一种纯硬件电路的恒功率型热式质量流量计及其标定方法技术

本发明专利技术公开了一种纯硬件电路的恒功率型热式质量流量计，包括传感器和变送器。传感器包括两个PT1000标准铂电阻、一个OCr

【技术实现步骤摘要】
一种纯硬件电路的恒功率型热式质量流量计及其标定方法
本专利技术涉及流量测量领域，为一种热式质量流量计，特别是一种用纯硬件电路设计的恒功率型热式质量流量计。
技术介绍
热式质量流量计是一种可以直接测量气体质量流量的流量计，具有重复性好、量程比大以及测量精度高等优点，被广泛应用于石油、化工、冶金、核电等行业的气体流量的测量。近年来，我国大力发展核电，核电发展政策经历了从“适度发展核电”到“积极推进核电建设”的演变，目前已步入“安全高效发展核电”的新时代战略机遇期。核电站因为其特殊性，主控室应急可居留系统在事故发生时自动投入运行，执行安全保障功能，保证事故发生后为主控制室控制人员提供至少72小时的可呼吸空气，因此，需要精确测量主控制室内氧气气体的质量流量。由于其氧气供应处于高压力工况，介质压力大，且具有相关的耐辐射以及抗震要求，针对目前存在的气体流量计的性能以及适用范围，恒功率型热式质量流量计是最佳选择。目前，国内在建以及投运的AP1000(AdvancedPassivePWR，第三代压水堆核电技术)项目中所采用的1E级(核安全等级)热扩散式质量流量计均为进口产品，主要为美国FCI(FranceCargoInternationalCompanySA，富加宜)公司的LT87产品。当前国内尚无1E级热式质量流量计的研发与应用，不仅影响了我国核电站设备的国产化率水平，而且制约了我国核电站的发展和安全运营。
技术实现思路
为了打破国外厂商的垄断，同时满足核电站安全等级的要求，本专利技术针对核电站1E级安全要求，提供一种用纯硬件电路设计的恒功率型热式质量流量计，由传感器和变送器组成。同时，本专利技术提出一种针对纯硬件电路的恒功率型热式质量流量计的标定方法。所述的传感器由两个精确匹配的PT1000铂电阻温度传感器(RTD)、一个OCr21Al6合金加热元件和一个质量均衡器构成，其中，一个铂电阻温度传感器(RTD)用于测量加热元件的表面温度，称为测速元件；另一个铂电阻温度传感器(RTD)用于测量流体温度，称为测温元件。测温元件和质量均衡器封装在一个全金属316不锈钢热电偶探头内，称为测温探头；测速元件和加热元件封装在另一个全金属316不锈钢热电偶探头内，称为测速探头。所述的变送器由恒流源电路、信号调理电路、非线性校正电路、4-20mA电流输出电路以及电源电路组成。其中，恒流源电路包括两路1mA驱动电流源和一路75mA加热电流源。两路1mA驱动电流源负责驱动测速元件和测温元件，以产生电压信号；75mA加热电流源负责给加热元件以恒功率加热，使得测速元件和测温元件产生温差；信号调理电路包括差分放大电路和低通滤波电路，其中，差分放大电路负责将测速元件和测温元件两端的电压进行差分放大，低通滤波电路滤除放大后电压信号中的高频干扰；非线性校正电路包括模拟倒数、减法运算电路、电压分段电路、模拟幂运算电路以及隔离输出电路。非线性校正电路将经过信号调理电路输出的电压信号进行一系列模拟运算，从而得到与流速成线性关系的电压信号；4-20mA电流输出电路将经过非线性校正电路校正后输出的电压信号转化为与流量成线性关系的电流信号，并进行输出；电源电路包括24V转±15V电路、24V转+10V电路以及24V转±5V电路，为各模块电路供电。本专利技术的具体工作过程如下：(1)75mA加热电流源驱动加热元件实现恒功率加热，加热元件将热量传导至测速元件，使得测速元件与测温元件之间形成温差；1mA驱动电流源驱动测速元件和测温元件产生电压信号，由于在0～200℃温度范围内铂电阻阻值与温度近似成线性关系，当通以相同的电流时，测速元件与测温元件的输出电压差与温差成线性关系。(2)测速元件与测温元件的输出电压先经过仪表放大器进行差分放大，然后经过四阶巴特沃斯低通滤波器滤除信号中的高频干扰，得到信号调理电路的输出电压信号e。(3)经过信号调理电路处理后的输出电压信号e先经过模拟倒数、减法运算电路，进行倒数、减法运算，得到1/e-D；然后，该电压信号再经过电压分段电路进行比较，并根据比较结果将其送入指定幂值的模拟幂运算电路以实现幂运算，得到(1/e-D)m；最后，经过隔离输出电路将电压信号(1/e-D)m进行隔离后输出，防止多个模拟幂运算电路之间相互影响。(4)经过非线性校正电路处理后的电压信号与流量成线性关系，通过4-20mA电流输出电路将非线性校正电路的输出电压信号转换为4-20mA电流进行输出。本专利技术非线性校正电路的设计依据为：将有源探头被放置于管道中，在流速稳定时，根据热力学原理和金氏定理，当流体流动带走探头上的热量与探头加热功率提供的热量形成平衡时，可得：式中，Iw为加热电流，Rw为探头电阻，Tw和Tc分别为探头和流体的表面温度，U为被测气体流量，A、B、n为系数。结合本专利技术的传感器结构和变送器电路，公式(1)可进行如下转化：式中，R为加热元件的电阻；信号调理电路输出电压信号为：e＝I(Rw-Rc)×k′＝0.001×3.9×(Tw-Tc)×10(3)式中，I为1mA驱动电流；Rw为测速元件的电阻；Rc为测温元件的电阻；仪表放大器的放大倍数k′为10；在0～200℃温度范围内，铂电阻阻值与被测温度之间具有很好的线性度，PT1000铂电阻的线性转换关系为(Rw-Rc)＝3.9×(Tw-Tc)，因此，可得e＝k(Tw-Tc)，k为0.039，即信号调理电路的输出电压与被测量Tw-Tc构成线性关系，且该输出电压与流量之间存在确定的函数关系。因此，首先对信号调理电路输出电压进行倒数计算得到1/e；然后，利用减法电路减去得到1/e-D；最后，对减法电路的输出信号进行m次幂运算(m＝1/n)，即可得到与实际流量成线性关系的输出电压U′＝(1/e-D)m，该关系式即为非线性校正电路的传递函数，实际流量U＝CU′，C为常数。根据上述对信号调理电路输出电压与流量之间关系的推导，其中有两个参数需要计算，分别是D和m。(1)D的求解理论上，信号调理电路的输出电压经过非线性校正电路处理后，输出电压与流量成线性关系，即当流量为0m3/h时，输出电压应该也为0V，因此，D等于零流量时信号调理电路输出电压的倒数。(2)m的求解当气体流量分别为U1、U2时(例如气体流量U1＝10m3/h，U2＝5m3/h)有：则从而有由上述推导可得：通过两个流量点的标准流量值以及该流量点处信号调理电路的输出电压即可计算出幂值m。在理想情况下，该幂值能将整个流量区间内信号调理电路的输出电压线性化，然而，在实际测量过程中，由于受到传感器制作工艺、铂电阻散热能力以及环境温度等因素的影响，一个单一的幂值m无法将整个流量区间内信号调理电路的输出电压线性化。因此，本专利技术提出将流量区间分段，并在不同的流量区间设置不同的幂值，从而实现整个流量区间的线性化。本专利技术提供的标定方法步骤为：(1)测量0m3/h流量下本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种纯硬件电路的恒功率型热式气体质量流量计及其标定方法，其特征在于：纯硬件电路的恒功率型热式气体质量流量计由传感器和变送器组成；/n所述的传感器由两个精确匹配的PT1000铂电阻温度传感器、一个OCr

【技术特征摘要】
1.一种纯硬件电路的恒功率型热式气体质量流量计及其标定方法，其特征在于：纯硬件电路的恒功率型热式气体质量流量计由传感器和变送器组成；
所述的传感器由两个精确匹配的PT1000铂电阻温度传感器、一个OCr21Al6合金加热元件和一个质量均衡器构成，其中，一个铂电阻温度传感器用于测量加热元件的表面温度，称为测速元件，另一个铂电阻温度传感器用于测量流体温度，称为测温元件，测温元件和质量均衡器封装在一个全金属316不锈钢热电偶探头内，称为测温探头，测速元件和加热元件封装在另一个全金属316不锈钢热电偶探头内，称为测速探头；
所述的变送器由恒流源电路、信号调理电路、非线性校正电路、4-20mA电流输出电路以及电源电路组成；
所述的恒流源电路包括两路1mA驱动电流源和一路75mA加热电流源，其中，两路1mA驱动电流源负责驱动测速元件和测温元件产生电压信号；75mA加热电流源负责给加热元件以恒功率加热，使得测速元件和测温元件产生温差；
所述的信号调理电路包括差分放大电路和低通滤波电路，其中，差分放大电路负责将测速元件和测温元件两端的电压进行差分后放大，低通滤波电路滤除放大后电压信号中的高频干扰；
所述的非线性校正电路包括模拟倒数、减法运算电路、电压分段电路、模拟幂运算电路以及隔离输出电路。非线性校正电路将经过信号调理电路输出的电压信号进行一系列模拟运算，从而得到与流量成线性关系的电压信号；
所述的4-20mA电流输出电路将经过非线性校正电路校正后输出的电压信号转化为与流量成对应关系的电流信号，并进行输出；
所述的电源电路包括24V转±15V电路、24V转+10V电路以及24V转±5V电路。其中，24V负责给75mA加热电流源供电；±15V负责给非线性校正电路和4-20mA电流输出电路供电，+10V负责给1mA驱动电流源供电；±5V负责给1mA驱动电流源、信号调理电路以及非线性校正电路供电。


2.一种纯硬件电路的恒功率型热式气体质量流量计及其标定方法，其特征在于：
标定方法步骤为：
(1)测量0m3/h流量下模拟倒数电路的输出电压D；
(2)将减法运算电路的被减值设为D；
(3)测量各个标准流量下信号调理电路的输出电压；
(4)确定流量区间的分段及各区间最佳幂值；
(5)根据流量区间的分段结果设置电压分段电路的门限电压值；
(6)将模拟幂运算电路的幂值设置为个流量区间内的最佳幂值；
(7)调节4-20mA电流输出电路的参数；
所述的第(4)步可进一步分为：
(1)将标准流量及各流量下对应信号调理电路的输出电压依次两两代入公式(7)，求出一个m值数组；...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐科军，马杰，黄雅，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34