一种毛细管内气体温度及质量流量测量方法技术

本发明专利技术公开了一种毛细管内气体温度及质量流量测量方法，属于热式气体流量测量领域。该方法采用两个缠绕在毛细管外的两组加热丝的方式进行气体流量测量，毛细管上游、下游外壁上各缠绕一组加热丝，加热丝通电流后温度会升高，通过控制加热丝功率保持两组加热丝温度相同，当气体流过加热区域时会带走热量，导致上下游加热丝上的加热功率发生变化，通过测量两组加热丝加热功率变化获得毛细管内待测气体流量和温度。本发明专利技术易于实现零点修正，并且无需额外温度传感器获取气体温度信息。无需额外温度传感器获取气体温度信息。无需额外温度传感器获取气体温度信息。

【技术实现步骤摘要】
一种毛细管内气体温度及质量流量测量方法


[0001]本专利技术涉及一种毛细管内气体温度及质量流量测量方法，属于热式气体流量测量领域。

技术介绍

[0002]热式气体流量传感器是利用加热流体时测量热量的传递、热的转移来计算气体流量的传感器。非接触式热式气体流量传感器，具有测量精度高、无活动部件以及不与被测流体接触的优点，该类型传感器适用的气体类别和流量范围较广，广泛用于半导体制造、分析设备、医疗、制药、食品、石油化工、能源和航空航天等诸多行业，在国民经济、国防科研中发挥着重要作用。
[0003]传统的热式气体流量传感器通常将两组加热丝接入惠斯通电桥，通过测量惠斯通电桥差分输出电压的方式来进行流量测量，该方法存在以下问题：(1)由于加热绕组的老化，由于传统方法对加热丝上的功率不进行单独检测，通常会面临的零点漂移问题，且零点漂移无法得到有效修正。(2)传统方法通常是通过安装温度传感器对气体温度进行间接测量，需要额外的温度传感器。

技术实现思路

[0004]本专利技术解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出了一种毛细管内气体温度及质量流量测量方法，采用对两组加热丝的加热电流和电压分别进行测量的方式，计算出加热丝的加热功率，并通过加热功率信息来测量气体温度和流量，该方法易于零点修正，并且无需额外温度传感器获取气体温度信息。
[0005]本专利技术的技术解决方案是：
[0006]一种毛细管内气体温度及质量流量测量方法，包括：
[0007]在管内流通气体的毛细管上游、下游外壁上各缠绕一组加热丝，保持两组加热丝温度相同；通过计算两组加热丝在不同温度下的加热功率并测量得到相应的气体流量值、气体温度值，建立针对所述毛细管的气体流量测量模型、气体温度测量模型；
[0008]待测气体流过所述毛细管，保持所述两组加热丝温度相同，通过测量两组加热丝的加热电流和电压，计算两组加热丝的加热功率并代入所述气体流量测量模型、气体温度测量模型，解算得到待测气体流量和温度。
[0009]优选的，在管内流过气体的毛细管上游、下游外壁上各缠绕一组加热丝，保持两组加热丝温度相同的方法为：
[0010]两组加热丝对称分布在毛细管的上游和下游，加热丝具有相同的密度、电阻率和材料温度系数，且电阻值与加热丝温度呈线性关系；
[0011]上游加热丝和下游加热丝分别施加电压，测得流过上游加热丝和下游加热丝的电流；通过调整电压、电流，使两组加热丝上电压与电流的比值相等，且比值大于加热丝在常温下的电阻值。
[0012]优选的，通过计算加热丝在不同温度下的加热功率及测量得到相应的气体流量值、气体温度值，获得针对所述毛细管的气体流量测量模型、气体温度测量模型，包括：
[0013]根据加热丝在不同温度下的加热功率及气体流量、气体温度的关系，获得参数矩阵A、参数矩阵B；根据上述两个参数矩阵，建立气体流量测量模型、气体温度测量模型。
[0014]优选的，根据加热丝不同温度下的加热功率及气体流量的关系，获得两者的参数矩阵A，包括：
[0015]加热丝的加热功率及气体流量的关系为：
[0016][0017]式中，q为气体流量，P1、P2分别为上游加热丝、下游加热丝的加热功率；为参数，此参数为常量；k为气体流量相关值，
[0018]根据加热丝在不同温度下的气体流量相关值及相应的气体流量值，建模获得气体流量相关值与气体流量的参数矩阵A，并筛选出气体流量相关值的最大值k
max
；
[0019]加热丝的加热功率及气体温度的关系为：
[0020]t＝
‑
a(P
t
)+b
[0021]式中，t为气体温度；a和b为常数，其中a大于0；P
t
为气体温度相关值，P
t
＝P1+P2；
[0022]根据加热丝在不同温度下的气体温度相关值及相应的气体温度值，建模获得气体温度相关值与气体温度值的参数矩阵B，并筛选出气体温度相关值的最大值P
tmax
。
[0023]优选的，根据参数矩阵A，建立气体流量测量模型：
[0024][0025]Q为气体流量值；m和n分别为参数模型A阶数，m和n小于5；A
ij
为参数矩阵A的常系数；k
x
为待测气体流过毛细管得到的气体流量相关值；P
tx
为待测气体流过毛细管得到的气体温度相关值。
[0026]优选的，根据参数矩阵B，建立气体温度测量模型：
[0027][0028]T为气体流量值；m和n分别为参数模型B阶数，m和n小于5；B
ij
为参数矩阵B的常系数；k
x
为待测气体流过毛细管得到的气体流量相关值；P
tx
为待测气体流过毛细管得到的气体温度相关值。
[0029]优选的，若流量测量值存在零点偏差，分别将上游加热丝加热功率、下游加热丝加热功率设置为0，根据：
[0030]T2‑
T1＝P2f(q)
‑
P1g(
‑
q)
[0031]f(q)＝a
22
‑
a
21
[0032]g(
‑
q)＝a
11
‑
a
12
[0033]式中，T1、T2分别为上下游加热丝温度，由于绕组温度与绕组阻值程线性关系，通过测量绕组阻值可以得到上下游绕组温度T1、T2；P1、P2分别为上游加热丝加热功率、下游加热丝加热功率；a
11
、a
12
、a
21
、a
22
与气体流量q相关的传热系数，a
11
为毛细管内管内气体到上游绕组的传热系数，a
12
为上游绕组到下游绕组的传热系数，a
21
为下游绕组到上游绕组的传热系数，a
22
为毛细管内管内气体到下游绕组的传热系数；
[0034]通过计算上式，求出g(0)和f(0)，代入下式：
[0035][0036]根据得到的气体流量q，进行流量零点修正，其中g'(0)和f'(0)分别是g(q)和f(
‑
q)在0点的导数，不为0的常数。
[0037]优选的，毛细管内气体流量为0～10sccm。
[0038]优选的，两组加热丝常温下电阻相同，电阻温度系数大于3500ppm/℃。
[0039]优选的，两组加热丝除了加热，同时也具有测温功能。
[0040]本专利技术与现有技术相比的优点在于：
[0041]本专利技术采用对两组加热丝的加热电流和电压分别进行测量的方式，计算出加热丝的加热功率，并通过加热功率信息来测量气体温度和流量，该方法易于零点修正。并且无需额外温度传感器获取气体温度信息。另外，由于对加热丝上的功率进行单独检测，该方法易于零点修正和加热丝故障本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种毛细管内气体温度及质量流量测量方法，其特征在于，包括：在管内流通气体的毛细管上游、下游外壁上各缠绕一组加热丝，保持两组加热丝温度相同；通过计算两组加热丝在不同温度下的加热功率并测量得到相应的气体流量值、气体温度值，建立针对所述毛细管的气体流量测量模型、气体温度测量模型；待测气体流过所述毛细管，保持所述两组加热丝温度相同，通过测量两组加热丝的加热电流和电压，计算两组加热丝的加热功率并代入所述气体流量测量模型、气体温度测量模型，解算得到待测气体流量和温度。2.根据权利要求1所述的一种毛细管内气体温度及质量流量测量方法，其特征在于，在管内流过气体的毛细管上游、下游外壁上各缠绕一组加热丝，保持两组加热丝温度相同的方法为：两组加热丝对称分布在毛细管的上游和下游，加热丝具有相同的密度、电阻率和材料温度系数，且电阻值与加热丝温度呈线性关系；上游加热丝和下游加热丝分别施加电压，测得流过上游加热丝和下游加热丝的电流；通过调整电压、电流，使两组加热丝上电压与电流的比值相等，且比值大于加热丝在常温下的电阻值。3.根据权利要求1所述的一种毛细管内气体温度及质量流量测量方法，其特征在于，通过计算加热丝在不同温度下的加热功率及测量得到相应的气体流量值、气体温度值，获得针对所述毛细管的气体流量测量模型、气体温度测量模型，包括：根据加热丝在不同温度下的加热功率及气体流量、气体温度的关系，获得参数矩阵A、参数矩阵B；根据上述两个参数矩阵，建立气体流量测量模型、气体温度测量模型。4.根据权利要求3所述的一种毛细管内气体温度及质量流量测量方法，其特征在于，根据加热丝不同温度下的加热功率及气体流量的关系，获得两者的参数矩阵A，包括：加热丝的加热功率及气体流量的关系为：式中，q为气体流量，P1、P2分别为上游加热丝、下游加热丝的加热功率；为参数，此参数为常量；k为气体流量相关值，根据加热丝在不同温度下的气体流量相关值及相应的气体流量值，建模获得气体流量相关值与气体流量的参数矩阵A，并筛选出气体流量相关值的最大值k
max
；加热丝的加热功率及气体温度的关系为：t＝
‑
a(P
t
)+b式中，t为气体温度；a和b为常数，其中a大于0；P
t
为气体温度相关值，P
t
＝P1+P2；根据加热丝在不同温度下的气体温度相关值及相应的气体温度值，建模获得气体温度相关值与气体温度值的参数矩阵B，并筛选出气体温度相关值的最大值P
tmax
。5.根据权利要求4所述的一种毛细管内气体温度及质量流量测量方法，其特征在于，根据参数矩阵A，建立...

【专利技术属性】
技术研发人员：龙军，付新菊，李永，刘旭辉，姚兆普，汪旭东，高晨光，关威，刘清源，石召新，张恒，吕泰增，朱智博，韩道满，严浩，耿金越，高永，魏延明，
申请(专利权)人：北京控制工程研究所，
类型：发明
国别省市：