摘要(yao):傳統恒溫差式熱(re)式流量計 受到測(cè)量電路本身限制(zhì)，最大加熱電流受(shou)限，因此測量範😄圍(wéi)✂️有♉限。設計研制了(le)一種結合恒溫差(cha)法和恒功👈率法的(de)熱式質量流量計(ji) 。該流量計是基于(yu)托馬斯理論，對功(gong)耗和溫差進行🤩采(cai)集,從而測得流量(liang)。相比于傳統恒溫(wēn)差式質量流量計(ji)🥰,該流量計在低流(liú)速時通過對橋式(shì)電路電壓差采集(jí)，以控制數字電位(wèi)器改變輸入總電(diàn)壓,從而🍉實現探頭(tóu)間溫度差⭐恒定，測(ce)量功耗測得流量(liàng);而在高流速時，通(tong)過數字電位🏃🏻‍♂️器控(kòng)制功率恒定,探測(ce)電路各個參數💯,從(cong)而計算得到溫度(dù)差,測得流量。該流(liú)量計針對内徑80mm的(de)管道,測💋量範圍爲(wèi)0~1500m³/h,量程約爲傳統恒(héng)✔️溫差式流量計的(de)1.3倍,相對誤差小于(yú)♉1%，滿💰足實際使用需(xū)求。相比于傳統恒(heng)功率式❄️流量計,該(gāi)流量計測低流速(sù)時精度更高。
　　随着(zhe)科學技術和工業(yè)生産的迅猛發展(zhǎn)，氣體質量的測量(liang)在科💛學研究、工業(ye)生産和日常生活(huo)中愈加重要。近年(nián)🐅來，熱式質量流量(liang)計憑借其精度高(gāo)、大量程比、便于安(an)裝🈲維護、無機械磨(mó)🐇損等優點成爲當(dāng)今研究的熱⁉️點方(fang)向。
　　然而很少有人(rén)就同一口徑的寬(kuān)量程熱式流量計(ji)💜進行專門🏃‍♀️研究。對(dui)于傳統的恒溫差(chà)熱式質量流量計(ji)，需要改🐕變測🤩速電(dian)阻的加熱功率來(lái)保證溫度差恒定(dìng)，但是由于測量電(dian)路本身限制，導緻(zhì)最大加熱🌈電流受(shòu)限，因此可精準測(ce)量範圍有限［7］。基于(yu)陶瓷基體薄膜電(dian)阻熱式流量計🤩，雖(sui)然解決了量程上(shàng)限問題，但其對小(xiǎo)流量無法測量。而(ér)💃🏻傳統的恒功率👌熱(rè)式質量流量㊙️計雖(suī)然量程足夠，但其(qi)在測小流量時采(cai)用✍️較大的加熱功(gong)率，探頭間的自然(ran)對流傳熱不能忽(hū)略，無法🤩保證小流(liu)量❄️測量精度。
　　針對(duì)以上問題，設計了(le)一種基于雙測試(shì)原理的熱式質⁉️量(liàng)🈚流量計。該流量計(ji)基于托馬斯理論(lùn)，将恒溫差法和恒(héng)功率法相結合，通(tōng)常測量時采用恒(héng)溫差法進行氣體(ti)質量測量，通過數(shù)字電位器保持兩(liǎng)探頭之間的溫差(cha)爲100℃，測量速度探頭(tou)的功耗✂️，根據功耗(hào)⛱️與流量的關⁉️系求(qiu)得流量;測大流速(sù)時自動切換至☁️恒(heng)功率法進行測量(liàng)，保持速度探頭的(de)功耗，測量兩💘探頭(tou)之間的溫度差，根(gēn)據溫差與流量的(de)關系求得流量。該(gai)流量計有效地解(jiě)決了流量計🏃量程(chéng)不足問題，且在各(ge)個測量區間🌂内的(de)精度都滿足使用(yong)需求。
1熱式質量流(liu)量計測量原理
　　本(běn)熱式質量流量計(ji)是基于傳統的托(tuō)馬斯流量計以改(gǎi)良。熱式氣體質量(liang)流量計利用了熱(rè)傳導原理，其傳感(gan)器由兩🈚個基準級(jí)熱電阻(ＲTD)組成，其一(yī)是速度探頭T1［11］，另一(yi)個是溫度探頭T2。托(tuo)馬😘斯流量計的原(yuán)理［12］是，速度探頭🈲因(yīn)流體流動而産生(sheng)溫度變化☎️，測量溫(wēn)度變化來反映質(zhì)量流量，或者測量(liàng)所需能量與流體(tǐ)質量之間的關🛀🏻系(xì)。依據托馬斯理論(lun)，流過速度🔱探頭的(de)流量與速度探頭(tóu)的能量消耗可🈲由(yóu)式(1)表示。
 
　　式中，Q爲速(su)度探頭單位時間(jian)内消耗的能量，單(dan)位爲J;C爲空氣的比(bǐ)熱容，單位爲J/(kg·℃);ΔT爲速(sù)度探頭和溫度探(tan)頭之間的溫度差(chà)，單位爲℃;ρ爲🔴密度，單(dan)位爲kg/m3;q爲流經速度(dù)探頭的空氣的質(zhi)量流🚶量，單位爲m³/h。
由(you)式(1)可知，C爲定值，q隻(zhī)與Q和ΔT有關。
　　若保持(chí)兩探頭之間的溫(wēn)度差，則流量q隻與(yu)速度探頭的功耗(hào)Q有關;若保持速度(du)探頭的功耗Q，則流(liu)量q隻與兩探頭之(zhi)間⭕的溫度差ΔT有關(guan)。前者爲恒溫差測(ce)量原理，後💞者爲恒(heng)🔴功率測量原理。
　　本(běn)文設計的熱式質(zhì)量流量計是依靠(kao)橋式電路來💜分别(bie)實現恒定雙探頭(tou)之間的溫差和控(kòng)制速度探頭的功(gong)耗，速度探頭選用(yong)PT20，溫度探頭選用PT1000，溫(wēn)度補償電阻爲Ｒ溫(wen)補，鄰橋電阻分别(bié)爲Ｒ1和Ｒ2，原理圖如圖(tu)1所示。
 
　　想要保持兩(liang)探頭溫差，隻要保(bǎo)證電橋平衡即可(ke)。由式(2)可知:當(ＲPT1000+Ｒ溫補(bu))×Ｒ2=ＲPT20×Ｒ1時，電橋保持平衡(héng)。當有空氣流經速(sù)度探頭帶走熱量(liàng)後☎️，ＲPT20阻值下降，電橋(qiao)平衡被打破。增大(dà)電勢差U1，從而增大(da)PT20支路電流I1，ＲPT20溫度上(shang)升，阻值增加，電橋(qiao)平衡;想要保持🍉速(su)度探頭的功耗不(bu)變，隻需在ＲPT20阻值下(xià)降後減小U1的值，使(shǐ)得ＲPT20的功耗恒定。
　　本(běn)流量計的速度電(diàn)阻最大允許電流(liu)爲100mA。如讓雙探頭溫(wen)差恒定100℃，假設當前(qián)環境溫度20℃，速度探(tan)頭溫度爲120℃，根據⭐鉑(bo)電🔱阻公式(3)可得
 
　　如(rú)上所示，量程範圍(wei)受最大電流限制(zhi)。想要拓寬量程，不(bú)妨✍️将❄️兩☀️種方法相(xiang)結合。在速度探頭(tou)的電流達‼️到0.09A之☁️前(qián)采🈲用恒溫差法進(jìn)行測量，在0.09A之後采(cai)取恒功率法進行(háng)測量❌。0.09A時速度探頭(tou)功耗爲0.237W，以此功耗(hao)爲恒✏️定功耗，流過(guo)速度探頭的流量(liang)🤩與溫度差之間的(de)關系如式(5)和圖♊3所(suǒ)示，對于溫差爲50～100℃時(shi)具有較好的靈敏(mǐn)🈲度。溫差爲50℃時，此時(shi)速度探頭支路電(diàn)流爲0.096A，小于💔最大電(dian)流，所測流量爲1.31869×10-2m3/h。
 
　　恒(héng)溫差法所測最大(dà)量程8.14174×10-3m3/h遠遠小于恒(heng)溫差法和恒功💘率(lü)法💛相結合所測量(liang)程1.31869×10-2m3/h。由此可得，采用(yong)恒溫差法和恒功(gōng)率❄️法相結合的方(fang)法，可以極大地拓(tuo)寬熱式質量流量(liàng)計的❓量程，且相比(bi)于傳統恒☔功率法(fǎ)，在測小流量時功(gōng)耗更低。
2硬件電路(lu)設計
　　系統框圖如(rú)圖4所示。電路主要(yao)分爲3部分:信号調(diào)理電路、電源電路(lu)和控制電路。信号(hào)調理電路由橋式(shi)電路和差分放大(dà)電路組成;電源電(diàn)路由LM317和數字電位(wei)器X9111組成;控制電路(lù)主要以STM32F103C86T爲✌️核心。雙(shuang)探頭的阻值随着(zhe)溫度和流量的變(biàn)化而變♈化。因此信(xìn)‼️号調理電路的平(ping)衡被打破，其信号(hao)由控制電路采集(jí)進行判斷。STM32根據當(dang)前速度探頭支路(lu)電流進行判斷。如(rú)果小于0.09A，采用恒溫(wēn)差法，調節電源輸(shū)入，使得電橋保持(chi)平衡，采集電流值(zhí)，依據🔞電流與流量(liang)之間的關系求得(dé)流量;如果大于0.09A，采(cai)用恒功率法，調節(jie)電源輸入，使得速(sù)度探頭功耗恒定(ding)，測得雙探頭溫度(dù)差，依據溫度💰差與(yǔ)流量之間的關系(xi)求得流量。最後所(suo)測結果通過USAＲT接口(kǒu)傳輸至上位機。
 
2.1信(xìn)号調理電路
　　信号(hao)調理電路如圖5所(suo)示，信号調理電路(lù)相鄰兩端爲PT20和PT1000，另(ling)👌外兩端電阻爲20Ω的(de)電阻Ｒ2和1kΩ的電阻Ｒ1，在(zài)PT1000電阻一端有☔補償(chang)電阻Ｒ3，Ｒ1和Ｒ2兩端的🈲電(dian)勢差經差分放大(da)後爲U2。差分放🐇大電(diàn)路🌈中Ｒ4=Ｒ6，Ｒ5=Ｒ7。可調直流電(diàn)源提供電壓U1。無任(ren)何氣體流過時，速(sù)度探頭的溫度比(bǐ)溫度探頭高100℃，補償(cháng)✌️電阻Ｒ3保證電橋平(ping)衡，此時電勢差U2爲(wei)0，電💯勢差U2由AD7066芯片💋進(jìn)行采集。Ｒ1、Ｒ2兩💃🏻端電壓(ya)U3、U4由AD7066采集後，除去阻(zu)值即可得到速度(du)探頭和溫度♉探頭(tou)支路電流I1和🈲I2。若I1值(zhí)小于0.09A，采用🤟恒溫差(chà)法，根據I1值求得流(liu)量。當進氣流量增(zēng)大時，速度探頭發(fā)♋生熱對流，被氣體(ti)帶走一部分熱量(liang)👄，溫度降低，阻值減(jian)小，電🈲橋平衡被打(dǎ)破。控制電🈚路根據(ju)電勢差U2增大U1輸入(rù)，I1增大使得速度探(tan)頭功耗增大，溫度(dù)上升，阻值上升，電(dian)橋重新平衡;而當(dang)進氣流量減小，速(sù)度探頭溫度升高(gāo)，阻值增加，則減小(xiǎo)U1輸入，減小I1，減⛷️小速(su)度探頭功耗，速度(du)探頭溫度降低，阻(zu)值減小，電🌐橋重新(xin)平衡。若I1值大于0.09A，采(cai)用恒功率法進行(hang)測量，根據溫♌度差(chà)求得流量。進氣流(liu)量增大，速度🌈探頭(tou)溫度降低，阻值減(jian)小，功耗增大，減小(xiao)U1輸入，使得速度探(tan)頭功耗維持定值(zhi);進氣流量減小，速(su)度探頭溫度升高(gao)，阻值增大，功耗減(jian)小，增大U1輸☀️入，使得(dé)速度探頭功耗🥰維(wéi)持定值。溫度差公(gong)式如式(6)所示。
 
2.2電源(yuan)電路
　　電源電路如(rú)圖6所示，以LM317爲核心(xīn)。LM317是應用最爲廣泛(fan)的⁉️電源💜集成電👄路(lu)之一，它不僅具有(yǒu)固定式三端穩壓(ya)電路的最簡單形(xing)式，又具備輸出電(diàn)壓可調的特點。此(ci)外，還具有調壓範(fan)圍寬、穩壓性能好(hao)、噪聲低、紋波抑制(zhì)比高等優點。選用(yòng)數字電位器X9111作爲(wèi)可調電阻ＲL。X9111總共擁(yōng)有1024個軸頭，采用SPI接(jie)口通信，具有使用(yòng)靈活、調‼️節精度高(gāo)等✂️優點。X9111最大阻值(zhi)爲100kΩ，同時其功耗相(xiang)比于其他電位♍器(qì)而言✌️很低。
 
2.3控制電(dian)路
　　控制電路以STM32F103C8T6爲(wèi)核心組成最小系(xì)統，引出足夠的I/O口(kou)以作拓展。因爲信(xìn)号調理電路輸出(chu)的電勢差U2具有正(zheng)負極性，所以STM32F103C8T6自帶(dai)AD采集無法滿足要(yao)求，選用AD7066芯片進行(háng)采✂️集。AD7066自帶數字濾(lü)波器，有8個采集通(tong)道，支持真正±10V或±5V的(de)雙極性信号輸入(ru)電流。AD7066有并口接㊙️線(xiàn)和SPI串口🔴接線兩種(zhǒng)接🐅線方式，此處采(cai)用SPI串口接線。STM32最小(xiao)系統👣與AD7066之間的接(jie)線如表1所示。AD7066的V1～V4口(kǒu)🤞分别采集U1～U4的電🔴壓(yā)值。STM32通過對電位器(qì)X9111的ＲL控制改變電源(yuán)輸出電壓大小。STM32的(de)PB13口接X9111的SCK口，PB14口接X9111的(de)SO口，PB15口接SI口。
 
3數據處(chu)理
　　爲了驗證本流(liú)量計的可行性與(yǔ)穩定性，對流量計(jì)進🌈行系統性的測(ce)試。每次測試時間(jian)爲30s，由音速噴嘴向(xiàng)管道均勻吹風。測(cè)試管道内徑爲80mm，大(da)氣壓力爲100.628kPa，室溫爲(wèi)29.5℃。在管道前🔱端由标(biao)準質量㊙️測量儀測(ce)得噴嘴總💃🏻量，管道(dào)後端本流量計測(ce)瞬時流量。待測🌂試(shì)完成，調節流速，繼(ji)續下一組測量。測(ce)試平台如圖7所示(shi)，所測結果如表2所(suǒ)示。
 
 
　　由表2數據可知(zhī)，數據2、3因爲所測流(liú)量較小，所以相對(duì)誤差偏大。而🔞流速(sù)超過42．356m/s後，流量計轉(zhuǎn)用恒功率法測❄️量(liang)，相對誤差有所減(jian)小。流量計量程約(yue)爲0～1500m3/h，誤差在1%之内，滿(mǎn)足使用需求。
　　爲驗(yan)證流量計穩定性(xìng)，在實驗平台正常(chang)工作的情況下調(diao)節🐇流速，使得平均(jun)流量在96m3/h的前提下(xia)連續采集6組瞬時(shí)流量數據，所測結(jie)果如表3所示。
 
　　由表(biǎo)3可知，流量計所測(ce)的瞬時流量的最(zuì)大變化量😄爲0.142m3/h，具有(yǒu)較✌️好的穩定性，能(neng)夠準确地對管道(dao)瞬時流量進❌行測(cè)量。
4結束語
　　本熱式(shi)流量傳感器，根據(jù)速度探頭支路電(dian)流大小切換🐕恒溫(wen)差法和恒功率法(fa)對空氣流量進行(hang)測量。本流❗量計相(xiàng)比于傳統恒溫差(chà)式流量計，可以在(zài)速度探頭電
　　流接(jie)近最大值時，切換(huan)至恒功率法繼續(xù)進行測量，拓寬👉了(le)流量💰計的量程。且(qiě)相比于恒功率流(liú)量計，本流量計在(zai)測小🔆流量時功💞耗(hao)更低，精度更高。但(dan)相對于傳統的恒(heng)溫差式熱式流量(liàng)🐅計采用三極管對(dui)電流直接控制，本(běn)流量計是通過STM32對(duì)電位器控制從而(ér)調節電源輸🌐入，在(zài)響應方面比起傳(chuán)統恒溫差式流📧量(liang)計稍慢，還需進一(yi)步改進。

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