基于多通道结构的高精度热式气体流量计研制.pdfVIP

摘要

精密测量技术是新质生产力发展的重要保障，现代工业体系中气信息的测量

和控制作为一项关键技术，依赖于对通道流量的准确检测。在众多流量检测的方式

中，热式气体流量计因其模型小、响应快、精度高等特点已经成为流量检测技术的

重点研究方向。现有的热式气体流量计货架产品多采用单通道测量模式，单通道热

式流量计依赖于单一的传感器来测量气体流量，这可能导致测量精度受限，尤其是

在气体成分变化、温度波动或压力变化的情况下。多通道设计可以通过比较多个传

感器的数据来提高测量精度，并提供更全面的流场信息。本文为改进现有热式气体

流量测量技术，增加小流量测量精度并有效扩大小流量测量量程，开展基于多通道

结构的高精度热式气体流量计的研究设计，取得的主要成果如下：

（1）基于热式气体流量计的测量及流量分配原理，采用COMSOL平台构建仿

真模型，对流量计测量方案、测量通道结构、制作材料及测温元件开展了多维度比

选分析，确定了多通道高精度热式气体流量计基础设计方案。

（2）依据基础设计方案，构建了多通道的高精度热式气体流量计的硬件检测系

统。该系统采用STM32F103ZET6芯片作为核心微处理器，完成了信号采集模块、

信号显示模块、串口通信模块以及信号处理模块设计，并选用电路适配的测温元件、

加热元件、放大器等高精度器件。同时合理规划硬件系统各环节的工作电压和工作

环境温度，最大程度地发挥各个硬件电路的性能，有效提高流量计的测量精度并增

强系统的整体稳定性。

（3）基于搭建好的硬件平台开发多通道高精度热式气体流量计软件系统，将整

个软件系统拆解为上位机与下位机独立开发。使用C语言在Keil-MDK5平台上完

成下位机程序开发，实现流量计数据采集、LCD数据显示、数据存储以及RS-485

通信等关键程序编写。采用QT框架完成软件上位机软件应用程序设计，形成完整

的人机交互界面。

（4）为验证多通道高精度热式气体流量计，设计了性能实验方案并搭建了实验

平台。在实验中对各通道中的流量信号进行了函数标定，并通过LCD显示屏及计

算机界面实时显示。由多组流量数据的采集和分析结果表明，该热式气体流量计在

多个通道上的测量误差都可以控制在2%以内，量程为0-2.95L/min相比于单管道

热流量计的测量量程扩大了10倍，完全满足设计的精度要求。

关键词：热式气体流量计，多通道，单片机，高精度，小流量

ABSTRACT

Precisionmeasurementtechnologyservesasacrucialsafeguardforthedevelopment

ofnew-qualityproductivity.Inthemodernindustrialsystem,themeasurementand

controlofgasinformation,asakeytechnology,relyheavilyontheaccuratedetectionof

channelflowrates.Amongvariousflowdetectionmethods,thermalmassgasflowmeters

havebecomeafocalresearchareaduetotheircompactsize,rapidresponse,andhigh

precision.Existingcommercialthermalmassgasflowmeterspredominantlyemploya

single-channelmeasurementmode,whichreliesonasinglesensortomeasuregasflow,

potentiallylimitingmeasurementaccuracy,especiallyinscenarioswithchanginggas

composition,temperaturefluctuations,orpressurevariations.Amulti-channeldesigncan

enhancemeasurementaccuracybycom