針對大中型管道以及不規則流場中氣體流量測量存在的問題，研制了一種多傳感器結構的氣體流量計。在測量管道中按照對數線性法選取測量特征點，采用４個熱式氣體流量傳感器獲取特征點的流量信號，利用正交多項式擬合建立特性曲線的函數關系式。在不規則流場條件下對２００ｍｍ口徑樣機進行實驗。實驗結果表明，多傳感器測量方法能夠明顯改善單傳感器的測量精度不高的問題。

1.引 言

影響流量測量的主要因素為流速分布，因此除了容積式流量計等少數流量儀表之外，幾乎所有的流量計都對直管段長度有要求 。如渦輪流量計的直管段長度為１５Ｄ～２０Ｄ 。然而在實際應用中受到現場條件限制，特別是大中型口徑的管道，往往難以滿足這樣的直管段長度。而管道中安裝的閥門、彎管等阻力件，更造成流速分布的復雜 。熱式氣體流量計具有無可動部件，壓損低，能夠測量低流速等諸多優點，目前在工業中的應用越來越廣泛。國內關于熱式流量計的研究主要集中在微小流量的測量，針對大中型管道的熱式流量計主要依靠進口，且價格較為昂貴 。

本文將均速管流量計與熱式流量計的測量原理相結合，針對不規則流場以及大中型管道氣體流量測量中的單點測量度不高、差壓式儀表壓損太大等問題，研制了一種多傳感器結構的熱式氣體流量計，采用多點測量方法來測量氣體流速，并在不規則流場條件下對樣機進行了實驗研究與分析。

２.多傳感器測量系統

２．１ 傳感器與測量電路

樣機選用組合熱膜探頭作為流量傳感器，如圖１所示。它采用微機電系統（ＭＥＭＳ）技術，將加熱鉑電阻與測溫鉑電阻集成在一片厚度僅為０．２ｍｍ的陶瓷基片上，因此探頭的熱容量很低，整個傳感器有很快的響應時間。

熱電阻Ｒｈ和測溫電阻Ｒｃ與固定精密電阻Ｒ１、Ｒ０組成惠斯登測量橋路。氣體流過探頭表面時熱量將被帶走，使得探頭溫度Ｔｈ降低，此時由運放和三極管組成的反饋電路將及時增大加熱電阻Ｒｈ的工作電流Ｉ，使得探頭溫度Ｔｈ與環境溫度Ｔｃ差值始終維持恒定 。因此，可以建立起電流Ｉ與氣體流量Ｑ的函數關系式。

２．２ 多點測量原理

多點測量采用均速管流量計測量原理，將管道截面Ｓ劃分為Ｎ個面積相等的部分，在每一部分設置特征點來測量流體流速ｕｉ，則流過整個管道的體積流量Ｑ為：

ＮＱ＝ＮＳ∑ｕｉ （１）ｉ＝１

流量計結構如圖３所示。將管道截面劃分為４等分，按照對數線性法選取特征點，用檢測桿將探頭置于管道的不同的位置來獲取氣體流量信號，進而獲得整個管道的流量。

流量信號的融合采用卡爾曼分布式融合，如圖４所示，首先將每個傳感器獲得的測量值分別進行估計，再將局部估計送入到融合中心，根據局部狀態估計精度高，避免某個傳感器因故障而導致測量誤差偏大。

３.系統的硬件和軟件設計

３．１ 硬件設計

流量計硬件結構如圖５所示。氣體流量信號由４個探頭獲取，經過放大濾波后由單片機內部自帶的Ａ／Ｄ進行多路采集。采集到的４路電壓信號通過融合處理后獲得氣體的瞬時流量，同時對瞬時流量進行累加。硬件設計中還包括人機接口、掉電保護、信號輸出等模塊。

３．２ 軟件設計

系統軟件采用模塊化結構的設計方案，根據儀表的各個功能模塊將軟件劃分成若干子程序，分別由主程序來調用，如圖６所示。

４.實驗研究與分析

４．１ 熱式流量計的特性曲線

由于傳感器的特性曲線很難用單一解析式擬合，因此系統采用多項式***小二乘擬合算法作為特性曲線擬合處理的理論基礎。對于一組數據

避免求解復雜線性方程組的麻煩，減少了運算量。***終的曲線擬合多項式可表示為：

ｎＱ（ｘ）＝ａ０ ＋ａ１ｘ＋… ＋ａｎｘ （５）

設傳感器融合后電壓和流量的測量數據為（ｕｉ，ｑ），擬合結果如表１所示。并由此繪制流量與電壓ｉ

的特性曲線如圖７所示。運用多項式***小二乘算法求出該特性曲線的擬合方程Ｑ（ｘ），建立流量與電壓的函數關系式。經反復實驗驗證與分析，當ｎ取６時擬合效果***為理想，擬合誤差小于 １％。

４．２ 不規則流場測量實驗

在不規則流場條件下對口徑為２００ｍｍ樣機進行流量測量試驗（圖８），并與單傳感器測量值進行對比。試驗在杭州市質量技術監督檢測院０．２級的音速噴嘴裝置上進行。通過在樣機的前直管段中設置半圓形障礙物來模擬半開閘閥制造不規則的流場，然后分別在不同直管段長度條件下進行試驗結果見表２、表３、表４。

通過實驗可以看出，在直管段長度較短、管內氣體流速分布不規則的條件下，與單點測量相比，多傳感器熱式氣體流量計具有較高的測量精度，改善單傳感器的測量精度的效果是非常明顯的。

5.結論

研制了一種多傳感器結構的熱式氣體流量計。通過多傳感器信號融合建立流量與電壓的六階多項式函數關系式，實現了氣體流量的測量。不規則流場實驗結果表明，多傳感器結構的熱式氣體流量計具有較高的測量精度，很好地改善了單傳感器測量精度不高的問題。受實驗條件限制，目前樣機只是對半開閥門產生的不規則流場進行了實驗，今后將針對其他阻力件產生的不規則流場繼續開展測試研究。