摘要(yao):傳統恒溫差式(shì)熱式流量計 受(shou)到測量電路本(ben)身限制，最大加(jia)熱電流受限，因(yīn)此測量範🐅圍有(yǒu)限。設計研制了(le)一種結合恒溫(wēn)差法和恒功率(lü)法的熱式質量(liang)流量計 。該流量(liàng)計是基于托馬(ma)斯理論，對功耗(hao)和溫差進行🧡采(cǎi)集,從而測得流(liu)量。相比于傳統(tong)恒溫差式質量(liang)流量計,該流量(liàng)計在低流速時(shi)通過對橋式電(diàn)路電壓差采集(jí)✊，以控制數字電(dian)位器改🌈變輸入(ru)🥰總電壓,從而實(shi)現探頭間溫度(du)差恒定，測量功(gōng)耗測得流量;而(er)在高流速時，通(tong)過數字電位‼️器(qi)控制功率恒定(ding),探測電路各個(gè)參數,從而計算(suan)得到溫度差,測(ce)得流量。該流量(liàng)計針對内徑80mm的(de)管道,測量範圍(wei)爲0~1500m³/h,量程約爲傳(chuán)統恒🍓溫差式流(liú)量計的1.3倍,相對(duì)誤差小于🌐1%，滿❤️足(zú)實際使👅用需求(qiu)。相比于傳統恒(héng)功率式流量計(ji),該流量💋計測💚低(dī)流速時精度更(gèng)高。
　　随着科學技(jì)術和工業生産(chǎn)的迅猛發展，氣(qì)體質量的測量(liang)🐕在科學研究、工(gong)業生産和日常(chang)生活中愈加重(zhòng)要💯。近年來，熱式(shi)質🔅量流量計憑(píng)借其精度高、大(dà)量程比、便于安(ān)裝維護、無🐉機械(xiè)磨🙇‍♀️損等優點成(cheng)爲當今😘研究的(de)熱🔞點方向。
　　然而(er)很少有人就同(tong)一口徑的寬量(liang)程熱式流量計(ji)進行🐇專門研究(jiū)。對于傳統的恒(héng)溫差熱式質量(liàng)流量📞計，需要改(gǎi)變測速電阻的(de)加熱功率來保(bao)證溫度差恒定(dìng)，但是由于測量(liàng)電路本身限制(zhì)，導🌍緻最大加熱(rè)電流受限，因此(cǐ)可精準測量範(fan)🛀圍有限［7］。基于陶(táo)瓷基體薄膜電(diàn)阻熱式流量計(jì)✨，雖然解決了量(liang)程上限問🤩題，但(dan)其對小流量無(wu)法測量。而傳統(tong)的恒功率熱式(shi)質量流量計雖(sui)然量程足夠，但(dan)其在測小流量(liang)時采用較大的(de)加熱功率🌂，探頭(tóu)間的自然對流(liu)傳熱不能忽略(luè)，無法保證小流(liú)量測量精度。
　　針(zhen)對以上問題，設(shè)計了一種基于(yú)雙測試原理的(de)熱式質量流量(liang)計。該流量計基(ji)于托馬斯理論(lùn)，将恒溫差法和(he)恒功率法相結(jié)合，通常測量時(shi)采用恒溫差法(fǎ)進行氣體質量(liang)測量，通過數字(zì)電位器保持兩(liǎng)探🌍頭之間的溫(wēn)差爲100℃，測🌈量速度(du)探頭的功耗，根(gēn)據功耗❌與流量(liang)的關系求得流(liú)量;測大流速時(shí)🈲自動切換至🌈恒(heng)功率法進♻️行測(ce)量，保持速度探(tàn)頭的功耗，測量(liàng)兩探頭之間的(de)溫度差，根據🆚溫(wen)差與流🛀🏻量的關(guān)系求得流量。該(gai)流量計有效地(dì)解決了流量計(ji)量㊙️程不足問題(tí)，且在各🌈個測量(liàng)區間内的精度(du)都滿足使用🏃‍♀️需(xu)求。
1熱式質量流(liu)量計測量原理(li)
　　本熱式質量流(liú)量計是基于傳(chuan)統的托馬斯流(liú)量計💁以☔改良。熱(re)式氣體質量流(liú)量計利用了熱(rè)傳導原理，其傳(chuan)感器♋由兩個基(jī)準級熱電阻(ＲTD)組(zu)成，其一是速度(dù)探頭T1［11］，另一個是(shi)溫度探頭T2。托馬(ma)斯流量計的原(yuan)理［12］是，速度探頭(tou)☁️因流體流動而(ér)産生溫度變化(huà)，測量溫度🔴變化(hua)來反映質量流(liu)量，或者測量所(suo)需能量與流體(ti)質量之間的關(guan)系。依據托馬斯(sī)🛀理論，流過速度(du)探頭的流量與(yǔ)速度探頭的能(neng)🥵量消耗可由式(shi)(1)表示。
 
　　式中，Q爲速(su)度探頭單位時(shi)間内消耗的能(neng)量，單位爲J;C爲空(kong)氣的比熱容，單(dan)位爲J/(kg·℃);ΔT爲速度探(tan)頭和溫度探頭(tou)之間的溫度差(chà)，單位爲℃;ρ爲密度(du)，單位爲kg/m3;q爲流經(jing)速度👣探頭的空(kōng)氣的質量流量(liàng)，單位⭐爲m³/h。
由式(1)可(kě)知，C爲定值，q隻與(yǔ)Q和ΔT有關。
　　若保持(chí)兩探頭之間的(de)溫度差，則流量(liàng)q隻與速度探頭(tou)♻️的功耗Q有關;若(ruò)保持速度探頭(tóu)的功耗Q，則流量(liàng)q隻㊙️與兩探頭❤️之(zhī)間的溫度差ΔT有(yǒu)關。前者爲恒溫(wen)差測量原理，後(hòu)💔者爲恒🈲功率測(cè)量原理。
　　本文設(shè)計的熱式質量(liang)流量計是依靠(kào)橋式電路來分(fèn)🌐别實現♻️恒💯定雙(shuāng)探頭之間的溫(wēn)差和控制速度(du)探頭的功耗，速(su)度🔞探頭選用PT20，溫(wēn)度探頭選用PT1000，溫(wen)度補償電阻爲(wèi)Ｒ溫補，鄰橋電阻(zu)分别爲Ｒ1和Ｒ2，原理(lǐ)✉️圖如圖1所示。
 
　　想(xiǎng)要保持兩探頭(tou)溫差，隻要保證(zheng)電橋平衡即可(ke)。由式(2)可知:當(ＲPT1000+Ｒ溫(wen)補)×Ｒ2=ＲPT20×Ｒ1時，電橋保持(chí)平衡。當有空氣(qi)流經速度探頭(tóu)帶走熱🍓量後，ＲPT20阻(zǔ)值下降，電橋平(ping)衡被打破。增大(dà)電勢差U1，從而增(zeng)大PT20支路電流I1，ＲPT20溫(wen)度上升，阻值增(zeng)加，電橋平衡;想(xiǎng)要保持速度探(tàn)頭的功耗不變(bian)，隻需在ＲPT20阻值下(xia)降後減小U1的值(zhí)，使得ＲPT20的功耗恒(heng)♊定。
　　本流量計的(de)速度電阻最大(dà)允許電流爲100mA。如(ru)讓雙探頭溫差(chà)恒定🈲100℃，假設當前(qian)環境溫度20℃，速度(dù)探頭溫度爲120℃，根(gen)據鉑電阻公式(shi)(3)可得
 
　　如上所示(shì)，量程範圍受最(zuì)大電流限制。想(xiǎng)要拓寬量🙇‍♀️程，不(bú)妨将兩種方法(fǎ)相結合。在速度(du)探頭的電流達(da)到0.09A之前采用恒(heng)溫差法進行測(ce)量，在0.09A之後采取(qu)恒功率法進行(háng)測量🐅。0.09A時速度✂️探(tan)頭功耗爲0.237W，以此(ci)功耗爲恒定功(gong)耗，流過速度探(tan)頭的流量與溫(wen)度差之間的關(guan)系如式(5)和圖🚶3所(suo)示，對于溫差爲(wèi)50～100℃時具有㊙️較好的(de)靈敏度。溫差爲(wèi)50℃時，此🍉時速度探(tan)頭支路電流爲(wei)0.096A，小于最大🈲電流(liu)，所測流量爲😍1.31869×10-2m3/h。
 
　　恒(héng)溫差法所測最(zuì)大量程8.14174×10-3m3/h遠遠小(xiao)于恒溫差法和(hé)恒功率法相結(jié)合所測量程1.31869×10-2m3/h。由(you)此可得，采用恒(heng)溫差法和恒功(gong)率法相✊結合⛹🏻‍♀️的(de)方法，可以極大(dà)地拓寬熱式質(zhì)量流量計的量(liang)程，且相比于傳(chuán)統恒功率法，在(zài)測小流量時功(gong)耗更低。
2硬件電(dian)路設計
　　系統框(kuang)圖如圖4所示。電(diàn)路主要分爲3部(bù)分:信号調理電(diàn)路、電源電✍️路和(hé)控制電路。信号(hào)調理電路由橋(qiáo)式電路和差🧡分(fèn)放大電📞路組成(cheng);電源電路由LM317和(hé)數字電位器X9111組(zǔ)成;控制電路主(zhǔ)要以STM32F103C86T爲核心。雙(shuāng)探頭的阻值随(sui)着溫度和流量(liang)的變化而變化(huà)。因此信🐕号調理(li)電路的平衡被(bèi)打破，其信号由(yóu)控制電路采集(ji)進行判🈲斷。STM32根據(jù)當前✔️速🆚度探頭(tóu)支路電流進行(hang)判斷。如🍉果小于(yu)0.09A，采用恒溫差法(fǎ)，調節電源輸入(rù)，使得電橋保持(chi)平衡，采集電流(liu)值，依據電流與(yu)流量之間的關(guān)系求得流量;如(ru)果大于0.09A，采用恒(heng)功率法，調節電(diàn)源輸入，使得㊙️速(sù)度探頭功耗恒(héng)定，測得雙探頭(tou)溫度差，依據溫(wen)度🏃‍♂️差與流量之(zhi)間的關系求得(de)🔅流量。最後所測(cè)結果通過USAＲT接⭐口(kǒu)傳輸至上位機(jī)。
 
2.1信号調理電路(lu)
　　信号調理電路(lù)如圖5所示，信号(hao)調理電路相鄰(lín)兩端爲🛀PT20和PT1000，另外(wai)兩端電阻爲20Ω的(de)電阻Ｒ2和1kΩ的電阻(zǔ)Ｒ1，在PT1000電阻一🐪端有(you)❤️補償電阻📱Ｒ3，Ｒ1和Ｒ2兩(liǎng)❓端的☎️電勢差經(jīng)差分放大後爲(wèi)U2。差分放大電路(lu)中Ｒ4=Ｒ6，Ｒ5=Ｒ7。可調直流電(dian)🈲源提供電壓U1。無(wu)任何氣體流過(guo)時，速度探頭的(de)溫度比溫度探(tan)頭高100℃，補償電阻(zǔ)Ｒ3保證電橋平衡(héng)，此時電勢差U2爲(wei)0，電勢差U2由AD7066芯片(pian)進行采集。Ｒ1、Ｒ2兩端(duan)電壓U3、U4由AD7066采集後(hou)，除去阻值即可(ke)✏️得到速度探頭(tóu)和溫度🌈探頭支(zhī)✏️路電流I1和I2。若I1值(zhi)小于0.09A，采用恒溫(wēn)差法，根據I1值求(qiu)🐕得流量。當進氣(qi)流量增大時，速(su)🐆度探頭發🌍生熱(rè)對流，被💘氣體帶(dài)走一部分熱量(liang)，溫度降低，阻值(zhi)減小，電橋平衡(héng)被打破。控制電(dian)🆚路根據電🐉勢差(cha)U2增大U1輸入，I1增大(dà)使得🤟速度探頭(tou)功耗增大，溫度(du)上升，阻值上升(shēng)，電橋重新平衡(héng);而當進氣流量(liàng)減小，速度探頭(tóu)溫度升高，阻值(zhí)增加，則減小✔️U1輸(shu)入，減小I1，減小速(sù)度探頭功耗，速(su)度探頭溫度降(jiàng)低，阻值減小👉，電(diàn)橋重新平衡。若(ruò)I1值大于0.09A，采用恒(heng)功率法進行測(cè)量，根據溫度差(cha)求得流量。進氣(qì)流量增大，速度(du)🙇🏻探頭溫度降低(di)，阻值減小，功耗(hào)增大，減小U1輸入(ru)，使得速度探頭(tou)功耗維持定值(zhí);進氣流量減小(xiao)，速度探頭溫度(du)升高，阻值增大(dà)，功耗減小，增大(dà)U1輸🌈入，使得速度(dù)探頭功耗維持(chí)定值。溫度差公(gong)🔴式如式(6)所示。
 
2.2電(dian)源電路
　　電源電(dian)路如圖6所示，以(yǐ)LM317爲核心。LM317是應用(yong)最爲廣泛的電(diàn)源集成電👅路之(zhī)一，它不僅具有(you)固定式三端穩(wen)壓電路的最簡(jian)單形式，又具備(bèi)輸出電壓可調(diao)的特點㊙️。此外，還(hai)💜具有調壓範圍(wei)寬、穩壓性能好(hao)🌈、噪聲低、紋波抑(yi)制比高等優點(dian)。選用數字電位(wèi)器X9111作爲㊙️可調電(dian)阻ＲL。X9111總共擁有1024個(gè)軸頭，采用SPI接口(kou)通信，具有使用(yong)靈活、調🔱節精度(dù)高等🍉優點。X9111最大(da)阻值爲100kΩ，同時其(qí)功耗相比于其(qi)他電位器而言(yan)很低。
 
2.3控制電路(lu)
　　控制電路以STM32F103C8T6爲(wèi)核心組成最小(xiǎo)系統，引出足夠(gòu)的I/O口以作拓展(zhan)。因爲信号調理(li)電路輸出的電(diàn)勢差U2具有正負(fu)‼️極性，所以STM32F103C8T6自帶(dai)AD采集無法滿足(zú)要求，選用AD7066芯片(pian)進行采👌集。AD7066自帶(dài)數字濾波器，有(yǒu)8個采集通道，支(zhī)持真正±10V或±5V的雙(shuāng)極性信号🚩輸入(ru)電流。AD7066有并口接(jiē)線和SPI串口接線(xiàn)兩種接⭐線方式(shì)，此處采用SPI串口(kou)接線。STM32最小系統(tong)與AD7066之間的接線(xian)🔞如表1所示。AD7066的V1～V4口(kou)分别采集U1～U4的電(diàn)壓值。STM32通過對電(diàn)位器X9111的♻️ＲL控制改(gǎi)🥵變電源輸出電(diàn)壓大小。STM32的PB13口接(jiē)X9111的SCK口，PB14口接X9111的SO口(kou)，PB15口接SI口。
 
3數據處(chu)理
　　爲了驗證本(běn)流量計的可行(háng)性與穩定性，對(duì)流量計進行系(xi)統性的測試。每(měi)次測試時間爲(wei)30s，由音速噴嘴向(xiàng)管道均勻吹🐪風(fēng)。測試管道内徑(jing)爲80mm，大氣壓力爲(wei)100.628kPa，室🏃‍♂️溫爲29.5℃。在管道(dao)前端由标準質(zhì)量測量儀測得(dé)噴嘴總量，管道(dào)後端本流量計(ji)測瞬時流量。待(dai)測試完成，調節(jiē)流速，繼續下一(yī)組測量‼️。測試平(píng)台如圖7所示，所(suǒ)測結果如表2所(suo)示。
 
 
　　由表2數據可(kě)知，數據2、3因爲所(suǒ)測流量較小，所(suǒ)以相對誤差偏(pian)大。而流速超過(guò)42．356m/s後，流量計轉用(yong)恒功率法測量(liang)，相對誤差有所(suo)減小。流🌈量計量(liang)程約爲0～1500m3/h，誤差在(zai)1%之内，滿足使用(yòng)需求。
　　爲驗證流(liú)量計穩定性，在(zài)實驗平台正常(chang)工作的情況下(xià)調🌈節流速，使得(dé)平均流量在96m3/h的(de)前提下連續采(cai)集6組瞬時流量(liàng)數據，所測結果(guǒ)如表3所示。
 
　　由表(biǎo)3可知，流量計所(suǒ)測的瞬時流量(liang)的最大變化量(liang)爲0.142m3/h，具有較好的(de)穩定性，能夠準(zhǔn)确地對管道瞬(shun)時流量進行測(ce)量。
4結束語
　　本熱(rè)式流量傳感器(qì)，根據速度探頭(tóu)支路電流大小(xiǎo)切換恒溫差法(fa)和恒功率法對(duì)空氣流量進行(hang)測量。本流量計(jì)相比♈于傳💯統恒(heng)❓溫差式流量計(ji)，可以在速度探(tàn)頭電
　　流接近最(zuì)大值時，切換至(zhi)恒功率法繼續(xù)進行測量，拓寬(kuān)了流🔅量😘計的量(liàng)程。且相比于恒(heng)功率流量計，本(ben)流量計在測小(xiao)流量時功耗更(gèng)低，精度更高。但(dan)相對于傳統的(de)恒溫差式熱式(shì)流量計采用三(sān)極管對電流直(zhi)接控制，本流量(liang)計是通過STM32對電(diàn)位器控制從而(er)調節電源輸入(ru)，在響應方☎️面比(bi)起傳統恒溫差(cha)式流㊙️量計稍慢(man)，還需進一步改(gǎi)進。

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