一种基于环境测温补偿的流量传感器流量计算方法与流程

1.本发明涉及测量技术领域，尤其涉及一种基于环境测温补偿的流量传感器流量计算方法。


背景技术：

2.随着工业及科学技术的发展，对流体流量的测量提出了更高要求；目前已有许多流量计算方法，其中典型的流量传感器通过流体的导管，在导管上下游分别设有两个独立的、随流体温度变化的热敏电阻，并设置有分别包含上述随温度变化的热敏电阻的两个相互独立的温控电路，控制两个恒温电路温度相等且为定值，流量传感器上游热敏电阻对应的温控电路输出电压为，设下游热敏电阻对应的温控电路输出电压为，两个恒温电路输出电压差，通过的式子计算流量q，典型的流量传感器计算流量公式为：。
3.基于热传导效应的上述式中仅受环境温度影响，通过除以，使得不同温度下流量q变化所对应的温控电路的电压差变化相同，消除环境温度因素影响，从而提高流量传感器的输出线性，提高不同温度下流量传感器得测量精度。
4.但实际工况中，同一温度下，难以取定值且随流量q变化而变化，通过式计算流量q来消除环境温度对流量传感器输出的影响，由于随流量q变化而变化，会导致流量传感器输出附加额外的非线性，导致流量传感器无法在不同温度下保持较好的测量精度。
5.此外典型的流量传感器缺乏零点修正，即实际流量为零时，对零点输出进行修正；故当环境温度发生变化时，市场上典型的流量传感器会产生零点输出偏移，使得传感器输出发生偏移。
6.另外，由于典型的流量传感器需要较长的预热时间，使流量传感器的流量计与周围的环境达到（趋近）热平衡状态时，方能有效进行流体流量的测量。


技术实现要素：

7.针对现有技术存在的问题：本发明提出利用温度传感器对流量传感器进行环境测温补偿，减少流量传感器预热时间，通电后流量传感器达到工作温度就可以进行有效的流体流量测量。
8.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于环境测温补偿的流量传感器流量计算方法，包括以下步骤：s1、采集流量传感器的上、下游热敏电阻对应的温控电路输出电压为、，并将
和转换为与电压大小相关的无量纲数值，作为计算流量q的输入；s2、利用数学式：，对流量传感器的输出流量q进行计算；其中，为将温控电路的流量传感器输出值转换为流量的映射函数，为零偏函数；f(t)温度补偿修正函数；理论上项为仅受温度影响但实际受流量q影响的项，故理论上流量传感器的输出项应仅受流量q影响；由于项受流量q的变化影响，导致项附加上额外的非线性，导致流量传感器输出线性不理想，存在较大误差；将数学式中变换为，即由项替换数学式中的环境温度影响项，并增加ofs零偏函数，得到；由此降低流量q的变化对流量传感器输出项的影响，降低额外的非线性；由于流体实际在流量传感器中的换热难以达到理想状态，有一部分热量在上游流向下游的过程中散热损耗掉，流体带给下游的热量q
heat_d
小于上游传感器带走的热量q
heat_u
，因此在环境温度恒定时，项会随流量q的变化发生改变；由于式中的项仅受周围环境温度变化的影响，可以仅对周围环境温度的影响进行修正，进而通过该式的计算来降低因流量q的变化附加的额外非线性。
9.设温度补偿修正函数为，是基于温度传感器测量周围环境温度t，式中tu为上游热敏电阻温度，td为下游热敏电阻温度。
10.温度补偿修正函数说明：由雷诺输送定律，某瞬间控制体内的流体所构成的体系，它所具有的物理量的随流导数，等于同一瞬间控制体中所含同一随流物理量的增加率（为体积分）与该物理量通过控制面的净流出率（为面积分）之和；同一控制体内流量的变化可以用热量的变化来衡量，故可以认为，式中为流量变化量，为加热功率变化量，为功率流量增益系数。
11.为电压相关的无量纲数，故能反应热敏电阻两端电压大小，通电工作时，由惠斯通电桥平衡可分析得知，动态电阻（通电加热后）为确定的常值，故
加热功率可表示为，同理，总加热功率的变化，可写为，为加热功率传递系数，；考虑中有一部分发热功率通过环境热传导耗散，通过传感器流量为零，热敏电阻达到稳态温度，此时加热功率用于抵消环境散热，即，同理有，式中为传热系数，为热敏电阻等效热传导面积，为热敏电阻等效热传导面积；环境温度时，热敏电阻各自的热平衡功率为，故环境温度不同时，各自的零流量热平衡功率大小也各不相同，会产生一个由于环境温度变化引起的零偏输出。
12.流量函数，令，则；结合雷诺输送定律所得流量变化与加热功率变化关系和可得，其中，为常值，但考虑到实际流量传感器的数据点波动以及测量误差的存在，故需多组测量x和q的数据，进行归一化处理，求解出回归值。
13.考虑到流量传感器个体的物理结构差异及实际tu、td温度难以同时测量，对公式进行变换，得到，式中，k为热敏电阻温升系数，c为室温时上下游热敏电阻的电阻相对误差率，其中，电阻相对误差：c=(r
u-rd)/ru，ru、rd为上、下游热敏电阻阻值，tu为热敏电阻ru的温度，tu值由图2中惠斯通电桥平衡原理计算得到；项对于确定的温度传感器而言为常值，故令，将式进行变换得到；通过定义仅受环境温度影响项的函数的零偏函数，其中，w1和w2温度漂移系数和零点偏移项系数，通过测量t0温度下v
u0
、v
d0
和t1温度下v
u1
、v
d1
即可计算出；通过零偏函数ofs对的零点输出进行修正，因此可对周围环境温度变化产生的传感器输出偏移量进行修正。
14.本发明的有益效果是：1、在流量传感器上部增加温度传感器，通过温度传感器的温度反馈防止环境温度的变化对流量传感器的测量输出造成干扰，并对环境温度变化导致的零点输出偏移进行修正，提供线性好，测量误差小的流量传感器测量方法；2、利用温度传感器测量流量传感器周围环境的实时温度，进行实时环境温度补偿。预热时间短，仅需传感器通电达到工作温度，即可进行有效的流体流量测量。
附图说明
15.图1为本发明流程图；图2为本发明温控电路图；
图3为本发明实验测试设备连接图；图4为典型的流量传感器与本发明流量传感器的质量电压变化随流量q变化对比图；图5为典型的流量传感器质量误差变化随流量q变化对比图；图6为本发明流量传感器的质量误差变化随流量q变化对比图。
具体实施方式
16.下面结合附图，对本发明的实施例作进一步的详细说明。
17.如图1为本发明的一种基于环境测温补偿的流量传感器流量计算方法，包括以下步骤：s1、采集流量传感器的上、下游热敏电阻对应的温控电路输出电压为、，并将和转换为与电压大小相关的无量纲数值，作为计算流量q的输入；本实施例中采用温控电路如图2所示，热敏电阻ru、rd分别接入两个惠斯通电桥中，r1、r2为高精度低温漂电阻，r
t1
、r
t2
、r
t3
及r
t4
均为10k欧姆电阻；通过ad采样模块采集热敏电阻ru、rd的两端电压大小；本发明采用16位ad采样模块，输入电压0-5v，即采集到电压为5v时，ad采样模块输出数值为65536，故通过ad采样模块采集ru和rd两端电压并转换成跟电压大小相关的无量纲数值，以此作为流量计算的信号采集输入。
18.s2、利用数学式：，对流量传感器的输出流量q进行计算；其中，为将温控电路的流量传感器输出值转换为流量的映射函数，ofs为零偏函数，f(t)温度补偿修正函数；如图3为本实施例实验设备连接图，本实施例实验过程如下：首先关闭气路隔膜阀，此时，流经测试设备dut的待标定质量流量传感器的真实流量为0，数据采集系统记录此时v
u0
、v
d0
及环境温度t0；本实施例中测试设备dut为流量传感器和温度传感器；其次，开启气路隔膜阀，用流量控制器控制通过流量传感器的流量，用流量标准机检测通过流量传感器的真实流量；再次，用流量控制器控制依次设定流量10%q
f.s
、20%q
f.s
、30%q
f.s
、40%q
f.s
、50%q
f.s
、60%q
f.s
、70%q
f.s
、80%q
f.s
、90%q
f.s
、100%q
f.s
，其中，q
f.s
为满量程流量；通过数据采集系统记录设定流量点时，信号采集输入，流量标准机测量流量值q以及对应温度传感器测得的环境温度t；再次，通过真实流量为0时，分别取v
u0
、v
d0
及环境温度t0（室温20度）和分别取v
u1
、v
d1
及环境温度t1（室温30度）计算出当前流量计的零偏函数ofs中的w1温度漂移系数和w2零点偏移项系数；最后，通过各流量设定点、流量标准机测量流量值q以及对应环境温度t计算出流量映射函数sensx中的系数，得到质量流量传感器的流量计算模型；本实施例中流量传感器型号为fcp-tocm100，对应的c=0.996；热敏电阻温升系数k
=0.0052，tu=67.5℃，计算得到a=1.345596；结合温度传感器测得的周围环境温度t，即可实时计算当前周围温度下的温度补偿修正函数；图4上半图是典型的流量传感器环境温度基准项，随着流体流量q增加而增大，流体流量q由0-100%增加时产生约o.4
×
109（电压相关无量纲数）的波动，图4下半图为本发明的流量传感器环境温度基准项，流体流量q由0-100%增加时产生约o.2
×
109的波动，整体波动幅度降低一半，而且波动较为平缓；因此，可以认为本发明流量传感器环境温度基准项与典型的流量传感器环境温度基准项相比，不易受到流量q的影响，仅相对于周围的温度的变化而大幅度地发生变化。
19.图5的纵轴表示相对于流过导管的实际的流量q的输出误差，横轴表示流过导管的设定的流量q；对于典型的流量传感器环境温度基准项而言，周围的温度越高，则温度的误差变得非常大；流量q由0-100%增加时不同温度的误差范围在1%-11%之间，图6是本发明传感器环境温度基准项的流量q由0-100%增加时不同温度的误差范围在0.9%-1.8%，误差波动范围明显变小；另外，典型的流量传感器环境温度基准项的测试温度分别为10℃、15℃、25℃、35℃；本发明的测试温度的低温测到5℃，高温测到40℃，故实际本发明的数据组实验的低温更低，高温更高，结合15℃、25℃同温对比，5℃、40℃为低、高温对比，说明本发明降低了流量精度受环境温度影响，对周围的温度变化及流量q的变化的抵抗程度大幅提升。
20.本发明的有益效果是在流量传感器上部增加温度传感器，通过温度传感器的温度反馈防止环境温度的变化对流量传感器的测量输出造成干扰，并对环境温度变化导致的零点输出偏移进行修正，提供线性好，测量误差小的流量传感器测量方法。
21.以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。