摘要:傳統(tǒng)恒溫差式熱式流量計(jì)受到測(cè)量電路本身限制，最大加熱電流受限，因此測(cè)量范圍有限。設(shè)計(jì)研制了一種結(jié)合恒溫差法和恒功率法的熱式質(zhì)量流量計(jì)。該流量計(jì)是基于托馬斯理論，對(duì)功耗和溫差進(jìn)行采集,從而測(cè)得流量。相比于傳統(tǒng)恒溫差式質(zhì)量流量計(jì),該流量計(jì)在低流速時(shí)通過(guò)對(duì)橋式電路電壓差采集，以控制數(shù)字電位器改變輸入總電壓,從而實(shí)現(xiàn)探頭間溫度差恒定，測(cè)量功耗測(cè)得流量;而在高流速時(shí)，通過(guò)數(shù)字電位器控制功率恒定,探測(cè)電路各個(gè)參數(shù),從而計(jì)算得到溫度差,測(cè)得流量。該流量計(jì)針對(duì)內(nèi)徑80mm的管道,測(cè)量范圍為0~1500m³/h,量程約為傳統(tǒng)恒溫差式流量計(jì)的1.3倍,相對(duì)誤差小于1%，滿足實(shí)際使用需求。相比于傳統(tǒng)恒功率式流量計(jì),該流量計(jì)測(cè)低流速時(shí)精度更高。
隨著科學(xué)技術(shù)和工業(yè)生產(chǎn)的迅猛發(fā)展，氣體質(zhì)量的測(cè)量在科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中愈加重要。近年來(lái)，熱式質(zhì)量流量計(jì)憑借其精度高、大量程比、便于安裝維護(hù)、無(wú)機(jī)械磨損等優(yōu)點(diǎn)成為當(dāng)今研究的熱點(diǎn)方向。
然而很少有人就同一口徑的寬量程熱式流量計(jì)進(jìn)行專門(mén)研究。對(duì)于傳統(tǒng)的恒溫差熱式質(zhì)量流量計(jì)，需要改變測(cè)速電阻的加熱功率來(lái)保證溫度差恒定，但是由于測(cè)量電路本身限制，導(dǎo)致最大加熱電流受限，因此可精準(zhǔn)測(cè)量范圍有限［7］。基于陶瓷基體薄膜電阻熱式流量計(jì)，雖然解決了量程上限問(wèn)題，但其對(duì)小流量無(wú)法測(cè)量。而傳統(tǒng)的恒功率熱式質(zhì)量流量計(jì)雖然量程足夠，但其在測(cè)小流量時(shí)采用較大的加熱功率，探頭間的自然對(duì)流傳熱不能忽略，無(wú)法保證小流量測(cè)量精度。
針對(duì)以上問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于雙測(cè)試原理的熱式質(zhì)量流量計(jì)。該流量計(jì)基于托馬斯理論，將恒溫差法和恒功率法相結(jié)合，通常測(cè)量時(shí)采用恒溫差法進(jìn)行氣體質(zhì)量測(cè)量，通過(guò)數(shù)字電位器保持兩探頭之間的溫差為100℃，測(cè)量速度探頭的功耗，根據(jù)功耗與流量的關(guān)系求得流量;測(cè)大流速時(shí)自動(dòng)切換至恒功率法進(jìn)行測(cè)量，保持速度探頭的功耗，測(cè)量?jī)商筋^之間的溫度差，根據(jù)溫差與流量的關(guān)系求得流量。該流量計(jì)有效地解決了流量計(jì)量程不足問(wèn)題，且在各個(gè)測(cè)量區(qū)間內(nèi)的精度都滿足使用需求。
1熱式質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量原理
本熱式質(zhì)量流量計(jì)是基于傳統(tǒng)的托馬斯流量計(jì)以改良。熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)利用了熱傳導(dǎo)原理，其傳感器由兩個(gè)基準(zhǔn)級(jí)熱電阻(ＲTD)組成，其一是速度探頭T1［11］，另一個(gè)是溫度探頭T2。托馬斯流量計(jì)的原理［12］是，速度探頭因流體流動(dòng)而產(chǎn)生溫度變化，測(cè)量溫度變化來(lái)反映質(zhì)量流量，或者測(cè)量所需能量與流體質(zhì)量之間的關(guān)系。依據(jù)托馬斯理論，流過(guò)速度探頭的流量與速度探頭的能量消耗可由式(1)表示。
式中，Q為速度探頭單位時(shí)間內(nèi)消耗的能量，單位為J;C為空氣的比熱容，單位為J/(kg·℃);ΔT為速度探頭和溫度探頭之間的溫度差，單位為℃;ρ為密度，單位為kg/m3;q為流經(jīng)速度探頭的空氣的質(zhì)量流量，單位為m³/h。
由式(1)可知，C為定值，q只與Q和ΔT有關(guān)。
若保持兩探頭之間的溫度差，則流量q只與速度探頭的功耗Q有關(guān);若保持速度探頭的功耗Q，則流量q只與兩探頭之間的溫度差ΔT有關(guān)。前者為恒溫差測(cè)量原理，后者為恒功率測(cè)量原理。
本文設(shè)計(jì)的熱式質(zhì)量流量計(jì)是依靠橋式電路來(lái)分別實(shí)現(xiàn)恒定雙探頭之間的溫差和控制速度探頭的功耗，速度探頭選用PT20，溫度探頭選用PT1000，溫度補(bǔ)償電阻為Ｒ溫補(bǔ)，鄰橋電阻分別為Ｒ1和Ｒ2，原理圖如圖1所示。
想要保持兩探頭溫差，只要保證電橋平衡即可。由式(2)可知:當(dāng)(ＲPT1000+Ｒ溫補(bǔ))×Ｒ2=ＲPT20×Ｒ1時(shí)，電橋保持平衡。當(dāng)有空氣流經(jīng)速度探頭帶走熱量后，ＲPT20阻值下降，電橋平衡被打破。增大電勢(shì)差U1，從而增大PT20支路電流I1，ＲPT20溫度上升，阻值增加，電橋平衡;想要保持速度探頭的功耗不變，只需在ＲPT20阻值下降后減小U1的值，使得ＲPT20的功耗恒定。
本流量計(jì)的速度電阻最大允許電流為100mA。如讓雙探頭溫差恒定100℃，假設(shè)當(dāng)前環(huán)境溫度20℃，速度探頭溫度為120℃，根據(jù)鉑電阻公式(3)可得
如上所示，量程范圍受最大電流限制。想要拓寬量程，不妨將兩種方法相結(jié)合。在速度探頭的電流達(dá)到0.09A之前采用恒溫差法進(jìn)行測(cè)量，在0.09A之后采取恒功率法進(jìn)行測(cè)量。0.09A時(shí)速度探頭功耗為0.237W，以此功耗為恒定功耗，流過(guò)速度探頭的流量與溫度差之間的關(guān)系如式(5)和圖3所示，對(duì)于溫差為50～100℃時(shí)具有較好的靈敏度。溫差為50℃時(shí)，此時(shí)速度探頭支路電流為0.096A，小于最大電流，所測(cè)流量為1.31869×10-2m3/h。
恒溫差法所測(cè)最大量程8.14174×10-3m3/h遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于恒溫差法和恒功率法相結(jié)合所測(cè)量程1.31869×10-2m3/h。由此可得，采用恒溫差法和恒功率法相結(jié)合的方法，可以極大地拓寬熱式質(zhì)量流量計(jì)的量程，且相比于傳統(tǒng)恒功率法，在測(cè)小流量時(shí)功耗更低。
2硬件電路設(shè)計(jì)
系統(tǒng)框圖如圖4所示。電路主要分為3部分:信號(hào)調(diào)理電路、電源電路和控制電路。信號(hào)調(diào)理電路由橋式電路和差分放大電路組成;電源電路由LM317和數(shù)字電位器X9111組成;控制電路主要以STM32F103C86T為核心。雙探頭的阻值隨著溫度和流量的變化而變化。因此信號(hào)調(diào)理電路的平衡被打破，其信號(hào)由控制電路采集進(jìn)行判斷。STM32根據(jù)當(dāng)前速度探頭支路電流進(jìn)行判斷。如果小于0.09A，采用恒溫差法，調(diào)節(jié)電源輸入，使得電橋保持平衡，采集電流值，依據(jù)電流與流量之間的關(guān)系求得流量;如果大于0.09A，采用恒功率法，調(diào)節(jié)電源輸入，使得速度探頭功耗恒定，測(cè)得雙探頭溫度差，依據(jù)溫度差與流量之間的關(guān)系求得流量。最后所測(cè)結(jié)果通過(guò)USAＲT接口傳輸至上位機(jī)。
2.1信號(hào)調(diào)理電路
信號(hào)調(diào)理電路如圖5所示，信號(hào)調(diào)理電路相鄰兩端為PT20和PT1000，另外兩端電阻為20Ω的電阻Ｒ2和1kΩ的電阻Ｒ1，在PT1000電阻一端有補(bǔ)償電阻Ｒ3，Ｒ1和Ｒ2兩端的電勢(shì)差經(jīng)差分放大后為U2。差分放大電路中Ｒ4=Ｒ6，Ｒ5=Ｒ7�？烧{(diào)直流電源提供電壓U1。無(wú)任何氣體流過(guò)時(shí)，速度探頭的溫度比溫度探頭高100℃，補(bǔ)償電阻Ｒ3保證電橋平衡，此時(shí)電勢(shì)差U2為0，電勢(shì)差U2由AD7066芯片進(jìn)行采集。Ｒ1、Ｒ2兩端電壓U3、U4由AD7066采集后，除去阻值即可得到速度探頭和溫度探頭支路電流I1和I2。若I1值小于0.09A，采用恒溫差法，根據(jù)I1值求得流量。當(dāng)進(jìn)氣流量增大時(shí)，速度探頭發(fā)生熱對(duì)流，被氣體帶走一部分熱量，溫度降低，阻值減小，電橋平衡被打破�？刂齐娐犯鶕�(jù)電勢(shì)差U2增大U1輸入，I1增大使得速度探頭功耗增大，溫度上升，阻值上升，電橋重新平衡;而當(dāng)進(jìn)氣流量減小，速度探頭溫度升高，阻值增加，則減小U1輸入，減小I1，減小速度探頭功耗，速度探頭溫度降低，阻值減小，電橋重新平衡。若I1值大于0.09A，采用恒功率法進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)溫度差求得流量。進(jìn)氣流量增大，速度探頭溫度降低，阻值減小，功耗增大，減小U1輸入，使得速度探頭功耗維持定值;進(jìn)氣流量減小，速度探頭溫度升高，阻值增大，功耗減小，增大U1輸入，使得速度探頭功耗維持定值。溫度差公式如式(6)所示。
2.2電源電路
電源電路如圖6所示，以LM317為核心。LM317是應(yīng)用最為廣泛的電源集成電路之一，它不僅具有固定式三端穩(wěn)壓電路的最簡(jiǎn)單形式，又具備輸出電壓可調(diào)的特點(diǎn)。此外，還具有調(diào)壓范圍寬、穩(wěn)壓性能好、噪聲低、紋波抑制比高等優(yōu)點(diǎn)。選用數(shù)字電位器X9111作為可調(diào)電阻ＲL。X9111總共擁有1024個(gè)軸頭，采用SPI接口通信，具有使用靈活、調(diào)節(jié)精度高等優(yōu)點(diǎn)。X9111最大阻值為100kΩ，同時(shí)其功耗相比于其他電位器而言很低。
2.3控制電路
控制電路以STM32F103C8T6為核心組成最小系統(tǒng)，引出足夠的I/O口以作拓展。因?yàn)樾盘?hào)調(diào)理電路輸出的電勢(shì)差U2具有正負(fù)極性，所以STM32F103C8T6自帶AD采集無(wú)法滿足要求，選用AD7066芯片進(jìn)行采集。AD7066自帶數(shù)字濾波器，有8個(gè)采集通道，支持真正±10V或±5V的雙極性信號(hào)輸入電流。AD7066有并口接線和SPI串口接線兩種接線方式，此處采用SPI串口接線。STM32最小系統(tǒng)與AD7066之間的接線如表1所示。AD7066的V1～V4口分別采集U1～U4的電壓值。STM32通過(guò)對(duì)電位器X9111的ＲL控制改變電源輸出電壓大小。STM32的PB13口接X(jué)9111的SCK口，PB14口接X(jué)9111的SO口，PB15口接SI口。
3數(shù)據(jù)處理
為了驗(yàn)證本流量計(jì)的可行性與穩(wěn)定性，對(duì)流量計(jì)進(jìn)行系統(tǒng)性的測(cè)試。每次測(cè)試時(shí)間為30s，由音速噴嘴向管道均勻吹風(fēng)。測(cè)試管道內(nèi)徑為80mm，大氣壓力為100.628kPa，室溫為29.5℃。在管道前端由標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量測(cè)量?jī)x測(cè)得噴嘴總量，管道后端本流量計(jì)測(cè)瞬時(shí)流量。待測(cè)試完成，調(diào)節(jié)流速，繼續(xù)下一組測(cè)量。測(cè)試平臺(tái)如圖7所示，所測(cè)結(jié)果如表2所示。
由表2數(shù)據(jù)可知，數(shù)據(jù)2、3因?yàn)樗鶞y(cè)流量較小，所以相對(duì)誤差偏大。而流速超過(guò)42．356m/s后，流量計(jì)轉(zhuǎn)用恒功率法測(cè)量，相對(duì)誤差有所減小。流量計(jì)量程約為0～1500m3/h，誤差在1%之內(nèi)，滿足使用需求。
為驗(yàn)證流量計(jì)穩(wěn)定性，在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)正常工作的情況下調(diào)節(jié)流速，使得平均流量在96m3/h的前提下連續(xù)采集6組瞬時(shí)流量數(shù)據(jù)，所測(cè)結(jié)果如表3所示。
由表3可知，流量計(jì)所測(cè)的瞬時(shí)流量的最大變化量為0.142m3/h，具有較好的穩(wěn)定性，能夠準(zhǔn)確地對(duì)管道瞬時(shí)流量進(jìn)行測(cè)量。
4結(jié)束語(yǔ)
本熱式流量傳感器，根據(jù)速度探頭支路電流大小切換恒溫差法和恒功率法對(duì)空氣流量進(jìn)行測(cè)量。本流量計(jì)相比于傳統(tǒng)恒溫差式流量計(jì)，可以在速度探頭電
流接近最大值時(shí)，切換至恒功率法繼續(xù)進(jìn)行測(cè)量，拓寬了流量計(jì)的量程。且相比于恒功率流量計(jì)，本流量計(jì)在測(cè)小流量時(shí)功耗更低，精度更高。但相對(duì)于傳統(tǒng)的恒溫差式熱式流量計(jì)采用三極管對(duì)電流直接控制，本流量計(jì)是通過(guò)STM32對(duì)電位器控制從而調(diào)節(jié)電源輸入，在響應(yīng)方面比起傳統(tǒng)恒溫差式流量計(jì)稍慢，還需進(jìn)一步改進(jìn)。
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