專利名稱：插入式熱式液體質(zhì)量流量計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及儀器儀表行業(yè)中的熱式質(zhì)量流量計(jì)，尤其是涉及一種可以測量液
體的插入式熱式液體質(zhì)量流量計(jì)。
背景技術(shù)：
在熱式質(zhì)量流量計(jì)儀表技術(shù)領(lǐng)域中，傳統(tǒng)的熱式質(zhì)量流量計(jì)主要有兩類一種是 利用流動(dòng)流體傳遞熱量改變測量管壁溫度分布的熱傳導(dǎo)分布效應(yīng)的熱分布式流量計(jì)；另一 種是利用熱消散(冷卻)效應(yīng)的金氏定律TFM。又由于結(jié)構(gòu)上檢測元件伸入測量管內(nèi)，也稱 浸入型或侵入型，有些在使用時(shí)從管外插入工藝管內(nèi)的儀表稱作插入式。它們以測量氣體 最為多見，有部分產(chǎn)品可以測量液體，但只能測量微小流量的液體，最大流速為80cm/s，而 且在測量微小流量時(shí)還存在散熱太快不易聚集的問題，大流量更是無法測量。以上的這些 就是傳統(tǒng)的熱式質(zhì)量流量計(jì)不能解決的問題，所以如何克服以上的這些不足就成為熱式質(zhì) 量流量儀表技術(shù)領(lǐng)域中急需解決的任務(wù)。

發(fā)明內(nèi)容為了解決現(xiàn)有技術(shù)中，熱式質(zhì)量計(jì)只可以測量氣體和微小流量液體、在測量微小 流量時(shí)存在散熱太快、無法測量較大流量的液體等問題，本實(shí)用新型提供了一種可以測量 液體的熱式液體質(zhì)量流量計(jì)，且不局限在微小流量范圍，可以測量較大流量，最高上限流速 為300cm/s，流量大小根據(jù)管道面積的不同而有所不同。 流量公式Q = AV-------------------------------------------------------
一① 其中Q :體積流量(m3/S ;) ;A :面積(m2)指流量在滿管道狀態(tài)管道內(nèi)部面積；V :
平均流速(m/s)。 本實(shí)用新型的技術(shù)方案是，一種插入式熱式液體質(zhì)量流量計(jì)，包括電路部分和結(jié) 構(gòu)部分，電路部分設(shè)在結(jié)構(gòu)部分內(nèi)；所述結(jié)構(gòu)包括探頭和主體，探棒與主體連接；所述電路 部分包括電源、檢測部分和信號(hào)處理電路，所述電源為檢測部分和信號(hào)處理電路供電；所述 檢測部分的輸出端經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后連接信號(hào)處理電路的輸出端，信號(hào)處理電路的輸出端即為 本流量計(jì)的輸出端。 所述檢測部分設(shè)在探頭內(nèi)；檢測部分包括兩組， 一組是鉑電阻RT和發(fā)熱電阻RW， 另一組是鉬電阻RF，兩組傳感器設(shè)在兩只探頭內(nèi)；所述設(shè)有鉬電阻RT和發(fā)熱電阻RW的探 頭是加熱探頭，該加熱探頭內(nèi)，鉑電阻和發(fā)熱電阻絕緣密貼，設(shè)在探頭頂端，在鉑電阻和發(fā) 熱電阻后端設(shè)有隔熱材料；設(shè)有鉑電阻RF是基準(zhǔn)探頭，該基準(zhǔn)探頭內(nèi)，鉑電阻和設(shè)在探頭 頂端。隔熱材料是設(shè)有鐵氟龍的隔熱氣室。所述加熱探頭外是拋光的。 所述加熱探頭長度比基準(zhǔn)探頭長。 所述信號(hào)處理電路包括MCU， MCU的控制信號(hào)輸出端連接一開關(guān)管的控制端，該開 關(guān)管的輸入端連接所述電源，開關(guān)管的輸出端連接所述發(fā)熱電阻RW。還包括基準(zhǔn)電壓電路，
3所述基準(zhǔn)電壓電路的輸入端連接所述電源，基準(zhǔn)電壓電路的輸出構(gòu)成恒壓源。還包括電阻 Rl和R2，所述鉬電阻RT、鉬電阻RF、電阻Rl和R2構(gòu)成橋式電路；橋式電路中，電阻Rl和鉬 電阻RT串聯(lián)，電阻R2和鉬電阻RF串聯(lián)，電阻R1和電阻R2的輸入端都連接所述恒壓源；所 述電阻Rl和電阻R2的輸出端分別連接所述鉑電阻RT和鉑電阻RF。還包括運(yùn)算放大器， 所述電阻R1和電阻R2的輸出端分別連接運(yùn)算放大器的輸入端，運(yùn)算放大器的輸出端經(jīng)A/ D轉(zhuǎn)換后連接所述MCU的輸入端。本熱式液體質(zhì)量流量計(jì)的原理如下 檢測部分由兩個(gè)探頭組成一個(gè)是加熱探頭，內(nèi)含高精度鉑電阻PT1000和精密發(fā) 熱電阻(型號(hào)玻璃電阻20Q、1W);另一個(gè)是基準(zhǔn)探頭，內(nèi)含高精度鉑電阻PT1000。加熱探 頭測量流速，基準(zhǔn)探頭測量介質(zhì)流速的溫度。 電路采用標(biāo)準(zhǔn)恒溫差法，即通過單片機(jī)P麗波控制發(fā)熱體熱量，達(dá)到橋路平衡的 目的，通過記錄P麗不同流速下的數(shù)字量計(jì)算流速值，根據(jù)管徑計(jì)算流量。采用通用補(bǔ)償電 橋解決介質(zhì)溫度變化的影響如圖所示。 流量擴(kuò)展方法如下 由系統(tǒng)熱平衡分析原理當(dāng)流量傳感器被置于流量管道中，再流態(tài)穩(wěn)定時(shí)，探頭與 周圍介質(zhì)處于近似的熱平衡狀態(tài)，這時(shí)探頭、流體、測量桿和管道組成一個(gè)傳熱系統(tǒng)，此時(shí) 的系統(tǒng)熱平衡方程為 P = Q!+。2+Q3---------------------------------------------------------
② 式中P電流對熱探頭的加熱功率^一熱探頭與流體見的對流換熱；92—熱探頭 向測量桿構(gòu)架的導(dǎo)熱；93—熱探頭向周圍輻射的換熱。 其中Q工是與測量介質(zhì)流速主要參數(shù)實(shí)際存在、不可消除的一種對流換熱，而Q2、Q3 的導(dǎo)熱和換熱可以通過一定的方式將其減小。眾所周知，熱式質(zhì)量流量計(jì)測氣體比測液體 的范圍大且容易實(shí)現(xiàn)，其中主要原因在于液體分子相對氣體分子的運(yùn)動(dòng)要?jiǎng)×业亩?，這就 使得在測量液體時(shí)的散熱和輻射換熱就相對的多一些，下面采用兩種方式來實(shí)現(xiàn) 第一，通過在加熱探頭內(nèi)置一個(gè)鐵氟龍的隔熱氣室，利用鐵氟龍的絕熱功能減小 Q2的導(dǎo)熱。 第二，而探頭拋光方式，減小發(fā)射率，有效的減小輻射換熱Q3。 除此之外，因一般的測小流量的熱式質(zhì)量流量計(jì)，用于發(fā)熱的電阻為PT20，存在一 些弊端 第一，PT20自熱后會(huì)產(chǎn)生大電流從而產(chǎn)生誤差。 第二， PT20的分辨率較低。 根據(jù)鉑電阻計(jì)算公式 Rt = Ro[l+At+Bt2+C(t-100°C ) t3]------------------------③ 其中Rt :當(dāng)前溫度電阻值(Q ) ， RO :零度時(shí)電阻值(Q ) ， A、 B、 C :為系數(shù)， 由上式計(jì)算分辨率=0. 08Q廣C精確度和測量范圍都較差。 第三，PT20常溫功率只有0. 2W其發(fā)熱量有限。所以其測量液體的范圍很小。 所以針對以上缺點(diǎn)，在電路上采用了兩種方式來實(shí)現(xiàn)大流量和高精度，具體如
下[0029] 第一，加熱探頭，內(nèi)含高精度鉑電阻PT1000和精密發(fā)熱電阻，精密發(fā)熱電阻用來 給高精度鉑電阻PT1000加熱，由于發(fā)熱電阻功率"1W"其發(fā)熱量可以提高5倍，同時(shí)可以有 效的提高流量測量范圍，如圖2所示橋路采用恒流供電消除PT1000自熱時(shí)產(chǎn)生大電流造成 的誤差。 第二，測流速的基準(zhǔn)探頭采用PT1000相對于傳統(tǒng)方式的PT20而言，分辨率要高出 很多， 根據(jù)公式 計(jì)算分辨率=4Q廣C。但電流恒定時(shí)其電壓變化范圍是PT20的200 倍。由于采樣電壓的增大，在同樣的分辨率A/D轉(zhuǎn)換元件的情況下，流量范圍得到擴(kuò)展，測 量精度得到提高。 第三，采用24位高精度的A/D轉(zhuǎn)換，在5V供電的情況下，其分辨率可達(dá)0. 298uV， 使PT1000的采樣精度更高，從而使測量的精度更高。

圖1本實(shí)用新型探頭機(jī)構(gòu)圖。 圖2本實(shí)用新型測量電路圖。
具體實(shí)施方式—種插入式熱式液體質(zhì)量流量計(jì)，包括電路部分和結(jié)構(gòu)部分，電路部分設(shè)在結(jié)構(gòu) 部分內(nèi)；所述結(jié)構(gòu)包括探頭和主體，探棒與主體連接；所述電路部分包括電源、檢測部分和 信號(hào)處理電路，所述電源為檢測部分和信號(hào)處理電路供電；所述檢測部分的輸出端經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換后連接信號(hào)處理電路的輸出端，信號(hào)處理電路的輸出端即為本流量計(jì)的輸出端。 如圖l所示，所述檢測部分設(shè)在探頭內(nèi)；檢測部分包括兩組，一組是鉑電阻RT和發(fā) 熱電阻RW，另一組是鉬電阻RF，兩組傳感器設(shè)在兩只探頭內(nèi)；所述設(shè)有鉬電阻RT和發(fā)熱電
阻RW的探頭是加熱探頭1，該加熱探頭1內(nèi)，鉑電阻RT和發(fā)熱電阻RW絕緣密貼，設(shè)在探頭 1頂端，在鉑電阻RT和發(fā)熱電阻RW后端設(shè)有隔熱材料；設(shè)有鉑電阻RF是基準(zhǔn)探頭2，該基 準(zhǔn)探頭2內(nèi)，鉑電阻RF和設(shè)在探頭頂端。隔熱材料是設(shè)有鐵氟龍的隔熱氣室3。所述加熱 探頭l外是拋光的。所述加熱探頭長度比基準(zhǔn)探頭長。 如圖2，所述信號(hào)處理電路包括MCU， MCU的控制信號(hào)輸出端連接一開關(guān)管的控制 端，該開關(guān)管的輸入端連接所述電源，開關(guān)管的輸出端連接所述發(fā)熱電阻RW。還包括基準(zhǔn) 電壓電路，所述基準(zhǔn)電壓電路(例如DC/DC電路)的輸入端連接所述電源，基準(zhǔn)電壓電路的 輸出構(gòu)成恒壓源。還包括電阻Rl和R2，所述鉑電阻RT、鉑電阻RF、電阻Rl和R2構(gòu)成橋式 電路；橋式電路中，電阻Rl和鉑電阻RT串聯(lián)，電阻R2和鉑電阻RF串聯(lián)，電阻Rl和電阻R2 的輸入端都連接所述恒壓源；所述電阻R1和電阻R2的輸出端分別連接所述鉑電阻RT和鉑 電阻RF。還包括運(yùn)算放大器，所述電阻Rl和電阻R2的輸出端分別連接運(yùn)算放大器的輸入 端，運(yùn)算放大器的輸出端經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后連接所述MCU的輸入端。 加熱探頭，內(nèi)含高精度鉑電阻PT1000和精密發(fā)熱電阻；基準(zhǔn)探頭，內(nèi)含高精度鉑 電阻PTIOOO。加熱探頭測量流速，基準(zhǔn)探頭測量流速的溫度。 如圖1、圖2所示，RF是用來測量來流溫度，置于基準(zhǔn)探頭內(nèi)部，由兩根線引出，RT 用來測量流體帶走后探頭壁面的溫度，RW用來給RT加熱，消除PTIOOO自熱帶來誤差的影響，RTT和RW同時(shí)置于加熱探頭內(nèi)部，用三根線引出。 如圖2所示，+5V提供一個(gè)恒壓源，當(dāng)流體流過后帶走了 RT的熱量，RT和RF之間產(chǎn) 生一個(gè)壓差，經(jīng)運(yùn)放Ul輸出信號(hào)，由24位A/D采集后送給MCU，而MCU在內(nèi)部設(shè)有一個(gè)常 數(shù)的基準(zhǔn)值，記錄了在零點(diǎn)(零流量)時(shí)RT存在的一個(gè)基準(zhǔn)值，MCU將計(jì)算后的信號(hào)已P麗 的形式發(fā)送出去，MOS管Ql只是一個(gè)開關(guān)量，根據(jù)P麗波的占空比輸出對應(yīng)的電壓值，電容 CI將MOS管輸出的電壓值整流為直流后發(fā)送給RW， RW加熱開始加熱提供給RT，當(dāng)RT達(dá)到 基準(zhǔn)值后，MCU回收到一個(gè)信號(hào)，RW將會(huì)停止加熱，如此反復(fù)。 然而，由于采用的是24位的A/D轉(zhuǎn)換，其分辨率就會(huì)相對高出很多，在此基礎(chǔ)上RT 采PT1000還是采用PT100、PT20，所達(dá)到的精度和測量范圍是截然不同的，而市場上的鉑電 阻阻值最高的型號(hào)為PT1000，采用此種方式非常有效的拓寬了測量范圍和測量精度。至于 使用發(fā)熱電阻RW的目的在于給RT提供熱量，消除RT自熱產(chǎn)生的誤差提高精準(zhǔn)度。 同時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)熱平衡原理，為了克服92熱探頭向測量桿構(gòu)架的導(dǎo)熱、93熱探頭向 周圍輻射的換熱的影響，采用特氟龍?jiān)诩訜崽筋^內(nèi)部做一個(gè)氣室，將其測量部位充分的絕 熱，大大減小92的影響；同時(shí)，探頭外采用拋光方式，減小輻射換熱Q3的影響。
權(quán)利要求一種插入式熱式液體質(zhì)量流量計(jì)，其特征是包括電路部分和結(jié)構(gòu)部分，電路部分設(shè)在結(jié)構(gòu)部分內(nèi)；所述結(jié)構(gòu)包括探頭和主體，探棒與主體連接；所述電路部分包括電源、檢測部分和信號(hào)處理電路，所述電源為檢測部分和信號(hào)處理電路供電；所述檢測部分的輸出端經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后連接信號(hào)處理電路的輸出端，信號(hào)處理電路的輸出端即為本流量計(jì)的輸出端。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的插入式熱式液體質(zhì)量流量計(jì)，其特征是所述檢測部分設(shè)在探頭內(nèi)；檢測部分包括兩組，一組是鉑電阻RT和發(fā)熱電阻RW，另一組是鉑電阻RF，兩組傳感器設(shè)在兩只探頭內(nèi)；所述設(shè)有鉑電阻RT和發(fā)熱電阻RW的探頭是加熱探頭，該加熱探頭內(nèi)，鉬電阻和發(fā)熱電阻絕緣密貼，設(shè)在探頭頂端，在鉑電阻和發(fā)熱電阻后端設(shè)有隔熱材料；設(shè)有鉑電阻RF是基準(zhǔn)探頭，該基準(zhǔn)探頭內(nèi)，鉑電阻和設(shè)在探頭頂端。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的插入式熱式液體質(zhì)量流量計(jì)，其特征是所述加熱探頭長度比基準(zhǔn)探頭長。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的插入式熱式液體質(zhì)量流量計(jì)，其特征是所述信號(hào)處理電路包括MCU， MCU的控制信號(hào)輸出端連接一開關(guān)管的控制端，該開關(guān)管的輸入端連接所述電源，開關(guān)管的輸出端連接所述發(fā)熱電阻RW。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的插入式熱式液體質(zhì)量流量計(jì)，其特征是還包括基準(zhǔn)電壓電路，所述基準(zhǔn)電壓電路的輸入端連接所述電源，基準(zhǔn)電壓電路的輸出構(gòu)成恒壓源。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的插入式熱式液體質(zhì)量流量計(jì)，其特征是還包括電阻Rl和R2，所述鉑電阻RT、鉑電阻RF、電阻Rl和R2構(gòu)成橋式電路；橋式電路中，電阻Rl和鉑電阻RT串聯(lián)，電阻R2和鉬電阻RF串聯(lián)，電阻Rl和電阻R2的輸入端都連接所述恒壓源；所述電阻Rl和電阻R2的輸出端分別連接所述鉬電阻RT和鉬電阻RF。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的插入式熱式液體質(zhì)量流量計(jì)，其特征是還包括運(yùn)算放大器，所述電阻R1和電阻R2的輸出端分別連接運(yùn)算放大器的輸入端，運(yùn)算放大器的輸出端經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后連接所述MCU的輸入端。
8. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的插入式熱式液體質(zhì)量流量計(jì)，其特征是隔熱材料是設(shè)有鐵氟龍的隔熱氣室。
9. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的插入式熱式液體質(zhì)量流量計(jì)，其特征是所述加熱探頭外是拋光的。
10. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的插入式熱式液體質(zhì)量流量計(jì)，其特征是所述鉑電阻RT和鉑電阻RF為PT1000。
專利摘要一種插入式熱式液體質(zhì)量流量計(jì)，包括電路部分和結(jié)構(gòu)部分，電路部分設(shè)在結(jié)構(gòu)部分內(nèi)；所述結(jié)構(gòu)包括探頭和主體，探棒與主體連接；所述電路部分包括電源、檢測部分和信號(hào)處理電路，所述電源為檢測部分和信號(hào)處理電路供電；所述檢測部分的輸出端經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后連接信號(hào)處理電路的輸出端，信號(hào)處理電路的輸出端即為本流量計(jì)的輸出端。本流量計(jì)解決了可以檢測大流量液體的問題。
文檔編號(hào)G01F1/86GK201514246SQ20092023607
公開日2010年6月23日 申請日期2009年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月23日
發(fā)明者陳柏志 申請人:伊瑪精密電子(蘇州)有限公司