多点热式气体质量流量测试方法实验

。多点测试方法的关键是如何确定特征点的位置和分布数量。采用等环面法、切比雪夫法、对数线性法设计多点检测传感器。选取实验管道半径r = 30 mm，设计将圆管截面两等分，以管道中心为原点，设计多点检测杆特征点分布示意图如图6 所示。

　　根据参考文献［5~ 6］给出的三种方法的特征点的值，依次计算出多点检测传感器特征点在不同测试方法下的分布位置如表1 所示：

　　3 温度校正

　　热式气体质量流量计的工作原理是建立在热膜探头与被测流体间的强迫对流换热的基础上。其输出信号的大小不仅与质量流量有关，而且还与被测介质温度有关［1］。因此当测量环境下流体温度与标定时流体温度不同时，将直接影响测量结果的准确性， 因此必须对热式气体质量流量计进行温度校正。

　　热式气体质量流量计常用的温度校正的方法可以分为两类：分析校正法和自动校正法。

　　分析校正法，即需要一个独立的温度传感器检测环境温度t a，然后将t a 插入到选择的热传递关系式中。在这种方法中，热膜探头工作在恒阻状态下。随着计算机和微电子技术的应用和发展，目前有关热式质量流量计的温度校正大部分采用的是分析校正法［ 7，8 。分析校正的关键是确定热膜风速计的热传递关系式，即输出信号与风速和温度的函数关系。目前有关风速计温度校正方面的研究基本上都是确定热传递公式［ 7~ 9］ 。

　　自动校正法，即在惠登斯电桥中加入一个温度传感器，对环境温度变化自动进行补偿。此时热膜探头工作在非恒阻状态下。采用的自动校准方法是将惠登斯电桥中与热膜探头相对的桥臂电阻改成包含补偿电阻的串并联电路，图7 所示。其中的rc为具有正温度系数的铂电阻，将其安放在与热膜探头rw 相同的流场中。

　　补偿电路设计的依据是热膜探头的温度特性和补偿铂电阻的电阻温度参数。为了使传感器输出不随环境温度变化，理论上应满足在任何环境温度下：

　　表2 给出了多点热式气体质量流量计无温度校正和分别采用分析校正及自动校正后的实验数据。其中，分析校正输出对应同一组温度值，自动校正输出对应另一组温度值。

　　热式质量流量传感器的温度漂移可分为零点温度漂移和灵敏度温度漂移［10］。零点温漂即传感器静止状态时的输出由温度变化引起的漂移，用tcr表示， 见式（3）; 灵敏度温漂即传感器一定流量状态时的输出由温度变化引起的漂移，用t cs 表示，见式（4）。

　　表3 给出了对多点热式质量流量计进行温度校正前后结果分析。

　　4 输出信号校准

　　目前热式气体质量流量计特性曲线拟合主要有三种方法，即幂律拟合、扩展幂律拟合和多项式拟合。本文采用四次多项式拟合进行分析。多点热式气体质量流量计四次多项式拟合公式可以表示为

　　5 不确定度分析

　　多点热式气体质量流量计测量误差由随机误差和系统误差组成。随机误差如信号调理电路的噪音等; 系统误差如标定误差、线性化误差、信号调理电路的误差、被测流体温度引起的测量误差等。其中信号调理电路的噪音、信号调理电路的误差比其他误差小一个数量级，可作为微小误差忽略［12~ 13］。多点热式气体质量流量计的不确定度分析见本文最后的表5。

　　6 结束语

　　（ 1） 铂膜电阻作为流量传感器使用（ 较大的加热工作电流） 时，在不同工况条件下，其电阻温度特性依然具有良好的线性; 在恒流工作时，其工作温度与环境温度的差值基本恒定。

　　（ 2） 无温度校正时热式质量流量计的输出信号有较大的温度漂移，采用温度校正后，明显改善了系统的温漂，取得了较好的效果。同时，针对本文采用的温度校正方法，自动校正法的温度校正效果要优于分析校正法。

　　（ 3） 多点热式气体质量流量测试方法可以改善某些单点测量中出现的较大偏差，同时取得了较好的测量精度。