热式气体质量流量计的研制

【摘要】： 热式气体质量流量计(Thermal Mass Flowmeter)基于对流换热的原理测量气体流量,起源于60年代末期。随着微电子技术的发展,测量手段和补偿方法得到了很大的提高。热式气体质量流量计具有可测微小流量、稳定性和可靠性高、压力损失极小、量程比高、安装方便、重复性好、造价合理等特点,广泛应用于半导体工业领域中气体流量的测量,如空气、天然气、煤气、汽车尾气、医疗事业中的氧气和麻痹剂、采暖通风的测量,以及混合气体的测量。 本课题设计了一种具有自动温度补偿能力的热式气体质量流量计。在确定设计方案之前对国内外的学术文献和研究成果进行了大量的调研和分析,力求在结构简单、成本合理的基础下,尽量提高流量计的精确度和可靠性。 设计初期本文对热式质量流量计的测量原理进行了详细的介绍和分类,在此基础上按照采样电路将设计方案分为恒流测量法和恒温测量法两类。通过分别建立物理模型、对比仿真数据和曲线姿态,确立了本课题的设计方案,并在此基础上提出了新型的温度补偿电路。为提高测量的可靠性,本课题采用了多点式分布的测量方法。 硬件设计方面以TI公司的MSP430单片机为核心,采用模块化设计的思想,将设计方案分为采样模块、运算显示模块以及通信模块。采样模块与测量端相连,将所测的流量变化转换为电压信号,并通过信号调整和高精度的采样得到输入信号;运算模块通过对输入信号的分析和运算得到瞬时流速和累计流量,并通过带有键盘和LCD的人机对话界面进行在线显示;通信模块主要负责将所测流量转换为模拟量和上位机通信。软件设计包括AD转换、流量计算、主从机通信程序等。和硬件部分一样采用模块化的设计,以便于系统的维护和升级。 本课题最后设计了实验平台对样机的性能进行了测试,检验了设计的灵敏度和精确度,以及自动温度补偿的可靠性。并通过对试验数据进行了分析和曲线拟合。试验结果显示本课题所设计的热式气体质量流量计的综合性能基本达到了预期的设计目标。