為了熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)選擇一種更加合理可靠的測量方法作為采樣方法，針對兩種測量方法建立了物理模型和測量電路，通過現(xiàn)有的科研設(shè)備進(jìn)行了實(shí)際測量，根據(jù)得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制線性曲線，并通過分析曲線的姿態(tài)分析測量方法的可行性和可靠性，從而選擇一種更加合理的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。
恒流測量原理如上圖所示。兩個Pt100鉑電阻溫度傳感器分別連接恒流源,Rc和Rw為金屬鉑電阻探頭.其中Rw通過Ic(5mA)提供測量電流，探頭本身不發(fā)熱，用于測試環(huán)境溫度;Rw通過Iw(50mA)提供加熱電流，探頭被加熱到氣體溫度80℃以上,作為測試流速的傳感器。此時氣體流速與兩個鉑電阻之間的溫差關(guān)系直接對應(yīng)兩個鉑電阻的電阻阻值差的關(guān)系。
由式(2.10)可知：
根據(jù)流體學(xué)原理,式(2.12)中n的取值與雷諾數(shù)Re成對應(yīng)關(guān)系.根據(jù)熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)的測量范圍,本實(shí)驗(yàn)中取Re的范圍為40～4000,此時n取0.466。
在氣流溫度一定時,Vc為固定值,則此時除了加熱電阻的電壓Vw和氣體流速U之外的其他參數(shù)均為常量，于是可以得到w V 和氣體流速U個一對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系。跟據(jù)式(2.12)作出電壓-流速的理想關(guān)系曲線：
由圖2-4可見,使用恒流測量法測量流體質(zhì)量流量,在質(zhì)量流量從0～100kg/h區(qū)間變化時,曲線的斜率出現(xiàn)較大變化;在0～5kg/h區(qū)間內(nèi)斜率接近0，在小流量下流量計(jì)采樣電壓靈敏度過高,而在20～100kg/h區(qū)間內(nèi)斜率又趨近無窮,即采樣電壓的靈敏度過低,因此難以滿足流量計(jì)的精度要求。
從恒流測量的理想曲線可以得出結(jié)論：本流量計(jì)不適用于采用此種測量方法。
與恒流測量模式相比,恒溫測量模式的鉑電阻維持在一個恒定的工作溫度當(dāng)被測氣體流速變化時,傳感器元件的熱慣性可以自動調(diào)整.如圖2-5所示,電路中由R1,R2,Rc,Rw組成電橋，其中Rw為金屬鉑電阻探頭，用于測量流速;R1,R2,Rc為精密電阻，根據(jù)電橋測量原理，滿足Rc/R2=Rw/R1。恒溫測量在電路中引入了一個反饋放大器,當(dāng)流速變化時,利用反饋控制電路中電橋的電流以保持Rw工作溫度恒定,即當(dāng)流速變化導(dǎo)致Rw有變化趨勢時，控制電路使Rw保持不變。
定溫反饋控制過程如下:當(dāng)流速增加時,鉑電阻表面溫度降低,Rw降低,放大器負(fù)輸入端電勢降低,引起放大器輸入電壓增大,導(dǎo)致輸出電壓增大,使流過Rw的電流Iw增大Iw的上升導(dǎo)致通過Rw的熱量增加,Rw的溫度隨之升高,因而使得放大器負(fù)輸入端電勢升高,放大器輸出減小,電路恢復(fù)平衡.
以上過程是瞬間發(fā)生的，從輸入輸出關(guān)系來看，氣體流速U 的上升，立即引起放大器輸出電壓的增加；反之,氣體流速的降低,也立即引起輸出電壓的降低�，F(xiàn)在,運(yùn)算放大器的響應(yīng)頻率一般較高,故恒溫測量模式下傳感器可以保持溫度恒定(很高頻率的流速變化除外)。
在圖2-5中,輸出電壓選用R1兩端的電壓V1.由式(2.9)：
由式(2.14)可得到采樣電壓和氣體流速的理想關(guān)系曲線,如圖2-6所示。
由圖可見,使用恒溫測量法測量氣體流速時，測量曲線的斜率變化較為平滑，使得測量精度相比恒功率測量得到了很大的提高，在低流速時斜率較大，具有很好的低流速靈敏度;高流速時曲線的線性度較好，精確度較高。
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