[发明专利]热耗散式质量流量计及质量流量测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及流体流量测量领域，特别是涉及一种热耗散式质量流量计及质量流量测量方法。

背景技术

凡是有物质流动的场合，人们为掌握其数量都需要进行流量测量。流量分为瞬时流量(Flow Rate)和累计流量(Total Flow)。单位时间内通过封闭管道或明渠有效截面的量称为瞬时流量，在某一段时间间隔内流过封闭管道或明渠有效截面的累计量称为累计流量，通过将瞬时流量对时间积分可求得累计流量。

用于测量瞬时流量或累计流量的器具统称为流量计(Flowmeter)。质量流量计(Mass Flow Meter，MFM)是一种精确测量流体流量的仪表，其测量值不因温度或压力的波动而失准，不需要温度压力补偿。热耗散式质量流量计(TMF)是利用热耗散(热传导)原理，即流动中的流体与热源(流体中加热的物体或测量管外加热体)之间热量交换关系来测量流量的仪表。

基于金氏定律(King’s Law)的热耗散式流量测量原理简单介绍如下：

(1)将两个电阻式温度探测器(Resistance Temperature Detector，RTD)部署在流场(气体或液体)中，分别用来感知流体的温度和流速。其中一个RTD(以下称之为测温RTD)用来感知流体的温度变化，以测量流体的温度；另外一个RTD(以下称之为测流RTD)用来感知流体的流速变化，以测量流体的流速。

(2)使用测温RTD对流体的温度进行测量，遵循常规的电阻测温方法即可实现，此处不再赘述。

(3)对于使用测流RTD测量流体的流速的方法，具体解释如下：对测流RTD以加热功率P进行加热，使测流RTD本身的温度高于流体的温度，其差值记为ΔT。根据金氏定律，可以得到以下关系式：

P/ΔT＝A+B·(ρ·v)^N

上式中，

P：对测流RTD施加的加热功率；

ΔT：测流RTD温度和流体温度(即测温RTD的温度)的差值；

A、B：与测流RTD几何形状和被测流体物理性质有关的系数；

ρ：流体的介质密度；

v：流体的流速；

N：与雷诺数有关的系数。

当固定温度差ΔT不变时，所施加的加热功率P与流体的质量流速ρ·v成函数对应关系(参见图1)，测量加热功率P，可知流体质量流速，此为功率测量法。在功率测量法的电路实施中，须要设计模拟电路，建立温度差ΔT和加热功率P之间的负反馈控制关系，以便动态调整加热功率P，使得温度差ΔT维持在一个固定数值附近，其逼近程度取决于负反馈控制电路的性能。

当固定加热功率P不变时，温度差ΔT和流体的质量流速成函数对应关系(参见图2)，测量温度差ΔT，可知流体质量流速，此为温差测量法。在温差测量法的电路实施中，须通过模拟电路对测流RTD施加电压激励或电流激励，来实现对测流RTD的固定加热功率P。

另外，从图1、2可以看出，功率测量法在低流速范围适用，高流速范围不适用，而温差测量法在高流速范围适用，低流速范围不适用。

现有技术的缺点：

(1)对于功率测量法，现有技术是采用具有负反馈控制功能的模拟电路实现，它并不是通过直接测量流体的温度T1和测流RTD的温度T2来获得ΔT，而是以测流RTD的电阻值变化ΔR来表征ΔT，即负反馈控制电路是将ΔR控制在一个预设值附近。这样做的局限在于：测流RTD作为温度传感器，其电阻值随温度的变化是非线性的，在流体介质温度不同的情况下，ΔR所表征的ΔT是不相同的。由于模拟电路不能补偿电阻阻值和温度之间的非线性对应关系，其对“恒定温差”这一预设条件的实现，始终存在误差，这将影响该方法的测量性能。

(2)对于温差测量法，现有技术是采用控制测流RTD的激励电压值U或者激励电流值I为一固定值，来实现“恒定”的加热功率。然而，由于测流RTD的电阻值R是随温度变化的，由加热功率计算公式P＝U²/R或P＝I²·R可知，此种方法并不能实现准确的恒定加热功率。

(3)无论是功率测量法还是温差测量法，现有技术都是使用模拟电路设计技术实现，二者的电路难以整合为一套电路，因而难以实现将功率测量法和温差测量法集成在一套测量系统中。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种热耗散式质量流量计及质量流量测量方法，实现对温差和加热功率的精确控制，从而提高流量测量的准确度。

为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：

一种热耗散式质量流量计，包括：