CN116642528A - 一种毛细管内气体温度及质量流量测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种毛细管内气体温度及质量流量测量方法，属于热式气体流量测量领域。该方法采用两个缠绕在毛细管外的两组加热丝的方式进行气体流量测量，毛细管上游、下游外壁上各缠绕一组加热丝，加热丝通电流后温度会升高，通过控制加热丝功率保持两组加热丝温度相同，当气体流过加热区域时会带走热量，导致上下游加热丝上的加热功率发生变化，通过测量两组加热丝加热功率变化获得毛细管内待测气体流量和温度。本发明易于实现零点修正，并且无需额外温度传感器获取气体温度信息。

Description

一种毛细管内气体温度及质量流量测量方法

技术领域

本发明涉及一种毛细管内气体温度及质量流量测量方法，属于热式气体流量测量领域。

背景技术

热式气体流量传感器是利用加热流体时测量热量的传递、热的转移来计算气体流量的传感器。非接触式热式气体流量传感器，具有测量精度高、无活动部件以及不与被测流体接触的优点，该类型传感器适用的气体类别和流量范围较广，广泛用于半导体制造、分析设备、医疗、制药、食品、石油化工、能源和航空航天等诸多行业，在国民经济、国防科研中发挥着重要作用。

传统的热式气体流量传感器通常将两组加热丝接入惠斯通电桥，通过测量惠斯通电桥差分输出电压的方式来进行流量测量，该方法存在以下问题：(1)由于加热绕组的老化，由于传统方法对加热丝上的功率不进行单独检测，通常会面临的零点漂移问题，且零点漂移无法得到有效修正。(2)传统方法通常是通过安装温度传感器对气体温度进行间接测量，需要额外的温度传感器。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出了一种毛细管内气体温度及质量流量测量方法，采用对两组加热丝的加热电流和电压分别进行测量的方式，计算出加热丝的加热功率，并通过加热功率信息来测量气体温度和流量，该方法易于零点修正，并且无需额外温度传感器获取气体温度信息。

本发明的技术解决方案是：

一种毛细管内气体温度及质量流量测量方法，包括：

在管内流通气体的毛细管上游、下游外壁上各缠绕一组加热丝，保持两组加热丝温度相同；通过计算两组加热丝在不同温度下的加热功率并测量得到相应的气体流量值、气体温度值，建立针对所述毛细管的气体流量测量模型、气体温度测量模型；

待测气体流过所述毛细管，保持所述两组加热丝温度相同，通过测量两组加热丝的加热电流和电压，计算两组加热丝的加热功率并代入所述气体流量测量模型、气体温度测量模型，解算得到待测气体流量和温度。

优选的，在管内流过气体的毛细管上游、下游外壁上各缠绕一组加热丝，保持两组加热丝温度相同的方法为：

两组加热丝对称分布在毛细管的上游和下游，加热丝具有相同的密度、电阻率和材料温度系数，且电阻值与加热丝温度呈线性关系；

上游加热丝和下游加热丝分别施加电压，测得流过上游加热丝和下游加热丝的电流；通过调整电压、电流，使两组加热丝上电压与电流的比值相等，且比值大于加热丝在常温下的电阻值。

优选的，通过计算加热丝在不同温度下的加热功率及测量得到相应的气体流量值、气体温度值，获得针对所述毛细管的气体流量测量模型、气体温度测量模型，包括：

根据加热丝在不同温度下的加热功率及气体流量、气体温度的关系，获得参数矩阵A、参数矩阵B；根据上述两个参数矩阵，建立气体流量测量模型、气体温度测量模型。

优选的，根据加热丝不同温度下的加热功率及气体流量的关系，获得两者的参数矩阵A，包括：

加热丝的加热功率及气体流量的关系为：

式中，q为气体流量，P₁、P₂分别为上游加热丝、下游加热丝的加热功率；为参数，此参数为常量；k为气体流量相关值，/>

根据加热丝在不同温度下的气体流量相关值及相应的气体流量值，建模获得气体流量相关值与气体流量的参数矩阵A，并筛选出气体流量相关值的最大值k_max；

加热丝的加热功率及气体温度的关系为：

t＝-a(P_t)+b

式中，t为气体温度；a和b为常数，其中a大于0；P_t为气体温度相关值，P_t＝P₁+P₂；

根据加热丝在不同温度下的气体温度相关值及相应的气体温度值，建模获得气体温度相关值与气体温度值的参数矩阵B，并筛选出气体温度相关值的最大值P_tmax。

优选的，根据参数矩阵A，建立气体流量测量模型：

Q为气体流量值；m和n分别为参数模型A阶数，m和n小于5；A_ij为参数矩阵A的常系数；k_x为待测气体流过毛细管得到的气体流量相关值；/>P_tx为待测气体流过毛细管得到的气体温度相关值。

优选的，根据参数矩阵B，建立气体温度测量模型：

T为气体流量值；m和n分别为参数模型B阶数，m和n小于5；B_ij为参数矩阵B的常系数；k_x为待测气体流过毛细管得到的气体流量相关值；/>P_tx为待测气体流过毛细管得到的气体温度相关值。

优选的，若流量测量值存在零点偏差，分别将上游加热丝加热功率、下游加热丝加热功率设置为0，根据：

T₂-T₁＝P₂f(q)-P₁g(-q)

f(q)＝a₂₂-a₂₁

g(-q)＝a₁₁-a₁₂

式中，T₁、T₂分别为上下游加热丝温度，由于绕组温度与绕组阻值程线性关系，通过测量绕组阻值可以得到上下游绕组温度T1、T2；P₁、P₂分别为上游加热丝加热功率、下游加热丝加热功率；a₁₁、a₁₂、a₂₁、a₂₂与气体流量q相关的传热系数，a₁₁为毛细管内管内气体到上游绕组的传热系数，a₁₂为上游绕组到下游绕组的传热系数，a₂₁为下游绕组到上游绕组的传热系数，a₂₂为毛细管内管内气体到下游绕组的传热系数；

通过计算上式，求出g(0)和f(0)，代入下式：

根据得到的气体流量q，进行流量零点修正，其中g'(0)和f'(0)分别是g(q)和f(-q)在0点的导数，不为0的常数。

优选的，毛细管内气体流量为0～10sccm。

优选的，两组加热丝常温下电阻相同，电阻温度系数大于3500ppm/℃。

优选的，两组加热丝除了加热，同时也具有测温功能。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明采用对两组加热丝的加热电流和电压分别进行测量的方式，计算出加热丝的加热功率，并通过加热功率信息来测量气体温度和流量，该方法易于零点修正。并且无需额外温度传感器获取气体温度信息。另外，由于对加热丝上的功率进行单独检测，该方法易于零点修正和加热丝故障状态检测。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例热式气体流量传感器示意图；

图2为本发明实施例毛细管热式气体流量传感器加热绕组传热关系示意图；

图3为本发明实施例热式气体流量传感器加热绕组功率与流量关系示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明提出了一种毛细管内气体温度及质量流量测量方法，如图1所示，采用两个缠绕在毛细管外的两组加热丝进行气体流量测量，加热丝通电流后温度会升高，加热丝温度通过电路控制在一个恒定的温度上，当气体流过加热区域时会带走热量，从而导致上下游加热丝加热功率发生变化，通过测量两个加热丝上的加热功率便可以获得毛细管内气体流量。

两组加热丝对称分布在毛细管的上游、下游(上游加热丝和下游加热丝)，两组加热丝具有相同的密度、电阻率和材料温度系数。两个加热丝除了加热，同时也具有测温功能。其中，毛细管内流量一般为0～10sccm，毛细管内径0.1mm～0.5mm，毛细管的壁厚0.05mm～0.1mm。

如图2所示，两个加热丝的加热功率与绕组温度的关系为：

T₁-T_a＝P₁a₁₁+P₂a₂₁ (1)

T₂-T_a＝P₂a₂₂+P₁a₁₂ (2)

其中T_a为环境温度，T₁、T₂分别为上下游加热绕组温度，P₁、P₂分别为上下游加热绕组加热功率，a₁₁、a₁₂、a₂₁、a₂₂与气体流量q相关的传热系数，其中，a₁₁为毛细管内管内气体到上游加热丝的传热系数，a₁₂为上游加热丝到下游加热丝的传热系数，a₂₁为下游加热丝到上游加热丝的传热系数，a₂₂为毛细管内管内气体到下游加热丝的传热系数。

式(2)减式(1)可得，

T₂-T₁＝P₂(a₂₂-a₂₁)+P₁(a₁₁-a₁₂) (3)

由于a₁₁、a₁₂、a₂₁、a₂₂与气体流量q相关，因此有：

f(q)＝a₂₂-a₂₁ (4)

g(-q)＝a₁₁-a₁₂ (5)

则式(3)可以写成，

T₂-T₁＝P₂f(q)-P₁g(-q) (6)

对式(6)在q＝0处进行一阶泰勒展开有，

T₂-T₁＝P₂f(0)-P₁g(0)+[P₂f'(0)+P₁g'(0)]q (7)

当有气流通过时，冷气体会使加热丝的温度降低，上游的加热丝与进气的温差最大，被冷却的效果也最好。经过上游的加热丝加热以后，气体的温度逐渐接近线圈的温度，下游的加热丝被气体的冷却效果要小的多。故下游加热丝的平均温度一般总比上游加热丝的平均温度要高。因此，上下游气体便产生了温度差。气体流量越大，对上游加热丝的冷却就越大，两加热丝的阻值就相差越大。相反的，如果通过控制加热温度，使得T₁＝T₂，则式(7)可以写成，

理想情况下g(0)＝f(0)，g'(0)＝f'(0)，式(8)则变为，

因此，通过测量加热丝上的加热功率来测量流量，把上、下游加热丝的加热功率作为测量信号，经过合理的设计输出便可实现对气体流量的测量。研究和实验表明，相对功率差ΔP/P_t与流量的关系，加热功率与流量的关系曲线如图3所示。其中功率差ΔP＝P₁-P₂，总功率P_t＝P₁+P₂，可以看出流量范围大的时候输出呈现非线性，因此毛细管设计时建议测量通道内的流量范围在线性区，这样可以减少后续测量模型的复杂度。

本方法流程如下：

a)上游加热丝和下游加热丝常温下电阻分别为R₁₀和R₂₀，且R₁₀≈R₂₀，R₁₀、R₂₀为常温下电阻值，加热丝电阻温度系数一般大于3500ppm/℃，在本实施例中取80欧。上游加热丝和下游加热丝电阻值与加热丝温度T1、T2程线性关系。

b)上游加热丝和下游加热丝分别施加电压U₁和U₂，流过上游加热丝和下游加热丝的电流分别为I₁和I₂，并通过调整电压U₁、U₂、I₁和I₂使得且R＞R₁₀，R通常设定为加热丝在100℃左右时候的值，在本实施例中取110欧。

c)通过电压U₁、U₂、I₁和I₂，计算上游加热丝和下游加热丝的功率分别为P₁和P₂，其中P₁＝U₁×I₁，P₂＝U₂×I₂。

d)通过上游加热丝和下游加热丝的功率P₁和P₂，计算气体流量相关量

e)通过上游加热丝和下游加热丝的功率P₁和P₂，计算入口气体温度相关量P_t＝P₁+P₂。

f)在不同温度下对传感器进行标定，获得不同温度以及不同流量的下的k和P_t，并根据k和P_t数据计算出k_max和P_tmax，温度和气体流量由标准测试仪器获得，基于最小二乘法或其他参数估计法对上述模型进行建模，获得模型阶数和模型参数矩阵A和B。

g)建立流量测量模型，其中，Q为修正后的流量值，m和n分别为模型阶数，m和n一般小于5；/>k_x为待测气体流过毛细管得到的气体流量相关值；/>P_tx为待测气体流过毛细管得到的气体温度相关值。

h)建立气体温度测量模型，其中，T为气体温度测量值，m和n分别为模型阶数，m和n一般小于5；/>k_x为待测气体流过毛细管得到的气体流量相关值；/>P_tx为待测气体流过毛细管得到的气体温度相关值。

i)待测气体流过所述毛细管，保持所述两组加热丝温度相同，通过测量两组加热丝的加热电流和电压，计算两组加热丝的加热功率并代入所述气体流量测量模型、气体温度测量模型，解算待测气体流量和温度。

实际过程中由于制作工艺导致g(0)和f(0)不完全相同，因此导致流量测量值存在零点偏差，这时可以通过将P₁或P₂中的一项设置为0，通过式(6)可以求出g(0)和f(0)，代入式(8)可以进行流量的零点修正。

以上所述实施例只是本发明较优选具体实施方式，本领域技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种毛细管内气体温度及质量流量测量方法，其特征在于，包括：

在管内流通气体的毛细管上游、下游外壁上各缠绕一组加热丝，保持两组加热丝温度相同；通过计算两组加热丝在不同温度下的加热功率并测量得到相应的气体流量值、气体温度值，建立针对所述毛细管的气体流量测量模型、气体温度测量模型；

待测气体流过所述毛细管，保持所述两组加热丝温度相同，通过测量两组加热丝的加热电流和电压，计算两组加热丝的加热功率并代入所述气体流量测量模型、气体温度测量模型，解算得到待测气体流量和温度。

2.根据权利要求1所述的一种毛细管内气体温度及质量流量测量方法，其特征在于，在管内流过气体的毛细管上游、下游外壁上各缠绕一组加热丝，保持两组加热丝温度相同的方法为：

两组加热丝对称分布在毛细管的上游和下游，加热丝具有相同的密度、电阻率和材料温度系数，且电阻值与加热丝温度呈线性关系；

上游加热丝和下游加热丝分别施加电压，测得流过上游加热丝和下游加热丝的电流；通过调整电压、电流，使两组加热丝上电压与电流的比值相等，且比值大于加热丝在常温下的电阻值。

3.根据权利要求1所述的一种毛细管内气体温度及质量流量测量方法，其特征在于，通过计算加热丝在不同温度下的加热功率及测量得到相应的气体流量值、气体温度值，获得针对所述毛细管的气体流量测量模型、气体温度测量模型，包括：

根据加热丝在不同温度下的加热功率及气体流量、气体温度的关系，获得参数矩阵A、参数矩阵B；根据上述两个参数矩阵，建立气体流量测量模型、气体温度测量模型。

4.根据权利要求3所述的一种毛细管内气体温度及质量流量测量方法，其特征在于，根据加热丝不同温度下的加热功率及气体流量的关系，获得两者的参数矩阵A，包括：

加热丝的加热功率及气体流量的关系为：

式中，q为气体流量，P₁、P₂分别为上游加热丝、下游加热丝的加热功率；为参数，此参数为常量；k为气体流量相关值，/>

根据加热丝在不同温度下的气体流量相关值及相应的气体流量值，建模获得气体流量相关值与气体流量的参数矩阵A，并筛选出气体流量相关值的最大值k_max；

加热丝的加热功率及气体温度的关系为：

t＝-a(P_t)+b

式中，t为气体温度；a和b为常数，其中a大于0；P_t为气体温度相关值，P_t＝P₁+P₂；

根据加热丝在不同温度下的气体温度相关值及相应的气体温度值，建模获得气体温度相关值与气体温度值的参数矩阵B，并筛选出气体温度相关值的最大值P_tmax。

5.根据权利要求4所述的一种毛细管内气体温度及质量流量测量方法，其特征在于，根据参数矩阵A，建立气体流量测量模型：

Q为气体流量值；m和n分别为参数模型A阶数，m和n小于5；A_ij为参数矩阵A的常系数；k_x为待测气体流过毛细管得到的气体流量相关值；/>P_tx为待测气体流过毛细管得到的气体温度相关值。

6.根据权利要求4所述的一种毛细管内气体温度及质量流量测量方法，其特征在于，根据参数矩阵B，建立气体温度测量模型：

T为气体流量值；m和n分别为参数模型B阶数，m和n小于5；B_ij为参数矩阵B的常系数；k_x为待测气体流过毛细管得到的气体流量相关值；/>P_tx为待测气体流过毛细管得到的气体温度相关值。

7.根据权利要求1所述的一种毛细管内气体温度及质量流量测量方法，其特征在于，若流量测量值存在零点偏差，分别将上游加热丝加热功率、下游加热丝加热功率设置为0，根据：

T₂-T₁＝P₂f(q)-P₁g(-q)

f(q)＝a₂₂-a₂₁

g(-q)＝a₁₁-a₁₂

式中，T₁、T₂分别为上下游加热丝温度，P₁、P₂分别为上游加热丝加热功率、下游加热丝加热功率；a₁₁、a₁₂、a₂₁、a₂₂与气体流量q相关的传热系数，a₁₁为毛细管内管内气体到上游绕组的传热系数，a₁₂为上游绕组到下游绕组的传热系数，a₂₁为下游绕组到上游绕组的传热系数，a₂₂为毛细管内管内气体到下游绕组的传热系数；

通过计算上式，求出g(0)和f(0)，代入下式：

根据得到的气体流量q，进行流量零点修正，其中g'(0)和f'(0)分别是g(q)和f(-q)在0点的导数。

8.根据权利要求1所述的一种毛细管内气体温度及质量流量测量方法，其特征在于，毛细管内气体流量为0～10sccm。

9.根据权利要求1所述的一种毛细管内气体温度及质量流量测量方法，其特征在于，两组加热丝常温下电阻相同，电阻温度系数大于3500ppm/℃。

10.根据权利要求1所述的一种毛细管内气体温度及质量流量测量方法，其特征在于，两组加热丝除了加热，同时也具有测温功能。