摘要:傳統(tǒng)恒溫差式熱式流量計受到測量電路本身限制，最大加熱電流受限，因此測量范圍有限。設(shè)計研制了一種結(jié)合恒溫差法和恒功率法的熱式質(zhì)量流量計。該流量計是基于托馬斯理論，對功耗和溫差進行采集,從而測得流量。相比于傳統(tǒng)恒溫差式質(zhì)量流量計,該流量計在低流速時通過對橋式電路電壓差采集，以控制數(shù)字電位器改變輸入總電壓,從而實現(xiàn)探頭間溫度差恒定，測量功耗測得流量;而在高流速時，通過數(shù)字電位器控制功率恒定,探測電路各個參數(shù),從而計算得到溫度差,測得流量。該流量計針對內(nèi)徑80mm的管道,測量范圍為0~1500m³/h,量程約為傳統(tǒng)恒溫差式流量計的1.3倍,相對誤差小于1%，滿足實際使用需求。相比于傳統(tǒng)恒功率式流量計,該流量計測低流速時精度更高。
隨著科學(xué)技術(shù)和工業(yè)生產(chǎn)的迅猛發(fā)展，氣體質(zhì)量的測量在科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中愈加重要。近年來，熱式質(zhì)量流量計憑借其精度高、大量程比、便于安裝維護、無機械磨損等優(yōu)點成為當今研究的熱點方向。
然而很少有人就同一口徑的寬量程熱式流量計進行專門研究。對于傳統(tǒng)的恒溫差熱式質(zhì)量流量計，需要改變測速電阻的加熱功率來保證溫度差恒定，但是由于測量電路本身限制，導(dǎo)致最大加熱電流受限，因此可精準測量范圍有限［7］。基于陶瓷基體薄膜電阻熱式流量計，雖然解決了量程上限問題，但其對小流量無法測量。而傳統(tǒng)的恒功率熱式質(zhì)量流量計雖然量程足夠，但其在測小流量時采用較大的加熱功率，探頭間的自然對流傳熱不能忽略，無法保證小流量測量精度。
針對以上問題，設(shè)計了一種基于雙測試原理的熱式質(zhì)量流量計。該流量計基于托馬斯理論，將恒溫差法和恒功率法相結(jié)合，通常測量時采用恒溫差法進行氣體質(zhì)量測量，通過數(shù)字電位器保持兩探頭之間的溫差為100℃，測量速度探頭的功耗，根據(jù)功耗與流量的關(guān)系求得流量;測大流速時自動切換至恒功率法進行測量，保持速度探頭的功耗，測量兩探頭之間的溫度差，根據(jù)溫差與流量的關(guān)系求得流量。該流量計有效地解決了流量計量程不足問題，且在各個測量區(qū)間內(nèi)的精度都滿足使用需求。
1熱式質(zhì)量流量計測量原理
本熱式質(zhì)量流量計是基于傳統(tǒng)的托馬斯流量計以改良。熱式氣體質(zhì)量流量計利用了熱傳導(dǎo)原理，其傳感器由兩個基準級熱電阻(ＲTD)組成，其一是速度探頭T1［11］，另一個是溫度探頭T2。托馬斯流量計的原理［12］是，速度探頭因流體流動而產(chǎn)生溫度變化，測量溫度變化來反映質(zhì)量流量，或者測量所需能量與流體質(zhì)量之間的關(guān)系。依據(jù)托馬斯理論，流過速度探頭的流量與速度探頭的能量消耗可由式(1)表示。
式中，Q為速度探頭單位時間內(nèi)消耗的能量，單位為J;C為空氣的比熱容，單位為J/(kg·℃);ΔT為速度探頭和溫度探頭之間的溫度差，單位為℃;ρ為密度，單位為kg/m3;q為流經(jīng)速度探頭的空氣的質(zhì)量流量，單位為m³/h。
由式(1)可知，C為定值，q只與Q和ΔT有關(guān)。
若保持兩探頭之間的溫度差，則流量q只與速度探頭的功耗Q有關(guān);若保持速度探頭的功耗Q，則流量q只與兩探頭之間的溫度差ΔT有關(guān)。前者為恒溫差測量原理，后者為恒功率測量原理。
本文設(shè)計的熱式質(zhì)量流量計是依靠橋式電路來分別實現(xiàn)恒定雙探頭之間的溫差和控制速度探頭的功耗，速度探頭選用PT20，溫度探頭選用PT1000，溫度補償電阻為Ｒ溫補，鄰橋電阻分別為Ｒ1和Ｒ2，原理圖如圖1所示。
想要保持兩探頭溫差，只要保證電橋平衡即可。由式(2)可知:當(ＲPT1000+Ｒ溫補)×Ｒ2=ＲPT20×Ｒ1時，電橋保持平衡。當有空氣流經(jīng)速度探頭帶走熱量后，ＲPT20阻值下降，電橋平衡被打破。增大電勢差U1，從而增大PT20支路電流I1，ＲPT20溫度上升，阻值增加，電橋平衡;想要保持速度探頭的功耗不變，只需在ＲPT20阻值下降后減小U1的值，使得ＲPT20的功耗恒定。
本流量計的速度電阻最大允許電流為100mA。如讓雙探頭溫差恒定100℃，假設(shè)當前環(huán)境溫度20℃，速度探頭溫度為120℃，根據(jù)鉑電阻公式(3)可得
如上所示，量程范圍受最大電流限制。想要拓寬量程，不妨將兩種方法相結(jié)合。在速度探頭的電流達到0.09A之前采用恒溫差法進行測量，在0.09A之后采取恒功率法進行測量。0.09A時速度探頭功耗為0.237W，以此功耗為恒定功耗，流過速度探頭的流量與溫度差之間的關(guān)系如式(5)和圖3所示，對于溫差為50～100℃時具有較好的靈敏度。溫差為50℃時，此時速度探頭支路電流為0.096A，小于最大電流，所測流量為1.31869×10-2m3/h。
恒溫差法所測最大量程8.14174×10-3m3/h遠遠小于恒溫差法和恒功率法相結(jié)合所測量程1.31869×10-2m3/h。由此可得，采用恒溫差法和恒功率法相結(jié)合的方法，可以極大地拓寬熱式質(zhì)量流量計的量程，且相比于傳統(tǒng)恒功率法，在測小流量時功耗更低。
2硬件電路設(shè)計
系統(tǒng)框圖如圖4所示。電路主要分為3部分:信號調(diào)理電路、電源電路和控制電路。信號調(diào)理電路由橋式電路和差分放大電路組成;電源電路由LM317和數(shù)字電位器X9111組成;控制電路主要以STM32F103C86T為核心。雙探頭的阻值隨著溫度和流量的變化而變化。因此信號調(diào)理電路的平衡被打破，其信號由控制電路采集進行判斷。STM32根據(jù)當前速度探頭支路電流進行判斷。如果小于0.09A，采用恒溫差法，調(diào)節(jié)電源輸入，使得電橋保持平衡，采集電流值，依據(jù)電流與流量之間的關(guān)系求得流量;如果大于0.09A，采用恒功率法，調(diào)節(jié)電源輸入，使得速度探頭功耗恒定，測得雙探頭溫度差，依據(jù)溫度差與流量之間的關(guān)系求得流量。最后所測結(jié)果通過USAＲT接口傳輸至上位機。
2.1信號調(diào)理電路
信號調(diào)理電路如圖5所示，信號調(diào)理電路相鄰兩端為PT20和PT1000，另外兩端電阻為20Ω的電阻Ｒ2和1kΩ的電阻Ｒ1，在PT1000電阻一端有補償電阻Ｒ3，Ｒ1和Ｒ2兩端的電勢差經(jīng)差分放大后為U2。差分放大電路中Ｒ4=Ｒ6，Ｒ5=Ｒ7。可調(diào)直流電源提供電壓U1。無任何氣體流過時，速度探頭的溫度比溫度探頭高100℃，補償電阻Ｒ3保證電橋平衡，此時電勢差U2為0，電勢差U2由AD7066芯片進行采集。Ｒ1、Ｒ2兩端電壓U3、U4由AD7066采集后，除去阻值即可得到速度探頭和溫度探頭支路電流I1和I2。若I1值小于0.09A，采用恒溫差法，根據(jù)I1值求得流量。當進氣流量增大時，速度探頭發(fā)生熱對流，被氣體帶走一部分熱量，溫度降低，阻值減小，電橋平衡被打破�？刂齐娐犯鶕�(jù)電勢差U2增大U1輸入，I1增大使得速度探頭功耗增大，溫度上升，阻值上升，電橋重新平衡;而當進氣流量減小，速度探頭溫度升高，阻值增加，則減小U1輸入，減小I1，減小速度探頭功耗，速度探頭溫度降低，阻值減小，電橋重新平衡。若I1值大于0.09A，采用恒功率法進行測量，根據(jù)溫度差求得流量。進氣流量增大，速度探頭溫度降低，阻值減小，功耗增大，減小U1輸入，使得速度探頭功耗維持定值;進氣流量減小，速度探頭溫度升高，阻值增大，功耗減小，增大U1輸入，使得速度探頭功耗維持定值。溫度差公式如式(6)所示。
2.2電源電路
電源電路如圖6所示，以LM317為核心。LM317是應(yīng)用最為廣泛的電源集成電路之一，它不僅具有固定式三端穩(wěn)壓電路的最簡單形式，又具備輸出電壓可調(diào)的特點。此外，還具有調(diào)壓范圍寬、穩(wěn)壓性能好、噪聲低、紋波抑制比高等優(yōu)點。選用數(shù)字電位器X9111作為可調(diào)電阻ＲL。X9111總共擁有1024個軸頭，采用SPI接口通信，具有使用靈活、調(diào)節(jié)精度高等優(yōu)點。X9111最大阻值為100kΩ，同時其功耗相比于其他電位器而言很低。
2.3控制電路
控制電路以STM32F103C8T6為核心組成最小系統(tǒng)，引出足夠的I/O口以作拓展。因為信號調(diào)理電路輸出的電勢差U2具有正負極性，所以STM32F103C8T6自帶AD采集無法滿足要求，選用AD7066芯片進行采集。AD7066自帶數(shù)字濾波器，有8個采集通道，支持真正±10V或±5V的雙極性信號輸入電流。AD7066有并口接線和SPI串口接線兩種接線方式，此處采用SPI串口接線。STM32最小系統(tǒng)與AD7066之間的接線如表1所示。AD7066的V1～V4口分別采集U1～U4的電壓值。STM32通過對電位器X9111的ＲL控制改變電源輸出電壓大小。STM32的PB13口接X9111的SCK口，PB14口接X9111的SO口，PB15口接SI口。
3數(shù)據(jù)處理
為了驗證本流量計的可行性與穩(wěn)定性，對流量計進行系統(tǒng)性的測試。每次測試時間為30s，由音速噴嘴向管道均勻吹風(fēng)。測試管道內(nèi)徑為80mm，大氣壓力為100.628kPa，室溫為29.5℃。在管道前端由標準質(zhì)量測量儀測得噴嘴總量，管道后端本流量計測瞬時流量。待測試完成，調(diào)節(jié)流速，繼續(xù)下一組測量。測試平臺如圖7所示，所測結(jié)果如表2所示。
由表2數(shù)據(jù)可知，數(shù)據(jù)2、3因為所測流量較小，所以相對誤差偏大。而流速超過42．356m/s后，流量計轉(zhuǎn)用恒功率法測量，相對誤差有所減小。流量計量程約為0～1500m3/h，誤差在1%之內(nèi)，滿足使用需求。
為驗證流量計穩(wěn)定性，在實驗平臺正常工作的情況下調(diào)節(jié)流速，使得平均流量在96m3/h的前提下連續(xù)采集6組瞬時流量數(shù)據(jù)，所測結(jié)果如表3所示。
由表3可知，流量計所測的瞬時流量的最大變化量為0.142m3/h，具有較好的穩(wěn)定性，能夠準確地對管道瞬時流量進行測量。
4結(jié)束語
本熱式流量傳感器，根據(jù)速度探頭支路電流大小切換恒溫差法和恒功率法對空氣流量進行測量。本流量計相比于傳統(tǒng)恒溫差式流量計，可以在速度探頭電
流接近最大值時，切換至恒功率法繼續(xù)進行測量，拓寬了流量計的量程。且相比于恒功率流量計，本流量計在測小流量時功耗更低，精度更高。但相對于傳統(tǒng)的恒溫差式熱式流量計采用三極管對電流直接控制，本流量計是通過STM32對電位器控制從而調(diào)節(jié)電源輸入，在響應(yīng)方面比起傳統(tǒng)恒溫差式流量計稍慢，還需進一步改進。
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