热式气体质量流量计是基于对流换热原理进行流量测量的。在恒温差式和恒功率式两种传统设计方式的基础上，提出了一种基于可调恒流源技术的热式气体质量流量计。测量范围为 0． 2～ 20 m /s，将此范围分为三段。0． 2～ 0． 9 m /s 设定加热电流为 40 mA，0． 9～ 10 m /s 设定加热电流为 60 mA，10～ 20 m /s 设定加热电流为 80 mA。汇总各加热电流下的测量数据从而确定全量程范围下的计算模型。系统在天津大学流量实验室大口径气体流量标准装置上进行检定，管道口径为 DN200，精度为 1． 0 级，量程比达到 100∶1

0.引 言

热式气体质量流量计为直接式质量流量计，具有测量范围宽、压损小、可靠性高、可测量混合气体、适用于各种管道和过载无损害等诸多优点，得到了广泛应用 。当前，热式气体质量流量计的研究主要集中在四个方面: 一是温度技术补偿研究; 二是传感器设计研究，采用不同的材料和加工工艺来保证测量的准确性和可靠性; 三是测量方法与数据处理研究 ，在保证测量分辨率和精度的前提下，对采集的数据进行处理; 四是传感器建模研究，若能得到传感器的对应模型，则可有效地提高测量精度且减小测量难度。

综上所述，人们更多的是关注传感器的设计和软件算法的补偿，而测量方式大部分是基于恒温差式或者恒功率式。本文研究则另辟蹊径，采用不同流速点下设定不同的加热电流来进行流量测量。

1.测量原理

热式质量流量计是根据传热原理进行流量测量的，其热量的主要传递方式为热对流。热对流指的是流体在流动的过程中，由于冷热分布存在差异，冷热流体相互接触而产生热量传递的过程。对流传热又分为自然对流和强制对流两大类，由于流体内部各部分密度不同而引起的流动为自然对流; 流体在外力作用下产生的流动为强制对流。当流体流速较大时，自然对流、热辐射、热传导都可以忽略不计。

但当流体流速较小时，自然对流传热就不能忽略了。对流传热的基本公式为牛顿冷却公式

热式质量流量计主要分为恒温差式和恒功率式。恒温差式主要有两个缺点: 一是采用惠斯通电桥结构，环境温度发生变化时就会影响电桥平衡，表现为零点不稳和小流量精度无法保证，必须附加相应的温度补偿电路; 二是流量上限受到限制，随着流量的不断增大，加热功率也相应增大，加热功率过大时就会增加电路设计的难度，同时影响电路的稳定性。恒功率式的主要缺点在于测量小流量时采用较大的加热功率，测温探头和测速探头之间的自然对流换热不能忽略，无法保证小流量的测量精度，同时功率控制算法具有一定的滞后性，影响测量的灵敏度。

当流体流量较小或者为零时，如果加热电流过大就会导致测速探头过热，进而使周围环境温度明显上升，那么，速探头和测温探头之间的自然对流传热就不可忽略; 当流体流量较大时，如果加热电流过小，流体带走热量过多，使得测温探头和测速探头之间的温差很小，导致探头对流量的变化不敏感。针对以上问题，要忽略自然对流传热的影

响，在保证一定量程比的前提下不涉及复杂的控制算法，且适当提高仪表的反应速度，本研究提出了一种可调恒流源技术的热式流量计。

2.各段加热电流的划分

在低流量时，测速探头温度较高，存在由于测速探头和测温探头温度不同而产生的自然对流，要完全忽略自然对流影响，必须满足公式

综上所述，在 0． 2～ 0． 9 m /s 的流速下采用 40 mA 的加热电流，降低了小流速下测速探头对测温探头的影响; 随着流速增大，流体带走热量增加，0． 9 ～ 10 m /s 范围下采用60 mA加热电流; 当流速大于 10 m /s 时，测速探头对流速变化的灵敏度下降，故 10 m /s 以上采用 80 mA 加热电流 。测速探头采用 Pt100，测温探头采用 Pt200，测温电流为0． 5 mA。

3.可变电流的实现

高可靠、稳定的恒流源 是仪表达到较高测量精度的前提。按照恒流源的组成器件不同可分为三类: 晶体管恒流源、场效应管恒流源和集成运放恒流源。设计中加热电流设计精度为 0． 1 % ，采用美国 Burr—Brown 公司推出的XTＲ110。该芯片内部由电压 / 电流转换模块、电流 / 电流变换模块、精密电阻网络模块和精密 + 10 V 电压基准模块等组成。图 2 为其典型应用电路，其输出电流为

将端口 8 悬空，通过变换输入电压 VＲEFIN ，VIN1 ，VIN2 和三极管基极负载 ＲSPAN 的不同组合，可以组合出不同的电流环

输出模式。

为了扩展电流，选择使用外部电阻器，断开引脚 1 和13，在引脚 16 和引脚 13 之间接入 10 Ω 电阻器，则电流放大倍数扩大为 50 倍。电路设计中将 VＲEFIN ，VIN1 悬空，只保留 VIN2 。VIN2 的精度和稳定性直接决定了输出电流的性能，选择 MAX6350 为其提供基准电压值 + 5 V 其精度为

4.整体方案设计

系统电路按上图 3 进行设计，分为传感器信号输出模块、恒流源模块、电压源模块、主控单元及其外围模块、A /D模块、信号调理模块。ＲC 为测温探头的阻值，ＲW 为测速探头的阻值，Ｒa ，Ｒb 为基准电阻器，阻值为 100 Ω，精度0． 01 % ，温漂 5 × 10 － 6 / ℃ ，公式为基准电阻的设定有效地减小了恒流源波动对实验结果的影响。采用 24 位的 AD7193 芯片进行 A /D，其分辨率为0． 298 μV，通过 SPI 通信将采样结果传递给 430 单片机，充分保证了采样精度。在单片机内实现信号处理、参数设定、模型计算等任务，最终通过液晶、ＲS—485 以及脉冲信号三种方式进行输出。同时考虑抗干扰和电路的稳定性，加入了看门狗保护电路和掉电保护电路。

5.实验标定结果

标定结果如表 1 所示，以 0． 4 m /s 作为分界流量，分界流量以上精度满足 1． 0 % ，分界流量以下精度满足 1． 5 % 

6.结 论

本文提出了一种基于可调恒流源技术的热式气体质量流量计，阐述了电流发生的机理和如何改变加热电流的大小。在保证加热电流达到要求的前提下，给出了系统的整体设计框架图。相比于传统的恒温差式和恒功率式，在相同测量精度的前提下，本研究设计的热式气体质量流量计具有更宽的测量范围。以 0． 4 m /s 作为分界流量，分界流量以下可以保证 1． 5 级精度，分界流量以上可以保证1． 0 级精度，量程比达到 100∶ 1。