用不便。若电桥设计补偿电阻取值不影响温度补偿，电路设计上有优势；例如，Rb和Ra选用同型号电阻，对提高生产效率和测量数据一致性、降低备品备件均有意义。被测气体流速的非均匀分布特性亦影响热式气体质量流量计的精度。被测气体沿所在管道流动，被测气体在管道轴截面上各点的流速分布服从：层流状态下，流速分布以圆管管道中心呈对称的抛物面；湍流状态下，流速分布以圆管管道中心呈对称的指数曲面。如何确定速度传感器和温度传感器的安装位置，或速度传感器和温度传感器的插入深度，使速度传感器位置处的流速能正确地表征被测气体的质量流量，时至今日尚无令人满意的答案。借鉴速度面积法的三种基本方法：等环面法、切比雪夫积分法和对数线性法，确定速度传感器和温度传感器的安装位置，提高热式气体质量流量计精度的成效有限。分析误差的源由是基础，补全测量精度欠佳的短板是目标。目标1，TL→TL0，THL＝TH－TL0＝constant；提高热式气体质量流量计的测量精度。优化传感器结构，速度和温度传感器位于测量杆的上/下测量孔，速度电阻RH高温源在上、补偿电阻RL在下；减少速度电阻RH高温对补偿电阻RL的影响，TL→TL0。掘弃电桥温度补偿电路，设计独立的被测气体的温度测量模块；使流经RL的IbL↓，产生的热量TL→TL0；同时，消除Rb和Ra的取值约束，提升电路的一致性。研究恒温差Fuzzy-PI无扰切换双模控制取代电桥模拟电路的温度补偿，实现THL＝TH－TL0＝constant。目标2，消减被测气体流速的非均匀分布特性对测量精度的负面影响。被测气体的管道上设置环形均流板，流量计测量杆位于环形均流板之后；温度传感器的补偿电阻RL位于测量杆底部的测量孔，速度传感器的速度电阻RH位于测量杆中部的测量孔，两孔相距L≈1/3D(D为管道直径)；速度传感器位置处的流速可正确地表征被测气体的质量流量。热式气体质量流量计较有代表性的知识产权成果综述如下：·专利技术专利“恒流法热式气体质量流量计及其测量方法”(ZL2014103018810)，提出恒流法热式气体质量流量计，传感器由速度/温度探头铂热电阻Rw/Rc，及两个基准电阻Ra、Rb组成，输出四路电压信号。·专利技术专利“基于MSP430的多传感器热式气体流量测量电路”(ZL2012104196642)，提出组合热膜探头作为气体流量传感器，采用多传感器融合算法；测量电路由四部分组成：反馈电路、四路传感元件连接而成的电桥传感器、电压转换电路和单片机。上述相关知识产权的探索有参考价值，但成果仍存在局限；有必要作进一步的创新设计。
技术实现思路
本专利技术的目的是本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于Fuzzy-PI双模无扰切换控制的热式气体质量流量计，其特征在于，所述流量计由流量计测量杆、安装在流量计测量杆上的温度传感器恒流源模块(100)、温度传感器模块(200)、温度传感器信号调理模块(300)、速度传感器PWM驱动模块(400)、速度传感器模块(500)、速度传感器信号调理模块(600)、信号处理和主控模块(700)、环形均流板(800)组成；在温度传感器恒流源模块(100)的作用下，温度传感器模块(200)的补偿电阻R

【技术特征摘要】
1.一种基于Fuzzy-PI双模无扰切换控制的热式气体质量流量计，其特征在于，所述流量计由流量计测量杆、安装在流量计测量杆上的温度传感器恒流源模块(100)、温度传感器模块(200)、温度传感器信号调理模块(300)、速度传感器PWM驱动模块(400)、速度传感器模块(500)、速度传感器信号调理模块(600)、信号处理和主控模块(700)、环形均流板(800)组成；在温度传感器恒流源模块(100)的作用下，温度传感器模块(200)的补偿电阻RL、精密电阻Rb分别输出电压VL和VbL，电压VL和VbL经温度传感器信号调理模块(300)输出至信号处理和主控模块(700)。在速度传感器PWM驱动模块(400)的驱动下，速度传感器模块(500)的速度电阻RH、精密电阻Ra分别输出电压VH和VaH，电压VH和VaH经速度传感器信号调理模块(600)输出至信号处理和主控模块(700)；信号处理和主控模块(700)用于根据电压VL，VH、VaH，推算补偿电阻RL阻值、速度电阻RH阻值、温度传感器的温度TL、速度传感器的温度TH，并根据THL＝TH－TL0≈TH－TL的恒温差要求，基于Fuzzy-PI双模无扰切换控制算法生成PWM控制信号，调节速度传感器PWM驱动模块(400)的输出，TL0为被测气体的温度。
被测气体的管道上设置环形均流板(800)，被测气体经过环形均流板(800)整流，使气流在管道轴截面上的各点速度分布均匀，流量计测量杆位于环形均流板(800)之后；流量计测量杆上设置两个矩形测量通孔，两孔相距L≈1/3D，D为管道直径；补偿电阻RL位于测量杆底部的测量孔，速度电阻RH位于测量杆中部的测量孔，被测气体流经测量孔；两个矩形测量通孔用隔热的聚四氟乙烯隔离，阻断补偿电阻RL和速度电阻RH的热传导。


2.根据权利要求1所述的基于Fuzzy-PI双模无扰切换控制的热式气体质量流量计，其特征在于所述的温度传感器模块(200)的电路包括串联的精密电阻Rb和补偿电阻RL；精密电阻Rb的另一端与端子Point_IS、Point_VbL1相连，输出电压VbL，温度传感器恒流源模块(100)的输出与端子Point_IS相连；补偿电阻RL的另一端接地，精密电阻Rb和补偿电阻RL的串联点与端子Point_VL1相连，输出电压VL；速度传感器模块(500)的电路包括串联的精密电阻Ra和速度电阻RH；精密电阻Ra的另一端与端子Point_PWM2、Point_VaH1相连，输出电压VaH，速度传感器PWM驱动模块(400)的输出与端子Point_PWM2相连；速度电阻RH的另一端接地，精密电阻Ra和速度电阻RH的串联点与端子Point_VH1相连，输出电压VH；补偿电阻RL和速度电阻RH为同阻值Pt20铂电阻，精密电阻Rb和Ra选同型号同阻值的电阻；恒温差THL＝TH－TL0设定为100℃。


3.根据权利要求1所述的基于Fuzzy-PI双模无扰切换控制的热式气体质量流量计，其特征在于所述的温度传感器恒流源模块(100)以MC1403基准电压芯片、CD4051八选一模拟开关芯片、XTR110电压电流转换芯片为核心；MC1403脚1接VCC，脚3接地，脚2与CD4051脚13相连；CD4051脚14、10、9接地，脚11与端子Point_Switch相连，脚3与XTR110脚5相连；XTR110脚2、3、4、9接地，脚12和15相连，脚16、36V、电阻REXT的一端相连，脚13、电阻REXT的另一端、场效应管G的源极相连，脚14与场效应管G的栅极相连，场效应管G的漏极与端子Point_IS相连；温度传感器模块(200)停测状态时，信号处理和主控模块(700)输出高电平信号至端子Point_Switch，模拟开关CD4051选通接地的X1输入端，场效应管G的漏极无电流输出至端子Point_IS，即无电流输出至温度传感器模块(200)的补偿电阻RL，也不产生热量温度传感器模块(200)测量状态时，信号处理和主控模块(700)输出低电平信号至端子Point_Switch，模拟开关CD4051选通X0通道，MC1403基准电压芯片提供的2.5V经X0、X输出至场效应管G的栅极，场效应管G的漏极电流输出至端子Point_IS，即输出至温度传感器模块(200)的补偿电阻RL；场效应管G的漏极电流为恒流源，恒流值IbL＝0.5/REXT，REXT取值使IbL《IaH，IaH为流经Ra的电流。
速度传感器PWM驱动模块(400)以三极管Q410、三极管Q420为核心；Q410的发射极接地，基极经电阻R410与端子Point_PWM1相连，集电极经电阻R420与Q420基极相连；Q420的发射极接7.5V，集电极与端子Point_PWM2相连；信号处理和主控模块(7...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶建平，王钰炜，黄晓霞，吴明光，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33