摘要:傳統(tong)恒溫差式(shi)熱式流量(liang)計 受到測(ce)量電路本(ben)身限制，最(zui)大加熱電(dian)流受限，因(yin)此測量範(fàn)圍有限。設(shè)計研制了(le)一種結合(hé)恒溫差法(fǎ)和恒功率(lǜ)法的熱式(shi)質量流量(liang)計 。該流量(liang)計是基于(yú)托馬斯理(lǐ)論，對功耗(hào)和溫差進(jin)行㊙️采🐪集,從(cóng)而🥰測得流(liú)量。相比于(yu)傳統恒溫(wēn)差式質量(liàng)流量計,該(gāi)流量計在(zài)低流速❤️時(shi)通過對橋(qiáo)式電路電(diàn)壓㊙️差采集(ji)，以控制數(shu)字電位器(qì)改🌂變輸入(ru)總電壓,從(cong)而實現探(tàn)頭間溫度(dù)差恒定，測(cè)量功耗測(ce)得流量;而(er)在高流速(sù)時，通過數(shu)字電位⛹🏻‍♀️器(qì)控制功率(lü)恒定,探測(cè)電路各個(ge)參數✊,從而(ér)計算得到(dao)溫度差,測(ce)得流量👣。該(gai)流量計針(zhen)對内徑80mm的(de)管道,測量(liang)範圍爲0~1500m³/h,量(liang)程約爲傳(chuán)統恒溫差(chà)式流量計(ji)的1.3倍,相對(duì)誤差小于(yú)💁1%，滿足實際(jì)使用需求(qiú)。相比于傳(chuán)統恒功率(lü)式流量計(ji),該流量計(jì)測低流速(sù)時精度更(gèng)高。
　　随着科(ke)學技術和(hé)工業生産(chǎn)的迅猛發(fā)展，氣體質(zhì)量的測量(liang)⛹🏻‍♀️在科學研(yan)究、工業生(shēng)産和日常(cháng)生活中愈(yù)加重要。近(jin)年來，熱🧑🏾‍🤝‍🧑🏼式(shi)質量流❤️量(liang)計憑借其(qi)精度高、大(dà)量程比、便(bian)于安裝維(wéi)護、無機械(xiè)磨損等優(yōu)⭐點成爲當(dang)今研究的(de)熱🏃🏻‍♂️點方向(xiang)。
　　然而很少(shao)有人就同(tong)一口徑的(de)寬量程熱(re)式流量計(jì)進行專門(men)研究。對于(yu)傳統的恒(héng)溫差熱式(shi)質量流量(liang)計，需要改(gǎi)變測速電(diàn)阻的加熱(re)功率來保(bǎo)證溫度差(chà)恒定，但☎️是(shi)由于測量(liang)電路本身(shen)限制，導🌈緻(zhi)最大加熱(rè)電流受限(xian)，因此可精(jing)準測量範(fàn)🌈圍有限［7］。基(ji)于陶瓷基(jī)體薄膜電(dian)阻熱式流(liú)量計，雖然(ran)解決了量(liàng)程上限問(wen)題，但其對(duì)小🙇‍♀️流🌈量無(wu)法測量。而(ér)傳統的恒(héng)功率🛀🏻熱式(shi)質量流量(liàng)計雖然🧡量(liang)程足🈲夠，但(dan)其在測小(xiǎo)流量時采(cǎi)用較大的(de)加熱功率(lǜ)🏃🏻‍♂️，探頭間的(de)自然對🌈流(liu)傳熱不能(neng)忽略，無法(fa)保證小流(liu)量測量精(jing)度。
　　針對以(yǐ)上問題，設(she)計了一種(zhǒng)基于雙測(ce)試原理的(de)熱式質量(liang)流量計。該(gāi)流量計基(ji)于托馬斯(sī)理論，将恒(heng)溫✂️差法和(he)恒功率法(fǎ)相結合🐅，通(tong)常測量時(shí)采用恒溫(wen)差法進行(háng)氣體質量(liàng)測量，通過(guo)數字電位(wèi)器保持兩(liǎng)探頭之間(jiān)的溫差爲(wei)100℃，測量速度(du)探頭的功(gong)耗，根據功(gōng)耗😄與流量(liang)的關系求(qiú)得流量;測(cè)大流速時(shí)自動切換(huàn)至🧑🏾‍🤝‍🧑🏼恒功率(lü)法進行測(cè)量，保持速(su)度💘探頭的(de)功耗，測量(liang)兩探頭之(zhi)間的溫度(dù)差，根據溫(wen)差與流量(liang)的關系求(qiu)得🚶流量。該(gāi)流量計有(yǒu)效地解決(jue)了流量計(jì)✔️量💜程不足(zu)問題，且在(zai)各個測量(liang)區間🔅内的(de)精度都滿(man)足使用需(xū)求♍。
1熱式質(zhì)量流量計(ji)測量原理(li)
　　本熱式質(zhì)量流量計(jì)是基于傳(chuán)統的托馬(mǎ)斯流量計(ji)以改良。熱(re)式氣體質(zhì)量流量計(ji)利用了熱(re)傳導原理(li)，其傳感器(qì)由兩個基(ji)準級熱電(diàn)阻(ＲTD)組成，其(qí)一是速度(du)探頭T1［11］，另一(yi)個是🔞溫度(du)探㊙️頭T2。托馬(mǎ)斯流量計(ji)的原理［12］是(shi)，速度探頭(tóu)因流體流(liú)動而産生(sheng)溫度變化(huà)，測量溫度(du)👄變化來反(fǎn)映質量流(liú)量，或者測(ce)量所需能(néng)量與流體(tǐ)質量之間(jian)的關系。依(yi)據托馬斯(sī)理論，流過(guò)速度探頭(tou)的流量與(yu)🆚速度探頭(tóu)的能量消(xiao)耗可由式(shi)(1)表示。
 
　　式中(zhōng)，Q爲速度探(tàn)頭單位時(shi)間内消耗(hao)的能量，單(dān)位爲🙇🏻J;C爲空(kong)🛀氣的比熱(rè)容，單位爲(wèi)J/(kg·℃);ΔT爲速度探(tan)頭和溫度(dù)探頭🛀🏻之間(jiān)的溫度差(cha)，單位爲℃;ρ爲(wei)密度，單位(wei)爲kg/m3;q爲流經(jing)速度探頭(tóu)的空氣的(de)質量流量(liàng)，單位爲m³/h。
由(you)式(1)可知，C爲(wei)定值，q隻與(yu)Q和ΔT有關。
　　若(ruo)保持兩探(tàn)頭之間的(de)溫度差，則(ze)流量q隻與(yǔ)速度探頭(tóu)的💚功耗Q有(you)關;若保持(chi)速度探頭(tóu)的功耗Q，則(zé)流量q隻與(yǔ)兩探頭之(zhī)間💋的溫🌍度(dù)差ΔT有關。前(qián)者爲恒溫(wēn)差測量原(yuan)理，後者爲(wèi)恒💜功率測(cè)😍量原理。
　　本(ben)文設計的(de)熱式質量(liàng)流量計是(shì)依靠橋式(shì)電路來分(fèn)别實😘現恒(heng)定雙探頭(tóu)之間的溫(wēn)差和控制(zhi)速度探頭(tóu)的功耗，速(sù)度探頭選(xuǎn)用PT20，溫度探(tàn)頭選用PT1000，溫(wen)度補償電(diàn)阻爲Ｒ溫補(bǔ)，鄰橋電阻(zu)分别爲Ｒ1和(he)Ｒ2，原理圖如(ru)圖1所示。
 
　　想(xiang)要保持兩(liang)探頭溫差(cha)，隻要保證(zheng)電橋平衡(heng)即可。由式(shi)(2)可知:當(ＲPT1000+Ｒ溫(wēn)補)×Ｒ2=ＲPT20×Ｒ1時，電橋(qiáo)保持平衡(heng)。當有空氣(qi)流經速度(dù)探頭帶走(zǒu)熱量後，ＲPT20阻(zu)值下降，電(diàn)橋平衡被(bèi)打破。增大(dà)電勢差U1，從(cóng)而🈲增大PT20支(zhi)路電流I1，ＲPT20溫(wen)度上升，阻(zǔ)值增加♋，電(dian)橋平衡;想(xiǎng)要保持速(sù)度探頭的(de)功耗不變(biàn)，隻需在ＲPT20阻(zǔ)值下降後(hòu)減小U1的值(zhí)，使得ＲPT20的功(gōng)耗恒👌定。
　　本(běn)流量計的(de)速度電阻(zu)最大允許(xǔ)電流爲100mA。如(ru)讓雙探頭(tóu)溫差恒定(dìng)100℃，假設當前(qian)環境溫度(du)20℃，速度探頭(tou)溫度爲120℃，根(gen)據鉑電阻(zu)公式(3)可得(dé)
 
　　如上所示(shì)，量程範圍(wei)受最大電(diàn)流限制。想(xiǎng)要拓寬量(liàng)程，不妨将(jiang)兩👌種方法(fa)相結合。在(zài)速度探頭(tou)的電流達(dá)到0.09A之前采(cǎi)用恒溫差(cha)法進行測(cè)量，在0.09A之後(hou)采取恒功(gōng)率法進行(hang)測量。0.09A時速(sù)度探頭功(gong)耗爲0.237W，以此(ci)功耗爲恒(héng)定功耗，流(liú)過速度探(tan)頭的流量(liang)🔴與溫度差(cha)☀️之間的關(guān)系如式(5)和(he)圖3所示，對(duì)于溫差爲(wèi)50～100℃時具有較(jiao)好的靈敏(min)度。溫差爲(wèi)50℃時，此💰時速(sù)度探頭支(zhi)📱路電流爲(wèi)0.096A，小于最大(dà)電流，所測(ce)💃流量爲📐1.31869×10-2m3/h。
 
　　恒(héng)溫差法所(suǒ)測最大量(liàng)程8.14174×10-3m3/h遠遠小(xiǎo)于恒溫差(cha)法和恒功(gong)率📧法相結(jie)合所測量(liàng)程1.31869×10-2m3/h。由此可(ke)得，采用恒(héng)溫差法和(he)恒功率✨法(fǎ)相🍓結合的(de)方法，可以(yi)極大地拓(tuo)寬熱式質(zhi)量流量計(ji)的量程，且(qiě)相比于📱傳(chuan)統恒功率(lü)法，在測小(xiǎo)流量時功(gōng)耗更低。
2硬(yìng)件電路設(she)計
　　系統框(kuang)圖如圖4所(suo)示。電路主(zhǔ)要分爲3部(bu)分:信号調(diào)理電路、電(dian)❄️源電路和(hé)控制電路(lu)。信号調理(lǐ)電路由橋(qiáo)式電路💃和(hé)差分放大(dà)電路組成(cheng);電源電路(lù)由LM317和數字(zì)電位器X9111組(zǔ)成;控制電(dian)路主要以(yi)STM32F103C86T爲核心。雙(shuāng)探頭的阻(zu)值🏃‍♂️随着溫(wēn)度和流量(liàng)的變化而(ér)變化。因此(cǐ)信号調理(lǐ)電路的平(ping)衡被打破(po)，其信号由(you)控制電路(lu)采集進行(háng)判❗斷。STM32根據(jù)當前速度(du)探頭支路(lu)電流進行(hang)判斷。如果(guǒ)小于0.09A，采用(yòng)恒🔞溫差法(fa)，調節電源(yuan)輸入，使得(dé)電橋保持(chi)平衡，采集(jí)電流值，依(yī)據電流與(yǔ)流量之間(jiān)的關系求(qiu)得流量;如(rú)果大于0.09A，采(cǎi)用恒功率(lǜ)法，調節電(diàn)源輸入，使(shǐ)得速度探(tàn)頭功耗恒(héng)定，測得🔴雙(shuang)探頭溫度(du)差，依據溫(wen)度差與流(liu)量之間的(de)關系求得(dé)流量。最後(hòu)所測結果(guǒ)通過USAＲT接口(kou)傳輸至上(shàng)位機。
 
2.1信号(hao)調理電路(lu)
　　信号調理(lǐ)電路如圖(tu)5所示，信号(hao)調理電路(lù)相鄰兩端(duān)😍爲PT20和PT1000，另外(wài)兩端電阻(zu)爲20Ω的電阻(zǔ)Ｒ2和1kΩ的電阻(zǔ)Ｒ1，在PT1000電阻一(yī)端有補償(chang)電阻Ｒ3，Ｒ1和Ｒ2兩(liang)端的電勢(shì)差經差分(fen)放大後爲(wei)🤟U2。差分放大(da)電路👌中Ｒ4=Ｒ6，Ｒ5=Ｒ7。可(ke)調直流電(dian)源提供電(dian)壓U1。無任何(hé)氣體流過(guo)時，速度探(tàn)頭的溫度(du)比溫度探(tan)頭高100℃，補償(chang)電阻Ｒ3保證(zhèng)電橋平衡(heng)，此時電勢(shi)差U2爲0，電勢(shì)差U2由AD7066芯片(pian)進行采集(ji)。Ｒ1、Ｒ2兩端電壓(ya)U3、U4由AD7066采集後(hou)，除去阻值(zhi)即可得到(dào)速度探頭(tou)和溫度探(tan)頭支路電(diàn)流I1和I2。若I1值(zhi)小于0.09A，采用(yòng)恒溫差法(fa)，根據I1值求(qiú)得流量。當(dang)進氣流量(liang)增大時，速(su)度探頭發(fa)生熱對流(liu)，被氣體帶(dai)走一部分(fen)熱量，溫度(dù)♌降低，阻值(zhi)減小，電橋(qiao)平衡被打(da)破。控制電(diàn)☎️路根據電(diàn)💋勢差U2增大(dà)U1輸入，I1增大(dà)使得🤞速度(dù)探頭功耗(hao)增大，溫度(dù)上升🤟，阻值(zhí)上升，電橋(qiao)重新平衡(heng)🔞;而當進氣(qi)流量減小(xiǎo)，速度探頭(tóu)📱溫度升高(gāo)，阻值增加(jia)，則減小U1輸(shū)入，減小I1，減(jian)🈲小速度探(tàn)頭功耗，速(su)度探頭溫(wēn)度降低，阻(zǔ)值減小👨‍❤️‍👨，電(dian)🏃橋重新平(ping)衡。若I1值大(dà)于0.09A，采用恒(heng)功率法進(jìn)行測量，根(gēn)據溫度差(cha)求得流量(liàng)。進氣流量(liàng)增大，速度(du)探頭溫度(dù)降低，阻值(zhí)減🌈小，功耗(hào)增大，減小(xiǎo)U1輸入，使得(de)速度探頭(tou)功耗維持(chi)定值;進氣(qì)流量減小(xiao)，速度探👣頭(tou)溫度升高(gao)，阻值增大(dà)，功耗減小(xiao)，增大U1輸入(rù)，使得速度(dù)探頭功耗(hao)🚶‍♀️維持定值(zhi)。溫度差公(gong)式如式(6)所(suǒ)示。
 
2.2電源電(diàn)路
　　電源電(diàn)路如圖6所(suǒ)示，以LM317爲核(hé)心。LM317是應用(yong)最爲廣泛(fàn)的電源集(ji)成電路之(zhi)一，它不僅(jin)具有固定(ding)式三端穩(wěn)壓電路的(de)最✌️簡單形(xing)式，又具備(bei)輸出電壓(yā)可調的特(te)點✊。此外，還(hai)具有調⭐壓(yā)範圍寬、穩(wěn)壓性能好(hao)🌐、噪聲低、紋(wen)波抑制比(bi)高等優點(dian)。選🛀🏻用數字(zi)電位器X9111作(zuò)爲可調電(diàn)阻ＲL。X9111總共擁(yōng)有1024個軸頭(tou)，采用SPI接口(kǒu)通信，具有(you)使用靈活(huo)、調✂️節精度(du)高等優點(diǎn)。X9111最大阻值(zhí)爲100kΩ，同時其(qi)功耗相比(bǐ)于其他電(dian)位器而言(yán)很低。
 
2.3控制(zhì)電路
　　控制(zhì)電路以STM32F103C8T6爲(wei)核心組成(chéng)最小系統(tong)，引出足夠(gòu)的I/O口以作(zuo)拓展。因爲(wèi)信号調理(lǐ)電路輸出(chū)的電勢差(cha)U2具有正負(fu)極性，所以(yi)🙇‍♀️STM32F103C8T6自帶AD采集(jí)無法滿足(zú)要求，選用(yòng)AD7066芯片🚶‍♀️進行(hang)采❓集。AD7066自帶(dai)數字濾波(bo)器，有8個采(cǎi)集通道，支(zhi)持真正±10V或(huò)±5V的雙極性(xing)信号輸入(ru)電流。AD7066有并(bing)口接線和(he)SPI串口接線(xiàn)兩種接🍓線(xian)方式，此處(chù)采用SPI串口(kǒu)接線。STM32最小(xiǎo)系統與AD7066之(zhi)間的接線(xian)如表1所示(shì)。AD7066的V1～V4口🌈分别(bie)采集U1～U4的電(dian)壓值。STM32通過(guò)對電位器(qì)X9111的ＲL控制改(gai)變電源輸(shū)出電壓大(dà)小。STM32的⚽PB13口接(jiē)X9111的SCK口，PB14口接(jiē)X9111的SO口，PB15口接(jie)SI口。
 
3數據處(chu)理
　　爲了驗(yan)證本流量(liàng)計的可行(háng)性與穩定(ding)性，對流量(liang)計進行系(xì)統性的測(ce)試。每次測(ce)試時間爲(wei)30s，由音速噴(pēn)嘴向管🔞道(dao)均勻吹風(fēng)。測🥵試管🙇🏻道(dào)内徑爲80mm，大(da)氣壓力爲(wei)100.628kPa，室🆚溫爲29.5℃。在(zai)管道前端(duān)由标💯準質(zhi)量測量儀(yi)測得噴嘴(zuǐ)總量，管道(dào)後端本流(liú)量☂️計測瞬(shùn)時✍️流量。待(dai)測試完成(chéng)，調節流速(sù)，繼續下一(yi)組測量💁。測(ce)試平台如(rú)圖7所示，所(suo)測結果如(ru)表2所示。
 
 
　　由(you)表2數據可(kě)知，數據2、3因(yin)爲所測流(liú)量較小，所(suo)以相對誤(wù)差偏大。而(ér)流速超過(guò)42．356m/s後，流量計(jì)轉用恒功(gong)率法測量(liang)，相對誤差(chà)有所減小(xiao)。流量計量(liang)程約爲0～1500m3/h，誤(wù)差在1%之✉️内(nei)，滿足使用(yòng)需求。
　　爲驗(yan)證流量計(ji)穩定性，在(zài)實驗平台(tái)正常工作(zuo)的情況下(xia)調🔴節流速(su)，使得平均(jun)流量在96m3/h的(de)前提下連(lian)續采集6組(zu)瞬時流量(liàng)數據，所測(cè)結果如表(biǎo)3所示。
 
　　由表(biao)3可知，流量(liàng)計所測的(de)瞬時流量(liang)的最大變(bian)化量爲0.142m3/h，具(jù)有較好的(de)穩定性，能(neng)夠準确地(di)對管道瞬(shùn)時流量進(jìn)行測量。
4結(jie)束語
　　本熱(rè)式流量傳(chuán)感器，根據(ju)速度探頭(tóu)支路電流(liú)大小🐆切換(huan)恒溫差法(fa)和恒功率(lü)法對空氣(qi)流量進行(hang)測量。本流(liu)量計相比(bi)于傳統恒(heng)溫差式流(liu)量計，可以(yǐ)在速度探(tàn)頭電
　　流接(jie)近最大值(zhi)時，切換至(zhì)恒功率法(fa)繼續進行(hang)測量，拓寬(kuān)了流量計(jì)的量程。且(qiě)相比于恒(heng)功率流量(liang)計，本流量(liang)🐉計在測小(xiao)流量時功(gōng)耗更低，精(jing)度更高。但(dan)相對于傳(chuan)統的恒溫(wēn)差式熱⚽式(shì)流量計采(cǎi)用三極管(guan)對電流直(zhí)接控☎️制，本(běn)流量計是(shi)通過🔞STM32對電(dian)位器控制(zhi)從而調節(jie)電源輸入(ru)，在響應方(fang)面比起傳(chuán)統恒溫差(cha)式流量計(jì)稍慢，還需(xū)🐇進一步改(gai)進。

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