熱式質(zhì)量流量計(jì)可以直接測(cè)量出被測(cè)氣體的質(zhì)量流量，可測(cè)流量范圍比較大，廣泛應(yīng)用于化工和發(fā)電等領(lǐng)域。針對(duì)核電站空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)等的通風(fēng)流量測(cè)量問題，由于其工作條件較為惡劣且設(shè)計(jì)流量范圍較大，因而對(duì)熱式質(zhì)量流量計(jì)的設(shè)計(jì)提出了較高的要求。
設(shè)計(jì)了基于恒溫差原理的熱式質(zhì)量流量計(jì)的硬件電路，包括電源電路、信號(hào)調(diào)理電路和信號(hào)處理與輸出電路，其中，信號(hào)調(diào)理電路通過惠斯通電橋和負(fù)反饋控制電路維持傳感器探頭之間的恒定溫差。針對(duì)引線電阻對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，通過理論分析得到引線電阻補(bǔ)償電路的原理，并設(shè)計(jì)了引線電阻補(bǔ)償電路。針對(duì)儀表的測(cè)量范圍較小的問題，基于LT1510恒流驅(qū)動(dòng)芯片實(shí)現(xiàn)控制電壓到輸出電流的轉(zhuǎn)換，替換了傳統(tǒng)電路中的三極管，有效地提高了儀表的量程比。
對(duì)加熱電流原始數(shù)據(jù)進(jìn)行了幅值域和頻域分析，結(jié)果表明：加熱電流值近似符合高斯分布，且噪聲信號(hào)頻域分布較廣。因此，使用4階巴特沃斯低通濾波器對(duì)加熱電流進(jìn)行濾波，提高了測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性。針對(duì)加熱電流和被測(cè)流速的非線性關(guān)系，基于最小二乘法準(zhǔn)則進(jìn)行分段6階多項(xiàng)式擬合，以獲得最小誤差平方和下的儀表特性曲線，提高了儀表的測(cè)量精度。利用二維回歸方程構(gòu)建出擬合流速、氣體溫度和實(shí)際流速之間的函數(shù)關(guān)系，從而消除氣體溫度變化所造成的測(cè)量誤差。
基于模塊化設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)各個(gè)子模塊的程序，包括主監(jiān)控程序、信號(hào)采樣模塊、流量計(jì)算模塊、中斷模塊、脈沖輸出模塊、上位機(jī)通訊模塊、液晶顯示模塊和初始化模塊等，各子模塊間互相配合，實(shí)現(xiàn)了從信號(hào)采樣、流量計(jì)算到結(jié)果輸出的完整流程。
為驗(yàn)證設(shè)計(jì)電路和算法的有效性，進(jìn)行了氣體流量標(biāo)定實(shí)驗(yàn)和氣體溫度補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在氣體溫度不變時(shí)研制的恒溫差型熱式質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量結(jié)果滿足1級(jí)精度要求，儀表的最大可測(cè)流量達(dá)到了60m3/h，量程比達(dá)到了60：1，有效地拓寬了熱式質(zhì)量流量計(jì)的測(cè)量范圍。被測(cè)氣體溫度在20~60℃范圍內(nèi)變化時(shí)，溫度補(bǔ)償算法有效地消除了氣體溫度變化帶來的影響，儀表測(cè)量結(jié)果滿足1.5級(jí)精度要求。
