摘要(yao):傳統恒(héng)溫差式(shì)熱式流(liú)量計
受(shou)到測量(liàng)電路本(ben)身限制(zhi)，最大加(jiā)熱電流(liu)受限，因(yin)此測量(liang)範圍有(you)限。設計(ji)研制了(le)一種結(jie)合恒溫(wen)差法和(he)恒功率(lǜ)法的熱(re)式質量(liàng)流量計(jì)
。該流量(liang)計是基(jī)于托馬(mǎ)斯理論(lùn)，對功耗(hào)和溫差(cha)進行采(cai)集🔱,從而(ér)測得流(liu)量。相比(bǐ)于傳統(tong)恒溫差(chà)式質量(liàng)流量計(jì),該流量(liàng)計在低(di)🌐流速時(shi)通過對(duì)橋式電(dian)路電壓(ya)差采集(jí)，以控制(zhi)數字電(dian)位器改(gǎi)變輸入(rù)總電壓(ya),從而實(shí)現探頭(tou)間溫度(dù)差恒定(dìng)，測量功(gong)耗測得(dé)流量;而(ér)在高流(liu)速時，通(tong)⛷️過數字(zi)電位器(qi)控制功(gōng)率恒定(ding),探測電(diàn)🔞路各個(gè)參數,從(cong)🌈而計算(suan)得到溫(wen)💔度差,測(cè)得流量(liàng)。該流😄量(liang)計針對(duì)内徑80mm的(de)管道,測(cè)量範圍(wéi)爲0~1500m³/h,量程(cheng)約爲傳(chuan)統恒✉️溫(wen)差式流(liú)量計的(de)1.3倍,相對(dui)誤差小(xiao)于1%，滿足(zu)實際使(shi)用需求(qiu)。相比于(yú)傳統恒(heng)功率式(shi)🌈流量計(jì),該流量(liang)計測🈲低(dī)流速時(shí)精度更(gèng)高。
随着(zhe)科學技(jì)術和工(gong)業生産(chan)的迅猛(měng)發展，氣(qi)體質量(liàng)的測量(liang)在🧑🏽🤝🧑🏻科學(xué)研究、工(gong)業生産(chan)和日常(chang)生活中(zhōng)愈加重(zhòng)要🙇🏻。近年(nian)來，熱式(shì)質量流(liú)量計憑(píng)借其精(jīng)度高、大(dà)量程比(bǐ)、便于安(an)裝維護(hu)、無機械(xie)磨損等(děng)優點成(cheng)爲當今(jīn)研究的(de)熱點方(fang)向。
然而(ér)很少有(you)人就同(tóng)一口徑(jing)的寬量(liàng)程熱式(shì)流量計(jì)進行專(zhuan)門研究(jiū)。對于傳(chuan)統的恒(héng)溫差熱(re)式質量(liàng)流量🈲計(ji)，需👣要改(gai)❌變測速(su)電阻的(de)加熱功(gong)率來保(bao)證溫度(dù)差恒定(ding)，但是由(yóu)于測量(liàng)電路本(běn)身限制(zhi)，導緻最(zui)大加熱(rè)電流受(shòu)限，因此(cǐ)可精準(zhun)測量範(fàn)🤟圍有限(xiàn)［7］。基于陶(tao)瓷基體(ti)薄膜電(dian)阻熱式(shi)流量計(ji)，雖然解(jie)決了量(liàng)程上限(xiàn)問題，但(dan)其對小(xiǎo)流量無(wu)法測量(liàng)。而傳統(tong)的恒功(gōng)率熱式(shì)質量流(liú)量計雖(suī)然💃量程(cheng)足♈夠，但(dàn)其在測(cè)小流量(liàng)時采用(yòng)較大的(de)加熱功(gōng)率㊙️，探頭(tóu)間的自(zi)然對流(liu)傳熱不(bu)能⭐忽略(lue)，無法保(bao)證小流(liu)量測量(liang)精度。
針(zhēn)對以上(shàng)問題，設(she)計了一(yi)種基于(yu)雙測試(shì)原理的(de)熱式質(zhi)量🔴流量(liang)計。該流(liú)量計基(ji)于托馬(mǎ)斯理論(lùn)，将恒溫(wēn)🌈差法和(he)恒功率(lü)法相結(jie)合，通常(cháng)測量時(shí)采用恒(héng)溫差❌法(fǎ)進行氣(qì)體質量(liàng)測量💘，通(tong)過數字(zì)電位器(qi)保持兩(liǎng)探✂️頭之(zhī)間的♈溫(wēn)差爲100℃，測(cè)量速度(du)探🤩頭的(de)功耗，根(gen)據功耗(hào)💃🏻與流量(liang)的關系(xì)求得流(liu)量;測大(da)流速時(shí)自動切(qiē)換至恒(héng)功率法(fa)進⛱️行測(ce)量，保持(chi)速度探(tan)頭的功(gōng)耗，測量(liang)兩探頭(tóu)之間的(de)溫度差(chà)，根據溫(wen)差與流(liú)🈚量的關(guan)系求得(dé)流量。該(gāi)流量計(ji)有效地(dì)解決了(le)流量計(jì)量程不(bu)足問題(ti)，且在各(ge)個測量(liàng)區間内(nei)的精度(dù)都滿足(zu)使用需(xū)求㊙️。
1熱式(shi)質量流(liú)量計測(cè)量原理(li)
本熱式(shi)質量流(liú)量計是(shì)基于傳(chuán)統的托(tuō)馬斯流(liu)量計以(yi)改良。熱(rè)式氣體(ti)質量流(liu)量計利(lì)用了熱(re)傳導原(yuan)理，其傳(chuán)🔞感器由(yóu)兩🌈個基(jī)🏃♂️準級熱(rè)電阻(ＲTD)組(zu)成，其一(yi)是速度(du)探頭T1［11］，另(ling)一個是(shi)🌍溫度探(tan)頭T2。托馬(mǎ)斯流量(liang)計的原(yuan)理［12］是🐅，速(su)度探頭(tou)因流體(tǐ)流㊙️動而(ér)産生溫(wen)度變化(huà)，測量溫(wēn)度㊙️變化(huà)來反映(ying)質量流(liu)量，或者(zhě)測量所(suo)需能量(liàng)與流體(tǐ)🧡質量之(zhi)間的關(guan)系。依據(ju)托馬斯(si)理論，流(liú)過速度(dù)探頭的(de)流量與(yu)速度探(tan)頭的能(neng)量消耗(hào)可由式(shì)(1)表示。
式(shi)中，Q爲速(su)度探頭(tou)單位時(shi)間内消(xiao)耗的能(néng)量，單位(wei)爲J;C爲空(kōng)氣的比(bi)💘熱容，單(dan)位爲J/(kg·℃);ΔT爲(wèi)速度探(tàn)頭和溫(wēn)度探頭(tóu)之間的(de)溫度差(chà)，單位🏃♂️爲(wei)℃;ρ爲密度(dù)，單位爲(wèi)kg/m3;q爲流經(jīng)速度探(tan)頭的空(kōng)氣的質(zhì)量流量(liang)，單位爲(wei)m³/h。
由式(1)可(ke)知，C爲定(ding)值，q隻與(yu)Q和ΔT有關(guān)。
若保持(chi)兩探頭(tóu)之間的(de)溫度差(cha)，則流量(liang)q隻與速(sù)度探頭(tóu)的功耗(hao)㊙️Q有關;若(ruò)保持速(sù)度探頭(tóu)的功耗(hào)Q，則流量(liàng)q隻與兩(liǎng)探頭之(zhī)間的溫(wēn)度差ΔT有(you)關。前者(zhe)爲恒溫(wen)差測量(liàng)🐉原理，後(hou)者爲恒(heng)功率測(cè)量原理(lǐ)🐇。
本文設(shè)計的熱(rè)式質量(liang)流量計(jì)是依靠(kao)橋式電(dian)路來🌈分(fen)♋别實現(xiàn)恒定雙(shuang)探頭之(zhi)間的溫(wen)差和控(kong)制速度(dù)探頭的(de)功耗，速(su)度探頭(tóu)🎯選用🌈PT20，溫(wen)度探頭(tóu)選用PT1000，溫(wen)度補償(chang)電阻爲(wei)♍Ｒ溫補，鄰(lín)橋電阻(zu)🏃♂️分别爲(wèi)Ｒ1和Ｒ2，原理(lǐ)圖如圖(tu)1所示。
想(xiang)要保持(chi)兩探頭(tou)溫差，隻(zhī)要保證(zheng)電橋平(ping)衡即可(kě)。由式(2)可(ke)知:當(ＲPT1000+Ｒ溫(wēn)補)×Ｒ2=ＲPT20×Ｒ1時，電(dian)橋保持(chí)平衡。當(dāng)有空氣(qì)流經速(sù)度探頭(tóu)帶走熱(re)量後，ＲPT20阻(zǔ)值下降(jiang)，電橋平(ping)衡被打(dǎ)破。增大(dà)電勢差(cha)U1，從而♊增(zēng)大PT20支路(lu)電流I1，ＲPT20溫(wen)度上升(shēng)，阻值增(zēng)加📱，電橋(qiao)平衡;想(xiǎng)要保持(chi)速度探(tan)頭的功(gong)耗不變(biàn)，隻需在(zài)ＲPT20阻值下(xià)降後減(jian)小U1的值(zhi)，使得ＲPT20的(de)功耗恒(héng)定。
本流(liú)量計的(de)速度電(diàn)阻最大(dà)允許電(dian)流爲100mA。如(rú)讓雙探(tàn)💯頭溫差(cha)♻️恒🔱定100℃，假(jiǎ)設當前(qián)環境溫(wēn)度20℃，速度(dù)探頭溫(wēn)度爲120℃，根(gen)據㊙️鉑電(dian)阻公式(shì)(3)可得
如(rú)上所示(shì)，量程範(fàn)圍受最(zui)大電流(liú)限制。想(xiǎng)要拓寬(kuān)量♋程❤️，不(bu)妨将兩(liang)種方法(fǎ)相結合(he)。在速度(dù)探頭的(de)電流達(dá)到0.09A之✂️前(qian)采用恒(héng)溫差法(fǎ)進行測(cè)量，在0.09A之(zhi)後采取(qǔ)恒功率(lü)法進行(hang)測量。0.09A時(shi)速度探(tan)頭功耗(hao)爲0.237W，以此(ci)功耗爲(wèi)恒定功(gong)耗，流🏃過(guo)速度探(tàn)🐇頭的流(liú)量與溫(wen)度差之(zhī)間的關(guan)系如式(shì)(5)和圖3所(suǒ)示，對于(yú)溫差爲(wei)50～100℃時具有(yǒu)較好的(de)靈敏🌈度(du)。溫差爲(wèi)50℃時，此時(shí)速度探(tan)頭支路(lu)電流爲(wei)0.096A，小于最(zui)大電流(liú)，所測流(liu)量爲1.31869×10-2m3/h。
恒(héng)溫差法(fa)所測最(zui)大量程(cheng)8.14174×10-3m3/h遠遠小(xiao)于恒溫(wen)差法和(he)恒☀️功率(lǜ)法相結(jie)合所測(ce)量程1.31869×10-2m3/h。由(yóu)此可得(dé)，采用恒(héng)溫差法(fa)和恒功(gōng)率法相(xiang)結合的(de)方🆚法，可(ke)以極大(da)地拓寬(kuan)熱式♋質(zhì)量流量(liàng)計的量(liang)程，且相(xiang)比于傳(chuan)統恒功(gong)率法，在(zai)測小流(liu)量時功(gong)耗更低(dī)。
2硬件電(dian)路設計(ji)
系統框(kuang)圖如圖(tú)4所示。電(diàn)路主要(yao)分爲3部(bu)分:信号(hao)調理電(dian)路、電源(yuan)電路和(hé)控制電(diàn)路。信号(hao)調理電(diàn)路由橋(qiao)式電路(lu)和差分(fèn)放大電(dian)路組成(chéng);電源電(diàn)路由LM317和(he)數字電(dian)✂️位器X9111組(zǔ)成;控制(zhi)電路主(zhu)要以STM32F103C86T爲(wei)🈲核心。雙(shuang)探頭的(de)阻值随(sui)着溫度(dù)🚩和流量(liang)的變化(huà)而變化(huà)。因此信(xin)号調理(li)電路的(de)平衡被(bei)👄打破，其(qí)信号由(yóu)控制電(dian)路采集(ji)進行判(pàn)🈲斷。STM32根據(jù)當前速(su)🛀🏻度探頭(tóu)支路電(dian)流進行(hang)判斷。如(ru)果小于(yú)0.09A，采用恒(héng)溫差法(fa)⛹🏻♀️，調節電(diàn)源輸入(ru)，使得電(dian)橋保持(chí)平衡，采(cai)集電流(liú)值，依據(jù)電流與(yu)流量之(zhī)間的🍓關(guan)系求得(de)流量;如(rú)果大于(yú)0.09A，采用恒(héng)功率法(fa)，調節電(diàn)源輸入(ru)，使得速(sù)度探頭(tou)功耗恒(heng)定，測得(de)🌈雙探頭(tou)溫度差(cha)，依據溫(wēn)度♻️差與(yu)流量之(zhī)間的關(guan)系求得(de)流量。最(zuì)後所測(ce)結果通(tong)過USAＲT接🐇口(kou)傳輸至(zhi)上位機(jī)。
2.1信号調(diao)理電路(lù)
信号調(diào)理電路(lù)如圖5所(suǒ)示，信号(hào)調理電(diàn)路相鄰(lín)兩端爲(wei)PT20和💁PT1000，另外(wài)兩端電(dian)阻爲20Ω的(de)電阻Ｒ2和(hé)1kΩ的電阻(zu)Ｒ1，在PT1000電阻(zǔ)一端有(yǒu)補償電(diàn)阻Ｒ3，Ｒ1和Ｒ2兩(liǎng)☔端的電(dian)勢差經(jīng)差分放(fàng)大後爲(wèi)U2。差分放(fàng)大電路(lu)中Ｒ4=Ｒ6，Ｒ5=Ｒ7。可調(diào)直流電(diàn)源提供(gong)❓電壓U1。無(wú)任何氣(qi)體流過(guò)🐆時，速度(du)探頭的(de)溫度比(bi)溫度探(tàn)頭高100℃，補(bǔ)償電阻(zu)Ｒ3保證電(dian)🔞橋平衡(heng)，此時電(diàn)勢差U2爲(wei)0，電勢差(chà)U2由AD7066芯片(piàn)進行采(cai)集。Ｒ1、Ｒ2兩端(duan)電壓U3、U4由(you)AD7066采集後(hòu)，除去阻(zǔ)值即可(kě)得到速(sù)度探頭(tóu)和溫度(du)探頭支(zhī)📐路電流(liú)I1和I2。若I1值(zhí)小于0.09A，采(cǎi)用恒溫(wēn)差法，根(gēn)據I1值求(qiu)得流量(liàng)。當進氣(qi)流量增(zeng)大時，速(su)度探頭(tóu)發🏃🏻♂️生熱(re)對流，被(bèi)氣體帶(dài)走一部(bù)分熱量(liang)📞，溫度降(jiang)低，阻值(zhí)減小，電(dian)橋平衡(heng)被打破(po)。控制電(diàn)路根據(jù)電🏃♀️勢差(chà)U2增大U1輸(shū)入，I1增大(da)使得速(sù)度探頭(tóu)功耗增(zēng)大，溫度(du)上升🏃🏻，阻(zǔ)值上升(sheng)，電橋重(zhong)新平衡(heng);而㊙️當進(jin)氣流量(liàng)減小，速(su)度探頭(tóu)☔溫度升(sheng)高，阻值(zhí)增加，則(ze)減小U1輸(shu)入，減小(xiǎo)I1，減小速(su)度探頭(tóu)功耗，速(sù)度探頭(tóu)溫度降(jiang)✔️低，阻值(zhí)減小，電(dian)橋重新(xin)平衡。若(ruò)I1值大于(yu)0.09A，采用恒(heng)功率法(fǎ)進行測(ce)量，根據(jù)溫度差(cha)求得流(liú)量。進氣(qi)流量增(zeng)大，速度(du)探頭溫(wēn)度降低(di)，阻值減(jiǎn)小，功耗(hao)增大，減(jian)小U1輸入(ru)，使得速(sù)度探頭(tóu)功耗維(wéi)持定值(zhi);進氣流(liú)量減小(xiao)，速度👄探(tan)頭溫度(dù)升高，阻(zǔ)值增大(dà)，功耗減(jian)小，增大(da)U1輸入，使(shǐ)得速度(dù)🌈探頭功(gong)😄耗♊維持(chí)定值。溫(wen)度差公(gong)⭐式如式(shi)(6)所示。
2.2電(dian)源電路(lu)
電源電(dian)路如圖(tú)6所示，以(yi)LM317爲核心(xīn)。LM317是應用(yòng)最爲廣(guǎng)泛的電(dian)源🙇🏻集成(cheng)💘電路之(zhī)一，它不(bu)僅具有(you)固定式(shi)三端穩(wěn)壓電路(lù)的最簡(jiǎn)單形式(shì)，又具備(bei)輸出電(diàn)壓可調(diao)的特點(dian)。此外，還(hai)具有調(diào)壓範圍(wéi)🔴寬、穩壓(yā)性能好(hǎo)、噪聲低(dī)、紋波抑(yì)制比高(gāo)等優點(diǎn)。選♊用數(shù)字電🤩位(wei)器X9111作爲(wei)✊可調電(diàn)阻ＲL。X9111總共(gòng)擁有1024個(ge)軸頭，采(cai)用SPI接口(kou)通信，具(jù)有使用(yòng)靈活、調(diao)♌節精度(du)高等優(yōu)點。X9111最大(da)阻值爲(wèi)100kΩ，同時其(qi)功耗相(xiang)比于其(qí)他電位(wei)器而言(yan)很低。
2.3控(kong)制電路(lu)
控制電(dian)路以STM32F103C8T6爲(wei)核心組(zǔ)成最小(xiǎo)系統，引(yǐn)出足夠(gou)的I/O口以(yi)作拓展(zhan)。因🔴爲信(xìn)号調理(lǐ)電路輸(shū)出的電(dian)勢差U2具(jù)有正負(fu)極性，所(suo)以STM32F103C8T6自帶(dai)AD采集無(wu)法滿足(zu)要求，選(xuǎn)用AD7066芯片(pian)進行采(cai)❤️集。AD7066自帶(dai)數字濾(lǜ)波器，有(yǒu)8個采集(ji)通道，支(zhi)持真正(zheng)±10V或±5V的雙(shuāng)極性信(xìn)号輸入(ru)電流。AD7066有(yǒu)并口接(jie)線和SPI串(chuàn)口接線(xiàn)兩種接(jie)線方式(shi)，此處采(cai)用SPI串口(kǒu)接線。STM32最(zui)小系統(tǒng)與AD7066之間(jiān)的接線(xiàn)如表1所(suo)示。AD7066的V1～V4口(kǒu)✌️分别采(cai)集U1～U4的電(diàn)壓值。STM32通(tong)過對電(diàn)位器X9111的(de)ＲL控制改(gai)✍️變電源(yuan)輸🈲出電(dian)壓大小(xiao)。STM32的PB13口接(jie)X9111的SCK口，PB14口(kǒu)接X9111的SO口(kǒu)🌐，PB15口接SI口(kou)。
3數據處(chù)理
爲了(le)驗證本(ben)流量計(ji)的可行(hang)性與穩(wěn)定性，對(dui)流量計(ji)進🌈行⭐系(xi)統性的(de)測試。每(mei)次測試(shi)時間爲(wei)30s，由音速(sù)噴嘴♍向(xiang)管道均(jun)勻吹🧑🏾🤝🧑🏼風(feng)。測試管(guǎn)道内徑(jìng)爲80mm，大氣(qì)壓力爲(wei)100.628kPa，室溫爲(wèi)29.5℃。在管道(dao)前端由(yóu)标準質(zhì)量測量(liàng)儀測得(de)噴嘴總(zǒng)量，管道(dào)後端本(ben)流量🔞計(jì)測瞬時(shi)流量。待(dai)測試完(wan)成，調節(jiē)流速，繼(jì)續👈下一(yi)組測量(liàng)。測試平(píng)台如圖(tú)7所示，所(suo)測結果(guo)如表2所(suǒ)示。
由表(biao)2數據可(kě)知，數據(ju)2、3因爲所(suǒ)測流量(liang)較小，所(suo)以相對(dui)誤💃差偏(piān)大。而流(liú)速超過(guò)42．356m/s後，流量(liang)計轉用(yòng)恒功率(lǜ)法測量(liang)，相對誤(wù)差有♻️所(suo)減小。流(liu)量計量(liang)程約爲(wei)0～1500m3/h，誤差在(zài)1%之内，滿(mǎn)足使用(yong)需求。
爲(wèi)驗證流(liú)量計穩(wěn)定性，在(zai)實驗平(ping)台正常(chang)工作的(de)情況下(xia)調節流(liú)速，使得(de)平均流(liú)量在96m3/h的(de)前提下(xia)連續采(cǎi)集6組✉️瞬(shùn)時流量(liàng)數據，所(suo)測㊙️結果(guo)如表3所(suǒ)示。
由表(biao)3可知，流(liú)量計所(suo)測的瞬(shun)時流量(liang)的最大(dà)變化量(liàng)爲0.142m3/h，具㊙️有(you)⛱️較好的(de)穩定性(xìng)，能夠準(zhun)确地對(dui)管道瞬(shùn)時流量(liang)進行測(cè)量。
4結束(shù)語
本熱(rè)式流量(liang)傳感器(qì)，根據速(su)度探頭(tou)支路電(dian)流大小(xiǎo)切🔞換恒(héng)溫差法(fa)和恒功(gong)率法對(duì)空氣流(liu)量進行(hang)測量。本(ben)流量計(jì)相比于(yu)傳🔞統恒(heng)🤟溫差式(shì)流量計(ji)，可以在(zai)速☎️度探(tàn)頭電
流(liu)接近最(zui)大值時(shí)，切換至(zhi)恒功率(lü)法繼續(xu)進行測(cè)量，拓寬(kuan)♻️了流量(liang)計的量(liang)程。且相(xiàng)比于恒(héng)功率流(liú)量計，本(běn)流量計(jì)在測小(xiao)㊙️流量時(shí)功耗更(geng)低，精度(du)更高。但(dan)相對于(yú)傳統的(de)恒溫差(chà)式熱式(shì)流量🚶計(ji)采用三(san)極管對(dui)電流直(zhi)接控制(zhi)，本流量(liang)㊙️計是通(tōng)過STM32對電(diàn)位器控(kòng)制從而(er)調節電(dian)源輸入(ru)，在響應(ying)方面比(bi)起傳統(tong)恒溫差(cha)式流🚶♀️量(liang)計稍慢(man)，還需進(jìn)一步改(gai)進。
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