摘要(yao):傳統恒溫(wen)差式熱式(shi)流量計
受(shou)到測量電(dian)路本身限(xian)制，最大加(jia)熱電流受(shou)限，因此測(ce)💘量範圍有(you)限。設計研(yan)制了一種(zhong)結合恒溫(wen)差法和恒(heng)功率法的(de)熱式質量(liang)流量計
。該(gai)流量計是(shi)基于托馬(ma)斯理論，對(dui)功耗和溫(wen)差進行采(cai)集,從而測(ce)得流量。相(xiang)比于傳統(tong)恒溫差式(shi)質量流量(liang)計,該流量(liang)計在低流(liu)速時通過(guo)對橋式電(dian)路電壓差(cha)采集，以控(kong)制數字電(dian)位器改變(bian)輸入總電(dian)壓,從而實(shi)現探頭☀️間(jian)溫度差恒(heng)定，測量功(gong)耗測得流(liu)量;而在♻️高(gao)流速時，通(tong)過數字電(dian)位器控制(zhi)功率恒定(ding),探測電♍路(lu)各個參數(shu),從而計算(suan)得到溫🌈度(du)差,測得流(liu)量。該流❤️量(liang)計針對内(nei)徑80mm的管道(dao),測量範圍(wei)爲0~1500m³/h,量程約(yue)爲傳統恒(heng)溫差式流(liu)量計的💯1.3倍(bei),相對誤差(cha)小于1%，滿足(zu)實際使用(yong)需求。相比(bi)于傳統恒(heng)功率式流(liu)量計,該流(liu)量計測低(di)流速時精(jing)度更高。
随(sui)着科學技(ji)術和工業(ye)生産的迅(xun)猛發展，氣(qi)體質量的(de)測量在科(ke)學研究、工(gong)業生産和(he)日常生活(huo)中愈加重(zhong)要。近年來(lai)，熱式質量(liang)流量計憑(ping)借其精度(du)高、大量程(cheng)比、便于安(an)裝維護、無(wu)機械磨損(sun)等優👣點成(cheng)爲當今研(yan)究的熱點(dian)方向。
然而(er)很少有人(ren)就同一口(kou)徑的寬量(liang)程熱式流(liu)量計進行(hang)專門研✍️究(jiu)。對于傳統(tong)的恒溫差(cha)熱式質量(liang)流量❄️計，需(xu)要改變測(ce)☀️速電阻的(de)加熱功率(lü)來保證溫(wen)度差恒定(ding)，但是由于(yu)測量電路(lu)本身限制(zhi)，導緻最大(da)加熱❄️電流(liu)受限，因此(ci)可精準測(ce)量範🏃圍有(you)限［7］。基于陶(tao)瓷基體薄(bao)膜電阻熱(re)式流量計(ji)，雖然解決(jue)了量程上(shang)限問題，但(dan)其對小流(liu)量無法測(ce)量。而🔞傳統(tong)的恒功率(lü)熱式質量(liang)流量計雖(sui)然量程足(zu)夠，但其在(zai)測小流量(liang)時采用較(jiao)大的加熱(re)功率🎯，探頭(tou)間的自然(ran)對流傳熱(re)不能忽略(lue)，無法保證(zheng)小流量測(ce)量精度。
針(zhen)對以上問(wen)題，設計了(le)一種基于(yu)雙測試原(yuan)理的熱式(shi)質量流量(liang)計。該流量(liang)計基于托(tuo)馬斯理論(lun)，将恒溫差(cha)法和恒🔞功(gong)率法相💃🏻結(jie)合，通常測(ce)量時采用(yong)恒溫差法(fa)進行氣體(ti)質🚩量測量(liang)，通過數字(zi)電位器保(bao)持兩探頭(tou)之間的溫(wen)差爲100℃，測量(liang)速度探頭(tou)的功耗，根(gen)據功耗與(yu)流量的關(guan)系求得流(liu)量;測大流(liu)速時🐕自動(dong)切換至🥵恒(heng)功率法進(jin)行測量，保(bao)持速度探(tan)頭的功耗(hao)，測量兩探(tan)頭之間的(de)溫度差，根(gen)據溫差與(yu)流🍉量的關(guan)系求得流(liu)㊙️量。該流量(liang)計有效地(di)解決了流(liu)量計量程(cheng)不足問題(ti)，且在各個(ge)測量區間(jian)内的精度(du)都滿足使(shi)用需求。
1熱(re)式質量流(liu)量計測量(liang)原理
本熱(re)式質量流(liu)量計是基(ji)于傳統的(de)托馬斯流(liu)量計以改(gai)良。熱式氣(qi)體質量流(liu)量計利用(yong)了熱傳導(dao)原理，其傳(chuan)👈感器由兩(liang)個基準級(ji)熱電阻(ＲTD)組(zu)成，其一是(shi)速度探頭(tou)T1［11］，另👅一個是(shi)溫度探頭(tou)T2。托馬斯流(liu)量計的原(yuan)理［12］是，速度(du)探頭因流(liu)體流動而(er)産生溫度(du)變化，測量(liang)溫度變化(hua)來反映質(zhi)量流量，或(huo)者測量所(suo)需能量與(yu)流體質量(liang)之間的關(guan)系。依據托(tuo)馬斯理論(lun)，流過速度(du)探頭🔞的流(liu)量與速度(du)探頭的能(neng)量消耗可(ke)由式(1)表示(shi)。
式中，Q爲速(su)度探頭單(dan)位時間内(nei)消耗的能(neng)量，單位爲(wei)J;C爲空氣的(de)比熱容，單(dan)位爲J/(kg·℃);ΔT爲速(su)度探頭和(he)溫度探頭(tou)之間的溫(wen)度差，單位(wei)爲℃;ρ爲密度(du)，單位爲kg/m3;q爲(wei)流經速度(du)探頭的空(kong)氣的質量(liang)流☂️量，單位(wei)爲m³/h。
由式(1)可(ke)知，C爲定值(zhi)，q隻與Q和ΔT有(you)關。
若保持(chi)兩探頭之(zhi)間的溫度(du)差，則流量(liang)q隻與速度(du)探頭的功(gong)耗Q有關;若(ruo)保持速度(du)探頭的功(gong)耗Q，則流量(liang)q隻與兩探(tan)頭🐕之間的(de)溫度差ΔT有(you)關。前者爲(wei)恒溫差測(ce)量原理，後(hou)者爲恒功(gong)率測量原(yuan)理。
本文設(she)計的熱式(shi)質量流量(liang)計是依靠(kao)橋式電路(lu)來㊙️分别實(shi)現恒定雙(shuang)探頭之間(jian)的溫差和(he)控制速度(du)探🍓頭的功(gong)耗，速度探(tan)頭✨選用PT20，溫(wen)度探頭選(xuan)用PT1000，溫度補(bu)償👄電阻爲(wei)Ｒ溫補，鄰橋(qiao)電阻分别(bie)爲Ｒ1和Ｒ2，原理(li)圖如圖1所(suo)示。
想要保(bao)持兩探頭(tou)溫差，隻要(yao)保證電橋(qiao)平衡即可(ke)。由式(2)可知(zhi):當(ＲPT1000+Ｒ溫補)×Ｒ2=ＲPT20×Ｒ1時(shi)，電橋保持(chi)平衡。當有(you)空氣流經(jing)速度探頭(tou)帶走熱量(liang)後，ＲPT20阻值下(xia)降，電橋平(ping)衡被打破(po)。增大電勢(shi)⛱️差U1，從而增(zeng)大PT20支路電(dian)流I1，ＲPT20溫度上(shang)✂️升，阻值增(zeng)加，電橋平(ping)衡;想要保(bao)持🍓速度探(tan)頭的功耗(hao)不變，隻需(xu)在ＲPT20阻值下(xia)降後減小(xiao)U1的值，使🥰得(de)ＲPT20的功耗恒(heng)🌐定。
本流量(liang)計的速度(du)電阻最大(da)允許電流(liu)爲100mA。如讓雙(shuang)探頭溫☔差(cha)恒定100℃，假設(she)當前環境(jing)溫度20℃，速度(du)探頭溫度(du)爲120℃，根據鉑(bo)電阻公式(shi)(3)可得
如上(shang)所示，量程(cheng)範圍受最(zui)大電流限(xian)制。想要拓(tuo)寬量👉程，不(bu)妨将☀️兩🈲種(zhong)方法相結(jie)合。在速度(du)探頭的電(dian)流達到0.09A之(zhi)前采用恒(heng)💋溫差法進(jin)行測量，在(zai)0.09A之後采取(qu)恒功率法(fa)進行測量(liang)。0.09A時速度探(tan)頭功耗爲(wei)0.237W，以此功耗(hao)爲恒🌈定功(gong)耗，流過速(su)度探頭的(de)流量與溫(wen)度差之間(jian)的關☎️系如(ru)式(5)和圖3所(suo)示，對于溫(wen)差爲50～100℃時具(ju)有較好的(de)靈敏度。溫(wen)差爲50℃時，此(ci)時速度探(tan)頭支路電(dian)流爲0.096A，小于(yu)最大電流(liu)，所測流量(liang)爲1.31869×10-2m3/h。
恒溫差(cha)法所測最(zui)大量程8.14174×10-3m3/h遠(yuan)遠小于恒(heng)溫差法和(he)恒功率法(fa)相結合所(suo)測量程1.31869×10-2m3/h。由(you)此可得，采(cai)用恒溫差(cha)法和恒功(gong)率法相結(jie)合的方🌈法(fa)，可以極大(da)地拓寬熱(re)式質量流(liu)量計的🌏量(liang)程，且相比(bi)于傳統恒(heng)功率法，在(zai)測小流量(liang)時功耗更(geng)低。
2硬件電(dian)路設計
系(xi)統框圖如(ru)圖4所示。電(dian)路主要分(fen)爲3部分:信(xin)号調理電(dian)路、電源電(dian)🔴路和控制(zhi)電路。信号(hao)調理電路(lu)由橋式💜電(dian)路和差分(fen)放大電路(lu)組成;電源(yuan)電路由LM317和(he)數字電🐉位(wei)器X9111組成;控(kong)制🥰電路主(zhu)要以STM32F103C86T爲核(he)心。雙探頭(tou)的阻值随(sui)着溫度和(he)流量的變(bian)化而變♉化(hua)。因此信号(hao)調理電路(lu)的平衡被(bei)打破，其信(xin)号由控制(zhi)電路采集(ji)進行判📱斷(duan)。STM32根據當前(qian)速度探頭(tou)支路電🍓流(liu)進行判斷(duan)。如果小于(yu)0.09A，采用恒溫(wen)差法📐，調節(jie)電源輸入(ru)，使得電橋(qiao)保持平衡(heng)，采集電流(liu)值，依據電(dian)流與流量(liang)之間的關(guan)系求得流(liu)量;如果大(da)于0.09A，采用恒(heng)功率法，調(diao)節電源輸(shu)入😍，使得速(su)度探頭功(gong)耗恒定，測(ce)得✏️雙探頭(tou)溫度差，依(yi)據溫度差(cha)與流量之(zhi)💞間的關系(xi)求得流量(liang)。最後所測(ce)結果通🆚過(guo)USAＲT接口傳輸(shu)至上位機(ji)。
2.1信号調理(li)電路
信号(hao)調理電路(lu)如圖5所示(shi)，信号調理(li)電路相鄰(lin)兩端爲🐕PT20和(he)PT1000，另👉外💞兩端(duan)電阻爲20Ω的(de)電阻Ｒ2和1kΩ的(de)電阻Ｒ1，在PT1000電(dian)阻一端有(you)補償電阻(zu)Ｒ3，Ｒ1和Ｒ2兩端的(de)電勢差經(jing)差分放大(da)後爲🔞U2。差分(fen)放大電路(lu)中Ｒ4=Ｒ6，Ｒ5=Ｒ7。可調直(zhi)流電🛀源提(ti)供❓電壓U1。無(wu)任何氣體(ti)流過時，速(su)度探頭的(de)溫度👨❤️👨比溫(wen)度探頭高(gao)100℃，補償㊙️電阻(zu)Ｒ3保證電橋(qiao)平衡，此時(shi)電勢差U2爲(wei)0，電勢差U2由(you)AD7066芯片進行(hang)采集。Ｒ1、Ｒ2兩端(duan)電壓U3、U4由AD7066采(cai)集後🛀🏻，除去(qu)阻值即可(ke)得到❌速度(du)探頭和溫(wen)度探頭支(zhi)路電流I1和(he)🐇I2。若I1值小于(yu)0.09A，采用恒溫(wen)差法，根據(ju)I1值求得流(liu)量。當進氣(qi)流量增大(da)時，速度探(tan)頭發生熱(re)對流，被氣(qi)體帶走一(yi)部分熱量(liang)，溫度降低(di)，阻值減小(xiao)，電橋平衡(heng)被打破。控(kong)制電☔路根(gen)據電勢差(cha)U2增大U1輸入(ru)，I1增大使得(de)速度探頭(tou)功耗增大(da)，溫度上升(sheng)，阻值上升(sheng)，電橋重新(xin)平衡;而當(dang)進氣流量(liang)減小，速度(du)探頭溫度(du)升高，阻值(zhi)增加，則減(jian)小🙇🏻U1輸入，減(jian)小I1，減小速(su)度探頭功(gong)耗，速度探(tan)頭溫度降(jiang)低，阻值減(jian)小，電橋重(zhong)新平衡。若(ruo)I1值大于0.09A，采(cai)用恒🚶功率(lü)法進行測(ce)量，根據溫(wen)度差求得(de)流量。進氣(qi)🆚流量增大(da)，速度⛹🏻♀️探頭(tou)溫度降低(di)，阻值減小(xiao)，功耗增大(da)，減小U1輸入(ru)，使得速🔆度(du)探頭功耗(hao)維持定值(zhi);進氣流量(liang)減小，速度(du)探頭溫度(du)👉升高，阻值(zhi)增大，功耗(hao)減小，增大(da)U1輸👈入，使得(de)速度探頭(tou)功耗維持(chi)定值。溫度(du)差公式如(ru)式(6)所示。
2.2電(dian)源電路
電(dian)源電路如(ru)圖6所示，以(yi)LM317爲核心。LM317是(shi)應用最爲(wei)廣泛的電(dian)源集成電(dian)路之一，它(ta)不僅具有(you)固定式三(san)端穩壓電(dian)路的最簡(jian)單形式，又(you)具備輸出(chu)電壓可調(diao)的特點。此(ci)外，還具有(you)調壓範圍(wei)寬、穩壓性(xing)能好、噪聲(sheng)低、紋波抑(yi)制比高等(deng)優點。選用(yong)數字電位(wei)器X9111作爲可(ke)調電阻💰ＲL。X9111總(zong)共擁有1024個(ge)軸頭，采用(yong)SPI接👣口通信(xin)，具有使用(yong)靈活、調節(jie)精度高等(deng)優點。X9111最大(da)阻值爲100kΩ，同(tong)時其功耗(hao)相比于其(qi)他電位器(qi)而言很低(di)。
2.3控制電路(lu)
控制電路(lu)以STM32F103C8T6爲核心(xin)組成最小(xiao)系統，引出(chu)足夠的I/O口(kou)以作拓展(zhan)。因爲信号(hao)調理電路(lu)輸出的電(dian)勢差U2具有(you)正負極性(xing)，所以STM32F103C8T6自帶(dai)AD采集無法(fa)滿足要求(qiu)，選用AD7066芯片(pian)進行采集(ji)。AD7066自帶數字(zi)濾波器，有(you)8個采集通(tong)道，支持真(zhen)正±10V或±5V的雙(shuang)極性信号(hao)輸入電流(liu)。AD7066有并口接(jie)線和SPI串口(kou)☎️接線兩種(zhong)接線方式(shi)，此處采用(yong)SPI串口接線(xian)。STM32最小系統(tong)🏃♀️與AD7066之間的(de)接線如表(biao)1所示。AD7066的V1～V4口(kou)分别采集(ji)U1～U4的電壓值(zhi)。STM32通過對電(dian)位器X9111的ＲL控(kong)制改變電(dian)源輸出電(dian)壓大小。STM32的(de)PB13口接X9111的SCK口(kou)，PB14口接X9111的SO口(kou)，PB15口接SI口。
3數(shu)據處理
爲(wei)了驗證本(ben)流量計的(de)可行性與(yu)穩定性，對(dui)流量計進(jin)👨❤️👨行📞系統性(xing)⭕的測試。每(mei)次測試時(shi)間爲30s，由音(yin)速噴嘴向(xiang)管道均勻(yun)吹風。測試(shi)管道内徑(jing)爲80mm，大氣壓(ya)力爲100.628kPa，室溫(wen)爲29.5℃。在管道(dao)前端由标(biao)準質量測(ce)量儀測得(de)噴嘴總量(liang)，管道後端(duan)本流量計(ji)測瞬時流(liu)量。待測試(shi)完成，調節(jie)流速，繼續(xu)下一組測(ce)量。測試平(ping)台如圖7所(suo)示，所測結(jie)果如表2所(suo)示♌。
由表2數(shu)據可知，數(shu)據2、3因爲所(suo)測流量較(jiao)小，所以相(xiang)對誤差⭐偏(pian)🌂大⛷️。而流速(su)超過42．356m/s後，流(liu)量計轉用(yong)恒功率法(fa)測量，相對(dui)誤差有所(suo)減小。流量(liang)計量程約(yue)爲0～1500m3/h，誤差在(zai)1%之内，滿足(zu)使用需求(qiu)。
爲驗證流(liu)量計穩定(ding)性，在實驗(yan)平台正常(chang)工作的情(qing)況下調節(jie)流速，使得(de)平均流量(liang)在96m3/h的前提(ti)下連續采(cai)集6組瞬時(shi)流量數據(ju)，所測結果(guo)如表3所示(shi)。
由表3可知(zhi)，流量計所(suo)測的瞬時(shi)流量的最(zui)大變化量(liang)爲0.142m3/h，具有較(jiao)好❗的穩定(ding)性，能夠準(zhun)确地對管(guan)道瞬時流(liu)量進行測(ce)量。
4結束語(yu)
本熱式流(liu)量傳感器(qi)，根據速度(du)探頭支路(lu)電流大小(xiao)切🈲換恒溫(wen)差💰法和恒(heng)功率法對(dui)空氣流量(liang)進行測量(liang)。本流量計(ji)相比于傳(chuan)統恒溫差(cha)式流量計(ji)，可以在速(su)度探頭電(dian)
流接近最(zui)大值時，切(qie)換至恒功(gong)率法繼續(xu)進行測量(liang)，拓寬了流(liu)量計的量(liang)程。且相比(bi)于恒功率(lü)流量計，本(ben)流量計在(zai)測小🔆流量(liang)時功耗更(geng)低，精度更(geng)高。但相對(dui)于傳統的(de)恒溫差式(shi)熱式流量(liang)計采用三(san)極管對電(dian)流直接控(kong)制，本流量(liang)計是通過(guo)STM32對電位器(qi)控制從而(er)💘調節電源(yuan)輸💃🏻入，在響(xiang)應方面比(bi)起傳統恒(heng)溫差式流(liu)💛量計稍慢(man)，還💞需進一(yi)步改進。
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