摘要:傳(chuán)統恒溫差式(shi)熱式流量計(jì) 受到測量電(diàn)路本身限制(zhi)，最大加熱電(dian)流受限，因此(ci)測量範🍉圍有(yǒu)限。設計研制(zhi)了一種結合(he)恒溫差法和(he)恒功率法的(de)熱式質量流(liú)量計 。該流量(liàng)計是基于托(tuo)馬斯理論，對(duì)功耗和溫差(chà)進行采❗集,從(cóng)而測得流量(liàng)。相比于傳統(tong)恒溫差式質(zhì)量流量計,該(gāi)流量計在低(di)流速時通過(guò)對橋式電路(lu)電壓🤟差采集(ji)，以控制數字(zi)電位器改變(biàn)輸入總電壓(ya),從而實現探(tàn)頭🥰間溫度差(cha)恒定，測量功(gōng)耗測得流量(liàng);而在高流速(su)時，通過數字(zì)電位器控制(zhi)功率恒定,探(tàn)測電♋路各個(ge)參數,從🈲而計(ji)算得到溫度(dù)差,測得流量(liàng)。該流量計針(zhēn)對内徑80mm的管(guan)道,測量範圍(wei)爲0~1500m³/h,量程約爲(wèi)傳統恒溫差(chà)式流量計的(de)1.3倍,相對誤差(cha)小于1%，滿足實(shi)際使用需求(qiú)。相比于傳統(tǒng)恒功率式流(liú)量計,該流量(liàng)🌈計測🐇低流速(su)時精度更高(gāo)。
　　随着科學技(ji)術和工業生(shēng)産的迅猛發(fa)展，氣體質量(liàng)的🌏測量在科(ke)學研究、工業(ye)生産和日常(cháng)生活中愈加(jiā)重要。近年來(lai)，熱式質量流(liú)量計憑借其(qi)精度高、大量(liàng)程比、便于安(ān)裝維護、無機(ji)械磨♋損等優(yōu)☔點成爲當今(jin)研究的熱點(dian)方向。
　　然而很(hen)少有人就同(tong)一口徑的寬(kuān)量程熱式流(liú)量計進行專(zhuān)門研究。對于(yú)傳統的恒溫(wēn)差熱式質量(liàng)流量計，需❓要(yao)改變測速電(diàn)阻的加熱功(gōng)率來保證溫(wen)度差恒定，但(dàn)是由于測量(liàng)電路本身⛱️限(xian)制，導緻最大(da)加熱電流受(shòu)限，因此可精(jīng)準測量範圍(wei)有限［7］。基于陶(táo)瓷基體薄膜(mó)電阻熱式流(liú)量計，雖然解(jiě)決了量程上(shang)限問🏃題，但其(qí)對小流量無(wu)法測量。而傳(chuán)統的恒功率(lü)熱式質量流(liu)量計雖然量(liang)程足夠，但其(qí)在♉測小流量(liàng)時采用較大(dà)的加熱功率(lǜ)🈲，探頭間的自(zi)然對流🧡傳熱(rè)不能忽略，無(wú)法🐆保證小流(liu)量測量精度(dù)。
　　針對以上問(wen)題，設計了一(yī)種基于雙測(ce)試原理的熱(rè)式質量流量(liàng)計。該流量計(ji)基于托馬斯(sī)理論，将恒溫(wēn)差法和恒功(gōng)率🥵法相結合(he)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼，通常測量時(shí)采用恒溫差(chà)法進行氣體(tǐ)質量測量，通(tōng)過數👌字電位(wei)器保持兩探(tan)頭之間的溫(wēn)差爲100℃，測量速(su)度探頭的功(gōng)耗，根據功耗(hao)🐉與流量的關(guān)系求得流量(liang);測大流速時(shi)自動切換至(zhì)恒功率法進(jin)行測量，保持(chi)速度探頭的(de)功耗，測量兩(liǎng)探頭之間的(de)溫度差，根據(jù)溫差與流☂️量(liang)的關系求得(dé)流量。該流量(liàng)計有效🌏地解(jiě)決了流量計(ji)🧡量程不足問(wèn)題，且在各個(gè)測量區間内(nèi)的精度都滿(mǎn)足使用需求(qiu)。
1熱式質量流(liu)量計測量原(yuan)理
　　本熱式質(zhì)量流量計是(shi)基于傳統的(de)托馬斯流量(liang)計🧑🏾‍🤝‍🧑🏼以改良。熱(re)式氣體質量(liàng)流量計利用(yòng)了熱傳導原(yuán)理，其傳感器(qì)由兩個基準(zhun)級熱電阻(ＲTD)組(zu)成，其一是速(sù)度🈲探頭T1［11］，另一(yi)個是溫度探(tàn)🐅頭T2。托馬斯流(liu)量計的原理(lǐ)［12］是，速度探頭(tou)因流體流🌍動(dòng)而産生🧡溫度(du)變化，測量溫(wēn)度變化來反(fan)映質量流量(liang)，或者測量所(suǒ)需能量與流(liu)體質量之間(jian)的關系。依據(jù)托馬斯🔴理論(lùn)，流過速度探(tàn)頭💚的流量與(yu)速度探頭的(de)能量消耗可(kě)由式(1)表示。
 
　　式(shì)中，Q爲速度探(tàn)頭單位時間(jian)内消耗的能(neng)量，單位爲🐕J;C爲(wèi)空氣的‼️比熱(rè)容，單位爲J/(kg·℃);ΔT爲(wei)速度探頭和(he)溫度探頭💃之(zhi)間的溫度差(chà)，單位爲℃;ρ爲密(mì)度，單位爲kg/m3;q爲(wei)流經速度探(tan)頭的✏️空氣的(de)質量流量，單(dān)位爲m³/h。
由式(1)可(kě)知，C爲定值，q隻(zhī)與Q和ΔT有關。
　　若(ruò)保持兩探頭(tou)之間的溫度(du)差，則流量q隻(zhi)與速度探頭(tóu)📧的功耗🤟Q有關(guan);若保持速度(dù)探頭的功耗(hao)Q，則流量q隻與(yǔ)兩探頭之間(jian)的溫⭐度差ΔT有(yǒu)關。前者爲恒(heng)溫差測量原(yuán)理，後者爲恒(heng)功率測量原(yuán)理。
　　本文設計(jì)的熱式質量(liàng)流量計是依(yī)靠橋式電路(lù)來分别實現(xiàn)恒定雙探頭(tóu)之間的溫差(chà)和控制速度(du)探頭的功耗(hào)🍓，速度探頭選(xuǎn)用PT20，溫度探頭(tóu)選用PT1000，溫度補(bu)償電阻爲Ｒ溫(wēn)補，鄰🔅橋電阻(zu)分别爲Ｒ1和Ｒ2，原(yuán)理圖如圖1所(suǒ)示。
 
　　想要保持(chi)兩探頭溫差(cha)，隻要保證電(dian)橋平衡即可(ke)。由式(2)可知:當(dāng)(ＲPT1000+Ｒ溫補)×Ｒ2=ＲPT20×Ｒ1時，電橋(qiao)保持平衡。當(dāng)有空氣流經(jīng)速度探頭帶(dài)走熱量後，ＲPT20阻(zǔ)值下降，電橋(qiao)平衡被打破(pò)。增大電勢差(chà)U1，從而增大PT20支(zhi)路電流I1，ＲPT20溫度(dù)上升，阻值增(zēng)加，電橋平衡(heng);想要保持速(su)度探頭的功(gōng)耗不變，隻需(xu)在ＲPT20阻值下降(jiang)後減小U1的值(zhí)，使得ＲPT20的功耗(hao)恒🤩定。
　　本流量(liang)計的速度電(dian)阻最大允許(xu)電流爲100mA。如讓(ràng)雙探🔞頭💛溫差(chà)恒定100℃，假設當(dāng)前環境溫度(dù)20℃，速度探頭溫(wēn)度爲🚶120℃，根據鉑(bo)電阻公式(3)可(ke)得
 
　　如上所示(shi)，量程範圍受(shou)最大電流限(xian)制。想要拓寬(kuan)量程🧑🏽‍🤝‍🧑🏻，不妨🌈将(jiang)兩種方法相(xiang)結合。在速度(dù)探頭的電流(liú)達到0.09A之前采(cai)用恒💛溫差法(fa)進行測量，在(zài)0.09A之後采取恒(héng)功率法進行(háng)測量🏃‍♂️。0.09A時速度(dù)探頭功✍️耗爲(wèi)0.237W，以此功耗爲(wei)恒💜定功耗，流(liú)過速度探頭(tou)的流量與溫(wen)度差之間的(de)關系如式(5)和(hé)圖3所示，對于(yu)溫差爲50～100℃時具(ju)有💜較好的靈(ling)敏❌度。溫差爲(wei)50℃時，此時速度(du)探頭支路電(dian)流爲0.096A，小于最(zuì)大電流，所測(ce)流量爲1.31869×10-2m3/h。
 
　　恒溫(wen)差法所測最(zui)大量程8.14174×10-3m3/h遠遠(yuǎn)小于恒溫差(chà)法和恒功率(lǜ)法相結合所(suo)測量程1.31869×10-2m3/h。由此(cǐ)可得，采用恒(heng)溫差法和恒(héng)功率法相結(jié)合♉的方法，可(kě)以極大地拓(tuo)寬熱式🛀🏻質量(liang)流量計的💁量(liàng)程，且相比于(yú)傳統恒功率(lǜ)法，在測小流(liú)量時功耗更(geng)低。
2硬件電路(lù)設計
　　系統框(kuàng)圖如圖4所示(shì)。電路主要分(fen)爲3部分:信号(hào)調理電路❗、電(dian)源電路和控(kong)制電路。信号(hao)調理電路由(yóu)橋式電路和(he)差分放大電(diàn)路組🈚成;電源(yuán)電路由LM317和數(shù)字電位器X9111組(zǔ)成;控制電路(lu)主要以STM32F103C86T爲核(he)心。雙探頭的(de)阻值随着溫(wēn)度🌈和流量的(de)變化而變化(hua)。因此信号調(diao)理電路的平(píng)衡被打破，其(qí)信号由控制(zhì)電路采集進(jin)行判斷。STM32根據(ju)當前速度探(tàn)頭支路電💃🏻流(liu)進行判斷。如(rú)果小于0.09A，采用(yong)恒溫差法，調(diào)節電源輸入(rù)，使得電橋保(bao)持平衡，采集(ji)電流值，依據(jù)電流與流量(liàng)之間的關系(xì)求得流量;如(rú)果大于0.09A，采用(yòng)恒👄功率法，調(diao)節電源輸入(ru)，使得速度探(tàn)頭功耗恒定(dìng)，測得雙探頭(tou)溫度差，依據(ju)溫度差與流(liú)量之間的關(guan)系求得流量(liàng)。最後所測結(jié)果通🆚過USAＲT接口(kǒu)傳輸至上位(wei)機。
 
2.1信号調理(lǐ)電路
　　信号調(diao)理電路如圖(tu)5所示，信号調(diao)理電路相鄰(lin)兩端爲PT20和PT1000，另(ling)外兩👌端電阻(zu)爲20Ω的電阻Ｒ2和(he)1kΩ的電阻Ｒ1，在PT1000電(dian)阻一端有🌈補(bu)償❤️電阻Ｒ3，Ｒ1和Ｒ2兩(liǎng)端的電勢差(cha)經差分放大(da)後爲U2。差分放(fang)大電路中Ｒ4=Ｒ6，Ｒ5=Ｒ7。可(kě)調直流電源(yuán)提供電壓U1。無(wu)任何氣體流(liu)過時，速度探(tàn)頭的溫度比(bi)溫度探頭高(gao)100℃，補償電阻Ｒ3保(bao)證電橋平衡(heng)，此時電勢差(cha)U2爲0，電🚶‍♀️勢差U2由(you)AD7066芯片進行采(cai)集。Ｒ1、Ｒ2兩端電壓(ya)U3、U4由AD7066采集後，除(chú)去阻值即可(kě)得到速度探(tàn)頭和溫度探(tan)頭支路電流(liú)I1和I2。若I1值小于(yú)0.09A，采用恒溫差(chà)法，根據I1值求(qiú)🚶得流量。當進(jìn)氣流量增大(da)時，速度探頭(tóu)發生熱對流(liú)，被氣體帶走(zou)一部分熱量(liang)㊙️，溫度降低，阻(zǔ)值減小，電橋(qiao)平衡被打破(pò)。控制電路根(gēn)據電勢差U2增(zeng)大U1輸⛷️入，I1增大(dà)使得速度探(tàn)頭功耗增大(da)，溫度上升，阻(zǔ)值上升，電橋(qiao)重新平衡;而(er)當進氣流量(liang)減小，速度探(tan)頭溫度升高(gao)，阻值增加，則(ze)👄減小U1輸入，減(jian)小I1，減小速度(du)探頭功😍耗，速(sù)🏃‍♀️度探頭溫度(dù)降低，阻值減(jian)小，電橋重新(xīn)平衡。若I1值大(dà)于0.09A，采用恒功(gōng)率法進行測(cè)量，根♋據溫度(du)差求🈲得流量(liang)。進氣流量增(zeng)大，速度🚶‍♀️探頭(tou)溫度降低，阻(zu)值減小，功耗(hào)增大，減小‼️U1輸(shu)入，使得速度(du)探頭🏃🏻‍♂️功耗維(wéi)持定值;進氣(qì)🐪流量減小，速(su)度探頭溫度(dù)💛升高，阻值增(zeng)大，功耗減小(xiao)，增大U1輸入，使(shǐ)得速度探頭(tou)功耗⭐維持定(ding)值。溫度差公(gong)式如式(6)所示(shi)。
 
2.2電源電路
　　電(diàn)源電路如圖(tu)6所示，以LM317爲核(he)心。LM317是應用最(zui)爲廣泛的電(dian)源集成電路(lu)之一，它不僅(jǐn)具有固定式(shi)三端穩壓電(dian)路的最簡單(dān)形式，又具備(bèi)輸出電壓可(ke)調的特點。此(cǐ)外，還😘具有調(diào)壓範圍寬、穩(wěn)壓性能好、噪(zào)聲低、紋波抑(yì)制比高🏃‍♂️等優(yōu)點。選用數字(zi)電位器X9111作爲(wei)可調電阻🌈ＲL。X9111總(zǒng)共擁有1024個軸(zhóu)頭，采用SPI接口(kǒu)通信，具有使(shi)用靈活、調節(jiē)精度高等優(yōu)點。X9111最大阻值(zhí)爲100kΩ，同時其功(gōng)耗相♻️比于其(qi)他電位器而(ér)言很低。
 
2.3控制(zhì)電路
　　控制電(dian)路以STM32F103C8T6爲核心(xīn)組成最小系(xì)統，引出足夠(gou)的I/O口以作拓(tuò)㊙️展。因爲信号(hào)調理電路輸(shu)出的電勢差(chà)U2具有正負極(ji)性💃🏻，所以STM32F103C8T6自帶(dài)AD采集無法滿(mǎn)足要求，選用(yong)AD7066芯片進行采(cǎi)集。AD7066自帶數字(zì)濾波器，有8個(gè)采集通道，支(zhi)持真正±10V或±5V的(de)雙🔅極性信号(hào)輸入電流。AD7066有(you)并口接線和(he)SPI串口接線兩(liang)種接線方式(shì)，此處采用SPI串(chuan)口接🔴線。STM32最小(xiǎo)系統😍與AD7066之間(jian)的接線如表(biao)1所示。AD7066的V1～V4口分(fèn)别采集U1～U4的電(diàn)壓值㊙️。STM32通過對(duì)電位器X9111的ＲL控(kòng)制改變電源(yuan)輸出電壓大(dà)小。STM32的PB13口👣接X9111的(de)SCK口，PB14口接X9111的SO口(kou)😍，PB15口接SI口。
 
3數據(ju)處理
　　爲了驗(yan)證本流量計(jì)的可行性與(yu)穩定性，對流(liu)量計進行系(xì)統性❌的測試(shì)。每次測試時(shí)間爲30s，由音速(su)噴嘴向管道(dao)均🔴勻吹風。測(cè)試管道内徑(jìng)爲80mm，大氣壓力(lì)爲100.628kPa，室溫爲29.5℃。在(zai)管道前端由(yóu)标準質量測(cè)量儀測得噴(pen)嘴總量，管道(dao)後端本流量(liàng)🏃🏻‍♂️計測瞬時流(liu)量。待測試完(wán)成，調節流速(sù)，繼續下一組(zǔ)測量。測試平(píng)台如圖7所示(shi)，所測結果如(ru)表2所示。
 
 
　　由表(biao)2數據可知，數(shu)據2、3因爲所測(ce)流量較小，所(suǒ)以相對誤差(chà)偏大。而流速(sù)超過42．356m/s後，流量(liàng)計轉用恒功(gong)率法測🌈量，相(xiàng)對誤差有所(suǒ)減小。流量計(ji)量程約爲0～1500m3/h，誤(wù)差在1%之内，滿(man)足使用需求(qiu)。
　　爲驗證流量(liang)計穩定性，在(zai)實驗平台正(zhèng)常工作的情(qing)🐪況下調節流(liú)速，使得平均(jun)流量在96m3/h的前(qian)提下連續采(cǎi)集6組瞬時流(liu)量🥰數據，所測(ce)結果如表3所(suo)示。
 
　　由表3可知(zhi)，流量計所測(ce)的瞬時流量(liàng)的最大變化(hua)量爲☁️0.142m3/h，具有較(jiao)好的穩定性(xing)，能夠準确地(dì)對管道瞬時(shí)流量進行測(ce)量。
4結束語
　　本(ben)熱式流量傳(chuán)感器，根據速(su)度探頭支路(lù)電流大小🌈切(qiē)換恒溫差法(fǎ)和恒功率法(fǎ)對空氣流量(liàng)進行測量。本(ben)流量計相比(bi)于傳統恒溫(wēn)差式流量計(jì)，可以在速度(du)探頭電
　　流接(jiē)近最大值時(shi)，切換至恒功(gong)率法繼續進(jìn)行測量，拓㊙️寬(kuan)了流🎯量計的(de)量程。且相比(bǐ)于恒功率流(liú)量計，本流量(liang)計在測小流(liú)量時功耗更(gèng)低，精度更高(gāo)。但相對于傳(chuán)統的恒溫差(cha)式熱⭕式流量(liang)計采用三極(jí)管對電流直(zhí)接控制，本流(liu)量計是通過(guo)STM32對電位器控(kong)制從而調節(jiē)電源輸入，在(zài)響應方💁面比(bǐ)起傳統恒溫(wēn)差式流量計(jì)稍慢，還✌️需進(jin)一步改進。

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