摘要:傳(chuan)統恒溫(wen)差式熱(re)式流量(liang)計
受到(dao)測量電(dian)路本身(shen)限制，最(zui)大加熱(re)電流受(shou)限，因此(ci)🔴測量範(fan)圍有限(xian)。設計研(yan)制了一(yi)種結合(he)恒溫差(cha)法和恒(heng)功💃🏻率法(fa)的熱式(shi)質量流(liu)量計
。該(gai)流量計(ji)是基于(yu)托馬斯(si)理論，對(dui)功耗和(he)溫差進(jin)行♋采集(ji),從而測(ce)得流量(liang)。相比于(yu)傳統恒(heng)溫差式(shi)質量流(liu)⭕量計,該(gai)流量計(ji)在低流(liu)速時通(tong)過對橋(qiao)式電路(lu)電壓差(cha)采集，以(yi)控制💃🏻數(shu)字電位(wei)器改變(bian)輸入總(zong)電壓,從(cong)而實現(xian)探頭間(jian)溫度差(cha)恒定，測(ce)量功耗(hao)測得流(liu)量;而在(zai)高流速(su)時，通過(guo)數字電(dian)位器控(kong)制功率(lü)☁️恒定,探(tan)測電路(lu)各個參(can)數,從🌐而(er)計算得(de)到溫度(du)差,測得(de)流量。該(gai)流量計(ji)針對内(nei)徑80mm的👨❤️👨管(guan)道,測量(liang)範圍爲(wei)0~1500m³/h,量程約(yue)爲傳統(tong)♈恒溫差(cha)式流量(liang)計的1.3倍(bei),相對誤(wu)差小于(yu)1%，滿✨足實(shi)際使用(yong)需求。相(xiang)比于傳(chuan)統恒💯功(gong)率式流(liu)量計,該(gai)流量計(ji)測☁️低流(liu)速時精(jing)度更高(gao)。
随着科(ke)學技術(shu)和工業(ye)生産的(de)迅猛發(fa)展，氣體(ti)質量的(de)🔅測量在(zai)科學研(yan)究、工業(ye)生産和(he)日常生(sheng)活中愈(yu)加重要(yao)📱。近年來(lai)，熱式質(zhi)量流量(liang)計憑借(jie)其精度(du)高、大量(liang)程比、便(bian)⭐于安裝(zhuang)維護、無(wu)♈機械磨(mo)損等優(you)點成爲(wei)當今研(yan)究的熱(re)點方向(xiang)。
然而很(hen)少有人(ren)就同一(yi)口徑的(de)寬量程(cheng)熱式流(liu)量計進(jin)行專門(men)研究。對(dui)于傳統(tong)的恒溫(wen)差熱式(shi)質量流(liu)量計，需(xu)要改變(bian)測速電(dian)阻的☔加(jia)熱功率(lü)來保證(zheng)溫度差(cha)㊙️恒定，但(dan)是由于(yu)測量電(dian)路本身(shen)💃🏻限制，導(dao)緻最大(da)加熱電(dian)流受限(xian)🌐，因此可(ke)精準測(ce)量範圍(wei)有限［7］。基(ji)于陶瓷(ci)基💜體薄(bao)膜電阻(zu)熱式流(liu)量計，雖(sui)然解決(jue)了量程(cheng)上限問(wen)❓題，但其(qi)對小流(liu)量無法(fa)測量。而(er)☔傳統的(de)恒功率(lü)‼️熱式質(zhi)量流量(liang)計雖然(ran)量程足(zu)夠，但其(qi)在測小(xiao)流量時(shi)采用較(jiao)大的加(jia)熱功率(lü)，探頭間(jian)的自然(ran)對🔞流傳(chuan)熱不能(neng)忽略，無(wu)法保證(zheng)小流量(liang)測量精(jing)度。
針對(dui)以上問(wen)題，設計(ji)了一種(zhong)基于雙(shuang)測試原(yuan)理的熱(re)式質量(liang)流量♌計(ji)。該流量(liang)計基于(yu)托馬斯(si)理論，将(jiang)恒溫差(cha)法和恒(heng)功率法(fa)相結合(he)，通常測(ce)量時采(cai)用恒溫(wen)差法進(jin)行氣體(ti)質量測(ce)量，通過(guo)數🥵字電(dian)位器保(bao)持兩探(tan)♊頭之間(jian)的溫差(cha)爲100℃，測量(liang)速度探(tan)頭的功(gong)耗，根據(ju)功耗與(yu)流量的(de)關系求(qiu)得流量(liang);測大流(liu)速時自(zi)動切換(huan)至🌈恒功(gong)率法進(jin)行測量(liang)，保持速(su)度探頭(tou)的功耗(hao)，測量兩(liang)探頭之(zhi)間的溫(wen)度差，根(gen)據溫差(cha)與流量(liang)的關系(xi)求得🚶流(liu)量。該流(liu)量計有(you)效地解(jie)決了流(liu)量計㊙️量(liang)程不足(zu)問♍題，且(qie)在各個(ge)測量區(qu)間内的(de)精🔴度都(dou)滿足使(shi)用需求(qiu)⛹🏻♀️。
1熱式質(zhi)量流量(liang)計測量(liang)原理
本(ben)熱式質(zhi)量流量(liang)計是基(ji)于傳統(tong)的托馬(ma)斯流量(liang)計以改(gai)良。熱式(shi)氣體質(zhi)量流量(liang)計利用(yong)了熱傳(chuan)導原理(li)❗，其傳♌感(gan)器由兩(liang)個基準(zhun)級🏃♂️熱電(dian)阻(ＲTD)組成(cheng)，其一是(shi)速度探(tan)頭T1［11］，另一(yi)個是⭐溫(wen)度探頭(tou)T2。托馬斯(si)流量計(ji)的原理(li)［12］是，速度(du)探頭因(yin)流體流(liu)動而産(chan)生溫度(du)變化，測(ce)量溫度(du)❤️變化來(lai)反映質(zhi)量流量(liang)，或者測(ce)量所需(xu)能量與(yu)流體🐅質(zhi)量之間(jian)的關系(xi)。依據托(tuo)馬斯理(li)論，流過(guo)速度探(tan)頭的流(liu)量與速(su)度探頭(tou)的能量(liang)消耗可(ke)🧑🏾🤝🧑🏼由式(1)表(biao)示。
式中(zhong)，Q爲速度(du)探頭單(dan)位時間(jian)内消耗(hao)的能量(liang)，單位爲(wei)J;C爲空氣(qi)的比熱(re)容，單位(wei)爲J/(kg·℃);ΔT爲速(su)度探頭(tou)和溫度(du)探頭☁️之(zhi)間的溫(wen)度差👈，單(dan)位🏃♂️爲℃;ρ爲(wei)密度，單(dan)位爲kg/m3;q爲(wei)流經速(su)度💜探頭(tou)的空氣(qi)的質量(liang)流量，單(dan)位爲m³/h。
由(you)式(1)可知(zhi)，C爲定值(zhi)，q隻與Q和(he)ΔT有關。
若(ruo)保持兩(liang)探頭之(zhi)間的溫(wen)度差，則(ze)流量q隻(zhi)與速度(du)探頭的(de)功耗Q有(you)🌈關;若保(bao)持速度(du)探頭的(de)功耗Q，則(ze)流量q隻(zhi)與兩探(tan)頭之間(jian)🈲的溫度(du)差🛀🏻ΔT有關(guan)。前者爲(wei)恒溫差(cha)測量原(yuan)理，後♉者(zhe)爲恒功(gong)率測量(liang)原理。
本(ben)文設計(ji)的熱式(shi)質量流(liu)量計是(shi)依靠橋(qiao)式電路(lu)來分别(bie)實現🌂恒(heng)定雙探(tan)頭之間(jian)的溫差(cha)和控制(zhi)速度探(tan)頭的功(gong)耗，速度(du)探頭選(xuan)用🌂PT20，溫度(du)探頭選(xuan)用PT1000，溫度(du)補償電(dian)阻爲Ｒ溫(wen)補，鄰橋(qiao)電阻♊分(fen)别爲🔱Ｒ1和(he)Ｒ2，原理圖(tu)如圖1所(suo)示。
想要(yao)保持兩(liang)探頭溫(wen)差，隻要(yao)保證電(dian)橋平衡(heng)即可。由(you)式(2)可知(zhi):當(ＲPT1000+Ｒ溫🧑🏽🤝🧑🏻補(bu))×Ｒ2=ＲPT20×Ｒ1時，電橋(qiao)保持平(ping)衡。當有(you)空氣流(liu)經速度(du)探頭帶(dai)走熱🌂量(liang)後，ＲPT20阻值(zhi)下降，電(dian)橋平衡(heng)被打破(po)。增🌐大電(dian)勢差U1，從(cong)而增大(da)PT20支⛷️路電(dian)流I1，ＲPT20溫度(du)上升，阻(zu)值增加(jia)，電橋平(ping)衡;想要(yao)保持速(su)度探頭(tou)的功耗(hao)不變，隻(zhi)需在⭐ＲPT20阻(zu)值下降(jiang)後減小(xiao)U1的值，使(shi)得ＲPT20的功(gong)耗恒定(ding)。
本流量(liang)計的速(su)度電阻(zu)最大允(yun)許電流(liu)爲100mA。如讓(rang)雙探🙇♀️頭(tou)溫差恒(heng)定100℃，假設(she)當前環(huan)境溫度(du)20℃，速度探(tan)頭溫度(du)爲120℃，根據(ju)鉑電阻(zu)公式(3)可(ke)得
如上(shang)所示，量(liang)程範圍(wei)受最大(da)電流限(xian)制。想要(yao)拓寬量(liang)程，不妨(fang)将兩種(zhong)方法相(xiang)結合。在(zai)速度探(tan)頭的電(dian)流達到(dao)0.09A之前采(cai)用恒👅溫(wen)差法進(jin)行測量(liang)，在0.09A之後(hou)采取恒(heng)功率法(fa)進行測(ce)量。0.09A時速(su)度🏃♂️探頭(tou)功耗爲(wei)0.237W，以此功(gong)耗爲恒(heng)定功耗(hao)，流🔞過速(su)度探頭(tou)的流量(liang)與溫度(du)差之間(jian)的關系(xi)如式(5)和(he)圖3所示(shi)，對于溫(wen)差爲50～100℃時(shi)具有❄️較(jiao)好的靈(ling)敏🐕度。溫(wen)差爲50℃時(shi)，此時速(su)度探頭(tou)支路電(dian)流爲0.096A，小(xiao)于最大(da)電流，所(suo)測流量(liang)爲1.31869×10-2m3/h。
恒溫(wen)差法所(suo)測最大(da)量程8.14174×10-3m3/h遠(yuan)遠小于(yu)恒溫差(cha)法和恒(heng)功✊率法(fa)相結合(he)所測量(liang)程1.31869×10-2m3/h。由此(ci)可得，采(cai)用恒溫(wen)差法和(he)恒功率(lü)法相結(jie)合的方(fang)法，可以(yi)極大地(di)拓寬熱(re)式質量(liang)流量計(ji)的量程(cheng)，且相比(bi)于傳統(tong)恒功率(lü)法，在測(ce)🌈小流量(liang)時功耗(hao)更低🈲。
2硬(ying)件電路(lu)設計
系(xi)統框圖(tu)如圖4所(suo)示。電路(lu)主要分(fen)爲3部分(fen):信号調(diao)理電路(lu)、電源電(dian)路和控(kong)制電路(lu)。信号調(diao)理電路(lu)由橋式(shi)☀️電路和(he)差分放(fang)大電路(lu)組成;電(dian)源電路(lu)由LM317和數(shu)字電位(wei)器X9111組成(cheng);控制電(dian)路主要(yao)以STM32F103C86T爲核(he)心。雙⚽探(tan)頭的阻(zu)值随着(zhe)溫度和(he)流量的(de)變化而(er)變化。因(yin)此信号(hao)調理電(dian)路的平(ping)衡被打(da)破，其信(xin)号由控(kong)制電路(lu)采集進(jin)行判斷(duan)。STM32根據當(dang)前速度(du)探頭支(zhi)路電❤️流(liu)進行判(pan)斷。如果(guo)小于0.09A，采(cai)用恒溫(wen)差法，調(diao)節電🌈源(yuan)輸入，使(shi)得電橋(qiao)保持平(ping)🔞衡，采集(ji)電流值(zhi)，依據電(dian)流與流(liu)量之間(jian)的關系(xi)求得流(liu)量;如果(guo)大于0.09A，采(cai)用恒功(gong)率法，調(diao)節電源(yuan)輸入，使(shi)得💞速度(du)探頭功(gong)耗恒定(ding)，測得雙(shuang)探頭溫(wen)度差，依(yi)據溫度(du)🐇差與流(liu)量之間(jian)的關系(xi)求得✉️流(liu)量。最後(hou)所測結(jie)果通過(guo)USAＲT接口傳(chuan)輸至上(shang)位機。
2.1信(xin)号調理(li)電路
信(xin)号調理(li)電路如(ru)圖5所示(shi)，信号調(diao)理電路(lu)相鄰兩(liang)端爲PT20和(he)PT1000，另⛱️外兩(liang)端電阻(zu)爲20Ω的電(dian)阻Ｒ2和1kΩ的(de)電阻Ｒ1，在(zai)PT1000電阻一(yi)端有補(bu)償電阻(zu)Ｒ3，Ｒ1和Ｒ2兩端(duan)的電勢(shi)差經差(cha)分放大(da)後爲U2。差(cha)分放🏃大(da)電路中(zhong)Ｒ4=Ｒ6，Ｒ5=Ｒ7。可調直(zhi)流電源(yuan)提供電(dian)壓U1。無任(ren)何氣體(ti)流過時(shi)，速度探(tan)頭的溫(wen)度比溫(wen)度探🚶♀️頭(tou)高100℃，補償(chang)電阻Ｒ3保(bao)證電🏃♂️橋(qiao)平衡，此(ci)時電勢(shi)差U2爲0，電(dian)勢差U2由(you)AD7066芯片進(jin)行采集(ji)。Ｒ1、Ｒ2兩⚽端電(dian)壓U3、U4由AD7066采(cai)集後，除(chu)去阻值(zhi)即可得(de)到速度(du)探頭和(he)溫度💔探(tan)頭支路(lu)電流I1和(he)I2。若I1值小(xiao)于0.09A，采用(yong)恒溫差(cha)法，根據(ju)I1值求得(de)流量。當(dang)進氣流(liu)量增大(da)時，速度(du)探頭發(fa)生熱對(dui)流，被氣(qi)體帶走(zou)一部分(fen)熱量，溫(wen)度降低(di)，阻值減(jian)小，電🌈橋(qiao)平衡被(bei)打破。控(kong)制電路(lu)根據電(dian)勢差U2增(zeng)大U1輸入(ru)，I1增大使(shi)得速度(du)探頭功(gong)耗增大(da)，溫度🌐上(shang)升，阻值(zhi)上升，電(dian)橋重新(xin)平衡;而(er)當進氣(qi)流量減(jian)小，速度(du)探頭溫(wen)度升高(gao)，阻值增(zeng)加，則減(jian)小U1輸🏃🏻♂️入(ru)，減小I1，減(jian)小速度(du)探頭功(gong)耗，速度(du)探頭溫(wen)度降低(di)，阻值減(jian)小，電橋(qiao)重新平(ping)衡。若I1值(zhi)大于0.09A，采(cai)用恒功(gong)率法進(jin)行測量(liang)，根據溫(wen)度差求(qiu)得流量(liang)。進氣流(liu)量增大(da)，速度探(tan)頭溫度(du)降低，阻(zu)值減小(xiao)，功耗增(zeng)大，減小(xiao)U1輸入，使(shi)得速度(du)探頭💛功(gong)耗維持(chi)定值;進(jin)氣流量(liang)減小，速(su)度探🈲頭(tou)溫度⭐升(sheng)高，阻值(zhi)增大，功(gong)耗減小(xiao)，增大U1輸(shu)入，使得(de)速度探(tan)頭功耗(hao)🈲維持定(ding)值。溫度(du)差公式(shi)如式(6)所(suo)示。
2.2電源(yuan)電路
電(dian)源電路(lu)如圖6所(suo)示，以LM317爲(wei)核心。LM317是(shi)應用最(zui)爲廣泛(fan)的電源(yuan)集成電(dian)路之一(yi)，它不僅(jin)具有固(gu)定式三(san)端穩壓(ya)電路的(de)最簡單(dan)㊙️形式，又(you)具備輸(shu)出電壓(ya)可調的(de)特點。此(ci)外，還具(ju)有調壓(ya)範圍寬(kuan)、穩壓性(xing)能好、噪(zao)聲低、紋(wen)波❄️抑制(zhi)比高等(deng)優點。選(xuan)用數字(zi)電位器(qi)X9111作爲👉可(ke)調電阻(zu)ＲL。X9111總共擁(yong)有1024個軸(zhou)頭，采用(yong)SPI接口通(tong)信，具有(you)使用靈(ling)活、調節(jie)精度高(gao)等優點(dian)。X9111最大阻(zu)值爲100kΩ，同(tong)時其功(gong)耗相比(bi)于其他(ta)電位器(qi)而言很(hen)低。
2.3控制(zhi)電路
控(kong)制電路(lu)以STM32F103C8T6爲核(he)心組成(cheng)最小系(xi)統，引出(chu)足夠的(de)I/O口以作(zuo)拓展。因(yin)爲信号(hao)調理電(dian)路輸出(chu)的電勢(shi)差U2具有(you)正負極(ji)性，所以(yi)STM32F103C8T6自帶AD采(cai)集無法(fa)滿足要(yao)求，選用(yong)AD7066芯片進(jin)行采🌐集(ji)。AD7066自帶♻️數(shu)字濾✊波(bo)器，有8個(ge)采集通(tong)道，支持(chi)真正±10V或(huo)±5V的雙極(ji)性信号(hao)輸入電(dian)流。AD7066有并(bing)口接線(xian)和SPI串口(kou)🙇♀️接線兩(liang)種接線(xian)方式，此(ci)處采用(yong)SPI串口接(jie)🙇♀️線。STM32最小(xiao)系統與(yu)AD7066之間的(de)接線如(ru)表1所示(shi)。AD7066的V1～V4口分(fen)别采集(ji)U1～U4的電壓(ya)值。STM32通過(guo)對電位(wei)器X9111的ＲL控(kong)制改變(bian)電源輸(shu)出電壓(ya)大小。STM32的(de)PB13口接X9111的(de)SCK口，PB14口接(jie)X9111的SO口㊙️，PB15口(kou)接SI口。
3數(shu)據處理(li)
爲了驗(yan)證本流(liu)量計的(de)可行性(xing)與穩定(ding)性，對流(liu)量計進(jin)行系統(tong)性的測(ce)試。每次(ci)測試時(shi)間爲30s，由(you)音速噴(pen)嘴向管(guan)道均勻(yun)吹風。測(ce)試管道(dao)内徑爲(wei)80mm，大氣壓(ya)力爲100.628kPa，室(shi)溫爲29.5℃。在(zai)管道前(qian)端由标(biao)準質量(liang)測量儀(yi)測得噴(pen)嘴總量(liang)，管道後(hou)⛱️端本流(liu)量計測(ce)瞬時💘流(liu)量。待測(ce)試完成(cheng)，調節流(liu)速，繼續(xu)下一組(zu)測量。測(ce)試平台(tai)如圖7所(suo)示，所測(ce)結果如(ru)表2所示(shi)🤞。
由表2數(shu)據可知(zhi)，數據2、3因(yin)爲所測(ce)流量較(jiao)小，所以(yi)相對誤(wu)差偏大(da)。而流速(su)超過42．356m/s後(hou)，流量計(ji)轉用恒(heng)功率法(fa)測量，相(xiang)對誤差(cha)有🐆所減(jian)小。流量(liang)計量程(cheng)約爲0～1500m3/h，誤(wu)差在1%之(zhi)内，滿足(zu)使用需(xu)求。
爲驗(yan)證流量(liang)計穩定(ding)性，在實(shi)驗平台(tai)正常工(gong)作的情(qing)況下調(diao)節流💋速(su)，使得平(ping)均流量(liang)在96m3/h的前(qian)提下連(lian)續采集(ji)6組瞬時(shi)流量數(shu)據，所測(ce)結果如(ru)表3所示(shi)。
由表3可(ke)知，流量(liang)計所測(ce)的瞬時(shi)流量的(de)最大變(bian)化量🌈爲(wei)0.142m3/h，具有較(jiao)好的穩(wen)定性，能(neng)夠準确(que)地對管(guan)道瞬時(shi)流量進(jin)㊙️行測量(liang)。
4結束語(yu)
本熱式(shi)流量傳(chuan)感器，根(gen)據速度(du)探頭支(zhi)路電流(liu)大小🤩切(qie)換恒溫(wen)🏃♀️差法和(he)恒功率(lü)法對空(kong)氣流量(liang)進行測(ce)量。本流(liu)⁉️量計相(xiang)比于傳(chuan)統恒溫(wen)差式流(liu)量計，可(ke)以在速(su)度探頭(tou)電
流接(jie)近最大(da)值時，切(qie)換至恒(heng)功率法(fa)繼續進(jin)行測量(liang)，拓寬了(le)流量計(ji)的量程(cheng)。且相比(bi)于恒功(gong)率流量(liang)計，本流(liu)量🌏計在(zai)測小流(liu)量時功(gong)耗更低(di)，精度更(geng)高。但相(xiang)對于傳(chuan)統♊的恒(heng)溫差式(shi)熱式流(liu)量計采(cai)用㊙️三極(ji)管對電(dian)流直接(jie)控制，本(ben)流量計(ji)是通過(guo)STM32對電位(wei)器♍控制(zhi)從而調(diao)節電源(yuan)輸入，在(zai)響應方(fang)❓面比起(qi)傳統恒(heng)溫差式(shi)流㊙️量計(ji)稍慢，還(hai)需進一(yi)步改進(jin)。
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