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(she)計研制了(le)一種結合(hé)恒溫差法(fa)和恒功率(lü)法的熱式(shi)質量流量(liang)計 。該流量(liang)計是基于(yu)托馬斯理(li)論，對功耗(hao)和溫差進(jìn)行采集,從(cóng)而🧡測得流(liú)量。相比于(yu)傳統恒溫(wen)差式質量(liàng)流量計,該(gai)流量計在(zài)低流速💋時(shí)通過對橋(qiao)式電路電(diàn)壓🔴差采集(jí)🛀🏻，以控制數(shu)字電👈位器(qi)改變輸入(ru)🥵總電壓,從(cong)而✍️實現探(tan)頭💋間溫度(dù)差恒定，測(ce)量🏃‍♂️功耗測(cè)得❗流量;而(ér)在高流速(su)時，通過數(shù)字電位器(qi)控制功率(lü)恒定,探測(ce)電路各個(gè)參數,從而(ér)計算得到(dào)溫度差,測(cè)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(liàng)程約爲傳(chuán)統恒溫差(chà)式流量計(ji)的☂️1.3倍,相對(dui)誤差小于(yú)1%，滿足實際(jì)使用需求(qiu)。相比于傳(chuán)統恒功率(lǜ)式♈流量計(ji),該流量🥵計(ji)測✨低流速(sù)時精度更(gèng)高。
　　随着科(ke)學技術和(he)工業生産(chan)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(chang)生活中愈(yu)加重要💛。近(jin)年🥵來，熱式(shi)質量流量(liàng)計憑借其(qi)精度高、大(da)量程比、便(biàn)🍉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(tóng)一口徑的(de)寬量程熱(rè)式流量計(jì)進行專門(mén)研究。對于(yu)傳統的恒(héng)溫差熱式(shì)質量流量(liàng)計，需要改(gai)變測🚶‍♀️速電(diàn)阻的加熱(rè)功率來保(bao)證溫度差(cha)♉恒定，但是(shi)由于🚶測量(liàng)電路本身(shen)限制，導緻(zhi)最大加熱(re)🍓電流受限(xian)，因此可精(jing)🛀準測量範(fan)🙇🏻圍有限［7］。基(jī)于陶瓷基(jī)💋體薄膜電(diàn)阻熱式流(liú)量計，雖然(ran)解決了量(liang)程上限問(wen)🐇題，但其對(duì)小流量無(wu)法測量。而(er)傳統的恒(héng)功率熱式(shì)質量流量(liang)計雖然💃🏻量(liang)程足夠，但(dan)其在測小(xiao)流量時采(cǎi)用較大的(de)加熱功率(lü)💜，探頭間的(de)自然對流(liú)傳熱不能(néng)忽略，無法(fa)🏒保證小流(liu)量💃🏻測量精(jing)度。
　　針對以(yi)上問題，設(she)計了一種(zhong)基于雙測(cè)試原理的(de)熱式質量(liàng)流量計。該(gāi)流量計基(ji)于托馬斯(sī)理論，将恒(héng)溫差法和(hé)恒功率💛法(fa)相結合，通(tōng)常測量時(shi)采用恒溫(wen)差法進行(hang)氣體質‼️量(liàng)測量，通過(guò)數字電位(wei)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(gōng)耗，根據功(gong)耗與流量(liàng)的關💘系求(qiú)得流量;測(cè)大流速時(shi)自動切換(huan)至恒功率(lǜ)法進💋行測(ce)量，保持速(sù)度🌈探頭的(de)功耗，測量(liang)兩探頭之(zhi)間的溫度(dù)差，根據溫(wēn)差與流量(liàng)的關系求(qiu)得流量。該(gāi)流量計有(you)效地解決(jué)了流量計(jì)量✂️程不足(zú)問題，且在(zai)各個測量(liàng)區間☂️内的(de)精度都滿(mǎn)足使用需(xū)求。
1熱式質(zhi)量流量計(jì)測量原理(li)
　　本熱式質(zhì)量流量計(ji)是基于傳(chuan)統的托馬(ma)斯流量計(ji)㊙️以改良✍️。熱(rè)式氣體質(zhi)量流量計(jì)利用了熱(rè)傳導原理(li)，其傳感器(qi)由兩⛹🏻‍♀️個基(jī)準級熱電(dian)阻(ＲTD)組成，其(qí)一是速度(du)探頭T1［11］，另一(yī)個是溫度(du)探頭T2。托馬(ma)斯流量計(jì)的原理［12］是(shì)，速度探頭(tou)⛷️因流體流(liu)動而産生(shēng)溫度變化(hua)，測量溫度(du)🏒變化來反(fǎn)映質量流(liú)量，或者測(ce)量所需能(neng)量與流體(ti)質量之間(jian)的🏃🏻‍♂️關❄️系。依(yī)據托馬斯(sī)理論，流過(guo)速度✔️探頭(tou)的流量與(yu)速度探頭(tou)的能量消(xiāo)耗可由式(shì)(1)表示。
 
　　式中(zhōng)，Q爲速度探(tan)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(re)容，單位爲(wei)J/(kg·℃);ΔT爲速度探(tan)頭和溫度(du)探頭🚶之間(jiān)🈲的溫度差(chà)🈚，單位爲℃;ρ爲(wei)密度，單位(wei)爲kg/m3;q爲流經(jīng)速度探頭(tou)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(yǔ)Q和ΔT有關。
　　若(ruo)保持兩探(tan)頭之間的(de)溫度差，則(ze)流量q隻與(yǔ)速度探頭(tou)的🍉功耗Q有(you)關;若保持(chi)速度探頭(tou)的功耗Q，則(ze)流量q隻與(yǔ)兩探頭之(zhi)間的溫度(dù)差🈲ΔT有關。前(qián)者爲恒溫(wēn)差測量原(yuán)理，後🔞者爲(wèi)恒功率測(ce)量原理。
　　本(běn)文設計的(de)熱式質量(liàng)流量計是(shì)依靠橋式(shi)電路來分(fèn)别實👌現恒(héng)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(wēn)度補償電(diàn)阻爲Ｒ溫補(bu)，鄰橋電阻(zu)分别爲Ｒ1和(he)Ｒ2，原理✉️圖如(rú)圖1所示。
 
　　想(xiang)要保持兩(liang)探頭溫差(cha)，隻要保證(zhèng)電橋平衡(heng)即可。由式(shì)(2)可知💁:當(ＲPT1000+Ｒ溫(wēn)補)×Ｒ2=ＲPT20×Ｒ1時，電橋(qiao)保持平衡(héng)。當有空氣(qì)流經速度(dù)探頭帶走(zou)熱量後✨，ＲPT20阻(zu)值下降，電(diàn)橋平衡被(bei)打破。增大(da)電勢差U1，從(cóng)而🔞增大PT20支(zhī)路電流I1，ＲPT20溫(wen)度上升，阻(zu)值增加，電(dian)橋平衡;想(xiǎng)要保持速(su)度探頭的(de)功耗不變(biàn)，隻需在ＲPT20阻(zǔ)值下降後(hou)減小U1的值(zhi)，使得ＲPT20的功(gong)耗恒定。
　　本(ben)流量計的(de)速度電阻(zǔ)最大允許(xǔ)電流爲100mA。如(rú)讓雙探頭(tou)📧溫差恒定(ding)100℃，假設當前(qian)環境溫度(dù)20℃，速度探頭(tou)溫度爲120℃，根(gen)據鉑電阻(zǔ)公式(3)可🏃🏻得(de)
 
　　如上所示(shì)，量程範圍(wéi)受最大電(diàn)流限制。想(xiang)要拓寬量(liang)程，不妨将(jiāng)兩種方法(fǎ)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(chà)法進行測(ce)量，在0.09A之後(hou)采取恒功(gong)率法進行(háng)測量♊。0.09A時速(sù)度探頭功(gōng)耗爲0.237W，以✌️此(cǐ)功耗爲恒(heng)🏃‍♂️定功耗，流(liú)過速度探(tàn)頭的流量(liàng)與溫度差(chà)之間的關(guan)系如式(5)和(he)圖3所示，對(dui)于溫差爲(wèi)50～100℃時具有👈較(jiao)好的靈敏(mǐn)度。溫差爲(wèi)50℃時，此時速(su)度探頭支(zhi)路電流爲(wèi)0.096A，小于最大(da)電流，所測(ce)流量爲☁️1.31869×10-2m3/h。
 
　　恒(héng)溫差法所(suo)測最大量(liang)程8.14174×10-3m3/h遠遠小(xiao)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(kě)得，采用恒(héng)溫差法和(hé)恒功率法(fa)相結合的(de)方法，可以(yi)極大地拓(tuò)寬熱式質(zhi)量流量計(ji)的量程，且(qie)🔞相比于傳(chuan)統恒功率(lǜ)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(kuàng)圖如圖4所(suǒ)示。電路主(zhu)要分爲3部(bu)分:信号調(diao)理電路、電(diàn)源電路和(he)控制電路(lu)。信号調理(li)電路由橋(qiáo)式🐪電路和(he)差分放大(da)電路組成(chéng);電源電路(lù)由LM317和數字(zi)電位器X9111組(zu)🥵成;控制電(dian)路主要以(yi)STM32F103C86T爲核心。雙(shuang)探頭的阻(zu)值随着溫(wen)度和流量(liàng)的變化而(er)變化。因此(ci)信🔴号調理(li)電路的平(ping)衡被打破(pò)，其信号由(yóu)控制電路(lù)采集進行(hang)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(guo)小于0.09A，采用(yòng)恒🔆溫差法(fǎ)，調節電源(yuán)輸入，使得(de)電橋保持(chi)平衡，采集(jí)電流值，依(yī)據電流與(yu)流量之間(jian)的⭐關系求(qiú)得☂️流量;如(ru)果大于0.09A，采(cǎi)用恒功率(lü)法，調節電(diàn)源輸入，使(shǐ)得⛱️速度探(tan)頭功耗恒(heng)定，測得雙(shuang)探頭溫度(dù)差，依據溫(wen)度🔱差與流(liu)量之間的(de)關系求得(de)流量。最後(hou)所測結果(guo)通過USAＲT接口(kou)傳輸至上(shang)位機。
 
2.1信号(hào)調理電路(lù)
　　信号調理(lǐ)電路如圖(tú)5所示，信号(hào)調理電路(lù)相鄰兩端(duan)爲PT20和😍PT1000，另㊙️外(wài)兩端電阻(zǔ)爲20Ω的電阻(zu)Ｒ2和1kΩ的電阻(zǔ)Ｒ1，在PT1000電阻一(yi)端有補償(cháng)電阻Ｒ3，Ｒ1和Ｒ2兩(liang)端的電勢(shi)差經差分(fèn)放大後爲(wei)U2。差分放大(dà)電路♻️中Ｒ4=Ｒ6，Ｒ5=Ｒ7。可(kě)調直流電(dian)源提供🐉電(diàn)壓U1。無任何(hé)🔞氣體流過(guò)時，速度探(tan)頭的溫度(du)比溫度探(tan)💋頭高100℃，補償(cháng)電阻Ｒ3保證(zheng)電🌂橋平衡(héng)，此時☀️電勢(shi)差U2爲0，電勢(shi)差U2由AD7066芯片(piàn)進行采集(jí)。Ｒ1、Ｒ2兩端電壓(ya)U3、U4由AD7066采集後(hòu)，除去阻值(zhí)即可得到(dao)🔞速度探頭(tóu)和溫度👉探(tàn)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(qiu)🌈得流量。當(dang)進氣流量(liàng)增大時，速(su)度探頭發(fa)💔生熱對流(liu)，被氣體帶(dài)走一部分(fèn)熱量，溫度(dù)🙇‍♀️降低，阻值(zhi)減小，電橋(qiáo)平衡被打(da)破。控制電(dian)路根據電(diàn)勢差U2增大(da)U1輸入，I1增大(da)使得速度(du)探頭功耗(hao)增大，溫度(dù)上升，阻值(zhi)上升，電橋(qiáo)重新平衡(héng)👅;而當進氣(qi)流量減小(xiao)🐪，速度探頭(tou)溫度升高(gāo)，阻值增加(jia)，則減小U1輸(shū)入，減小I1，減(jiǎn)小速度探(tan)頭功耗，速(su)度探頭溫(wen)度降低，阻(zu)值減小☁️，電(dian)橋重新平(píng)衡。若I1值大(dà)于0.09A，采用恒(heng)功率法進(jin)行測量，根(gen)據溫💜度差(cha)求得流量(liang)。進氣流量(liàng)增大，速度(du)探頭溫度(dù)降低，阻值(zhí)減小，功耗(hao)增大，減小(xiǎo)U1輸入，使得(de)速度探頭(tou)功耗維持(chí)定值;進氣(qi)流量減小(xiǎo)，速度探頭(tou)溫度升高(gao)，阻值增大(dà)，功耗減小(xiǎo)，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(gōng)式如式(6)所(suǒ)示。
 
2.2電源電(dian)路
　　電源電(diàn)路如圖6所(suo)示，以LM317爲核(hé)心。LM317是應用(yòng)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(wen)壓電路⭕的(de)最簡單形(xing)式，又具備(bèi)輸出電壓(ya)可調的特(te)點。此外，還(hai)具有調壓(ya)範圍寬、穩(wen)壓🎯性能好(hǎo)、噪聲低、紋(wén)波抑制比(bi)高等優點(dian)。選用數字(zi)電🏃‍♀️位器X9111作(zuo)爲可調電(diàn)阻ＲL。X9111總共擁(yong)有1024個軸頭(tóu)，采用SPI接☂️口(kǒu)通信，具有(you)🤩使用靈活(huo)、調節精度(dù)高等優👅點(diǎn)。X9111最大阻值(zhí)爲100kΩ，同時其(qí)功耗相比(bǐ)于🧑🏽‍🤝‍🧑🏻其他電(dian)位器而言(yan)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(tǒng)，引出足夠(gòu)的I/O口以作(zuò)🈲拓展。因👨‍❤️‍👨爲(wei)信号調理(li)電路輸出(chu)的電勢差(chà)U2具有正負(fu)極性🥰，所以(yi)STM32F103C8T6自帶AD采集(jí)無法滿足(zu)要求，選用(yong)AD7066芯片進行(hang)采🎯集。AD7066自帶(dai)數字濾波(bo)器，有8個采(cai)集通道，支(zhi)持真正±10V或(huo)±5V的雙極性(xing)信号🌈輸入(ru)電流。AD7066有并(bing)口接🔞線和(hé)SPI串口接線(xiàn)兩種接線(xian)方式，此處(chù)采用SPI串口(kou)接🐕線。STM32最小(xiao)系統😘與AD7066之(zhī)間的接線(xiàn)如表1所示(shì)。AD7066的V1～V4口分别(bié)采集U1～U4的電(dian)壓值🧑🏽‍🤝‍🧑🏻。STM32通過(guò)對電位器(qi)X9111的ＲL控制改(gai)變電源輸(shu)出電壓大(dà)小。STM32的PB13口接(jie)X9111的SCK口，PB14口接(jiē)X9111的SO口💋，PB15口接(jiē)SI口。
 
3數據處(chù)理
　　爲了驗(yàn)證本流量(liàng)計的可行(háng)性與穩定(dìng)性，對流量(liàng)計⭐進行系(xi)統性💚的測(ce)試。每次測(cè)試時間爲(wèi)30s，由音速噴(pen)嘴向管🍉道(dao)均🔆勻吹風(feng)。測試管道(dao)内徑爲80mm，大(dà)氣壓力爲(wèi)100.628kPa，室溫爲29.5℃。在(zai)🔴管道前☔端(duan)由标準質(zhi)量💔測量儀(yí)測得噴嘴(zui)總量，管道(dao)後端本流(liú)量計測瞬(shun)時☂️流量。待(dai)測試完成(cheng)，調節流速(su)，繼續下一(yī)組測量。測(ce)試平台如(rú)💜圖7所示，所(suo)測💘結果如(rú)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(suǒ)以相對誤(wù)差偏大。而(er)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(cha)有所減小(xiǎo)。流量計量(liang)程約爲0～1500m3/h，誤(wù)差在1%之🤟内(nèi)，滿足使用(yong)需求。
　　爲驗(yàn)證流量計(jì)穩定性，在(zài)實驗平台(tai)正常工作(zuo)的情況下(xià)調節流速(sù)，使得平均(jun1)流量在96m3/h的(de)前提下連(lián)續采集6組(zǔ)瞬時流量(liang)數據🏃🏻‍♂️，所測(cè)結果如表(biǎo)3所示。
 
　　由表(biǎo)3可知，流量(liàng)計所測的(de)瞬時流量(liàng)的最大變(biàn)化量爲⛱️0.142m3/h，具(jù)有較好的(de)穩定性，能(neng)夠準确地(dì)對管道瞬(shùn)時流🔴量進(jìn)行測量。
4結(jié)束語
　　本熱(re)式流量傳(chuan)感器，根據(ju)速度探頭(tóu)支路電流(liu)大小切換(huan)🔴恒溫差法(fǎ)和恒功率(lǜ)法對空氣(qi)流量進行(háng)測量。本流(liú)量計相比(bǐ)于傳統恒(heng)溫差式流(liú)量計，可以(yǐ)在速度探(tan)頭電
　　流接(jie)近最大值(zhí)時，切換至(zhi)恒功率法(fǎ)繼續進行(hang)測量☂️，拓寬(kuān)📞了流量計(ji)的量程。且(qie)相比于恒(heng)功率流量(liàng)計，本流量(liàng)計在測小(xiao)流量時功(gōng)耗更低，精(jīng)度更高。但(dàn)相對于傳(chuan)統的恒溫(wēn)差式熱式(shi)流量計采(cǎi)用三極管(guan)對電流直(zhí)接控制，本(ben)流量計是(shì)通過🏒STM32對電(diàn)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(chà)式流量計(jì)稍慢，還需(xu)🥵進一步改(gai)進。

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