摘要(yao):傳統恒(heng)溫差式(shì)熱式流(liú)量計 受(shou)到測量(liang)電路本(běn)身限制(zhi)，最大加(jia)熱電流(liu)受限，因(yīn)此測量(liang)範圍有(yǒu)限。設計(ji)研制了(le)一種結(jié)合恒溫(wen)差法和(hé)恒功✂️率(lü)法的熱(re)式質量(liang)流量計(jì) 。該流量(liang)計是基(jī)于托馬(ma)斯理論(lun)，對功耗(hao)和溫差(chà)進行采(cǎi)集,從而(er)測🐆得流(liú)量。相比(bǐ)于傳統(tǒng)恒溫差(cha)式質量(liang)流👣量計(ji),該流量(liàng)計在低(dī)🌈流速時(shí)通過對(dui)橋式電(diàn)路電壓(yā)差采集(ji)，以控制(zhì)💋數字電(dian)位器改(gai)🔆變輸入(ru)總電壓(yā),從而實(shi)現探頭(tou)間溫度(du)差恒定(dìng)，測量功(gong)耗測得(dé)流量;而(er)在☔高流(liu)速時，通(tōng)過數字(zi)電位器(qì)控制功(gōng)率🈚恒定(dìng),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(liang)。該流量(liang)計針對(dui)内徑80mm的(de)管道,測(ce)✊量範圍(wéi)爲0~1500m³/h,量程(chéng)約爲傳(chuan)統恒溫(wen)差式流(liu)量計的(de)🧡1.3倍,相對(dui)誤差小(xiǎo)于1%，滿✊足(zú)實際使(shi)用需求(qiu)。相比于(yú)傳統恒(heng)功率式(shi)流量計(ji),該流量(liang)計測低(dī)流速時(shi)精度更(geng)高。
　　随着(zhe)科學技(jì)術和工(gong)業生産(chǎn)的迅猛(meng)發展，氣(qì)體質量(liang)的測量(liàng)❓在科學(xué)研究、工(gōng)業生産(chan)和日常(cháng)生活中(zhōng)愈加重(zhong)要📧。近年(nián)來，熱式(shi)質量流(liu)量計憑(ping)借其精(jing)度高、大(da)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(jin)研究的(de)熱點方(fang)向。
　　然而(er)很少有(you)人就同(tóng)一口徑(jìng)的寬量(liang)程熱式(shi)流量計(jì)⛷️進行🐅專(zhuān)門研究(jiu)。對于傳(chuan)統的恒(heng)溫差熱(re)式質量(liàng)流量計(jì)，需要改(gǎi)變測速(su)電阻的(de)加熱功(gōng)率來保(bao)證溫度(dù)差♊恒定(ding)，但💋是由(you)于🤟測量(liang)電路本(běn)身限制(zhì)，導緻最(zuì)大加熱(rè)電流受(shou)限，因此(cǐ)可精準(zhǔn)測量範(fan)圍有限(xian)［7］。基于陶(táo)瓷基體(ti)薄膜電(dian)阻熱式(shì)流量計(jì)，雖然解(jie)決了量(liàng)程上限(xiàn)問題，但(dan)其對小(xiao)流量無(wu)法測量(liang)。而傳統(tong)的恒功(gong)率😘熱式(shi)質量流(liu)量計雖(sui)然量程(chéng)足✂️夠，但(dan)其在測(ce)小流量(liang)時采用(yòng)較大的(de)加熱功(gōng)率，探頭(tóu)間的自(zi)然對流(liú)傳熱不(bu)能☔忽略(luè)，無法保(bǎo)證小流(liú)量測量(liàng)精度。
　　針(zhen)對以上(shàng)問題，設(shè)計了一(yī)種基于(yu)雙測試(shì)原理的(de)熱式質(zhi)量流量(liàng)計。該流(liú)量計基(ji)于托馬(ma)斯理論(lun)，将恒溫(wēn)差法📱和(hé)恒㊙️功率(lü)法相結(jie)合，通常(cháng)測量時(shi)采用恒(heng)溫差法(fǎ)進行氣(qi)體質量(liàng)測量🤩，通(tōng)過數字(zì)電位器(qi)保持兩(liang)探💚頭之(zhi)間的溫(wēn)差爲100℃，測(ce)量速度(dù)探頭的(de)功耗，根(gēn)據功耗(hao)❌與流量(liang)的關系(xì)求得流(liu)量;測大(da)流速時(shí)自動切(qie)換至恒(héng)功率法(fa)進行測(cè)量，保持(chí)速度探(tàn)頭的功(gong)耗，測量(liàng)兩探頭(tóu)之間的(de)溫度💞差(cha)，根據溫(wen)差與流(liu)量的關(guan)系求得(dé)流量。該(gai)流量計(jì)有效地(di)解決了(le)流量計(jì)量❓程不(bu)足問題(tí)，且在各(gè)個測量(liang)區間内(nèi)的精🈲度(dù)都滿足(zu)使用需(xu)求。
1熱式(shì)質量流(liú)量計測(ce)量原理(lǐ)
　　本熱式(shì)質量流(liu)量計是(shì)基于傳(chuan)統的托(tuō)馬斯流(liu)量計以(yǐ)改良🏃‍♀️。熱(re)式氣體(ti)質量流(liu)量計利(lì)用了熱(re)傳導原(yuan)理，其傳(chuan)感器由(yóu)兩個基(ji)準級熱(re)電阻(ＲTD)組(zǔ)成，其一(yī)是速度(dù)⭐探頭T1［11］，另(ling)一個是(shì)🥵溫度探(tàn)⭐頭T2。托馬(mǎ)🙇🏻斯流量(liang)計的原(yuán)理［12］是，速(su)度探頭(tou)因流體(tǐ)流動而(ér)産生👈溫(wen)度變化(hua)，測量溫(wen)度♊變化(hua)來反映(yìng)🏃🏻質量流(liú)量，或者(zhě)測量所(suǒ)需能量(liàng)與流體(ti)質量之(zhī)間的關(guan)系。依據(jù)托馬斯(sī)理論，流(liu)過速度(dù)✏️探頭的(de)流量與(yu)💔速度探(tàn)頭的能(neng)量消耗(hao)可🤟由式(shì)(1)表示。
 
　　式(shì)中，Q爲速(su)度探頭(tou)單位時(shí)間内消(xiao)耗的能(néng)量，單位(wei)爲J;C爲空(kong)‼️氣的比(bi)⭐熱容，單(dān)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(cha)，單位爲(wei)℃;ρ爲密度(dù)，單位爲(wèi)kg/m3;q爲流經(jing)速度探(tàn)頭的⭐空(kong)氣的質(zhi)量流量(liang)，單位爲(wèi)m³/h。
由式(1)可(kě)知，C爲定(dìng)值，q隻與(yu)Q和ΔT有關(guan)。
　　若保持(chí)兩探頭(tóu)之間的(de)溫度差(cha)，則流量(liàng)q隻與速(sù)度探頭(tóu)的功耗(hao)Q有關;若(ruo)保持速(su)度探頭(tou)的功耗(hào)Q，則流量(liàng)q隻與兩(liǎng)探頭✏️之(zhī)間的溫(wen)度差ΔT有(you)關。前者(zhě)爲恒溫(wēn)差測量(liang)原理，後(hòu)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(ji)是依靠(kao)橋式電(dian)路來分(fèn)别實🤞現(xian)恒定雙(shuang)探頭之(zhī)間的溫(wen)差和控(kòng)制速度(du)探頭的(de)功耗，速(sù)度探頭(tou)選用🧑🏾‍🤝‍🧑🏼PT20，溫(wen)度探頭(tou)選用PT1000，溫(wen)度補償(chang)電阻爲(wèi)🌈Ｒ溫補，鄰(lín)橋電阻(zu)分别爲(wei)Ｒ1和Ｒ2，原理(lǐ)圖如圖(tú)1所示💚。
 
　　想(xiǎng)要保持(chi)兩探頭(tóu)溫差，隻(zhi)要保證(zheng)電橋平(píng)衡即可(ke)。由式(2)可(kě)知:當🎯(ＲPT1000+Ｒ溫(wen)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(tou)帶走熱(rè)量後，ＲPT20阻(zu)值👌下降(jiang)，電橋平(ping)衡被打(dǎ)破。增大(da)電勢差(cha)U1，從而增(zeng)大PT20支路(lù)電流I1，ＲPT20溫(wen)度上升(sheng)，阻值增(zeng)加，電橋(qiáo)平衡;想(xiang)要保持(chí)速度探(tan)頭的功(gong)耗不🙇‍♀️變(biàn)，隻需在(zài)🍉ＲPT20阻值下(xia)降後減(jian)小U1的值(zhí)，使得ＲPT20的(de)功耗恒(heng)定。
　　本流(liu)量計的(de)速度電(dian)阻最大(da)允許電(diàn)流爲100mA。如(rú)讓雙探(tàn)頭溫差(chà)😄恒定100℃，假(jia)設當前(qian)環境溫(wēn)度20℃，速度(dù)探頭溫(wen)度爲120℃，根(gen)據鉑電(diàn)阻公式(shi)(3)可得
 
　　如(ru)上所示(shi)，量程範(fan)圍受最(zui)大電流(liu)限制。想(xiǎng)要拓寬(kuān)量程，不(bu)✏️妨将兩(liang)種方法(fa)相結合(hé)。在速度(du)探頭的(de)電流達(dá)到0.09A之前(qián)采🙇🏻用恒(heng)溫差法(fa)進行測(ce)量，在0.09A之(zhi)後采取(qu)恒功🍉率(lǜ)法進行(háng)測量。0.09A時(shí)速度🍉探(tan)頭功⛱️耗(hao)爲0.237W，以此(cǐ)功耗爲(wèi)恒定功(gong)耗，流過(guo)速度探(tan)❌頭的流(liu)量與溫(wen)度差之(zhi)間的關(guān)㊙️系如式(shì)(5)和圖3所(suǒ)示，對于(yu)溫差爲(wèi)50～100℃時具有(you)較好的(de)靈敏❌度(du)。溫差爲(wei)50℃時，此時(shí)速度探(tan)頭支路(lù)電流爲(wèi)0.096A，小于最(zuì)大電流(liú)，所測流(liu)量爲1.31869×10-2m3/h。
 
　　恒(heng)溫差法(fǎ)所測最(zuì)大量程(cheng)8.14174×10-3m3/h遠遠小(xiǎo)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(de)，采用恒(héng)溫差法(fǎ)和恒💘功(gong)率法相(xiàng)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(xiàng)比于㊙️傳(chuán)統恒功(gōng)率法，在(zai)測🙇‍♀️小流(liú)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(dian)路主要(yao)分爲3部(bu)分:信号(hào)調理電(dian)路🔴、電源(yuan)電路和(he)控制電(diàn)路。信号(hào)調理電(dian)路由橋(qiao)式‼️電路(lù)⁉️和差分(fen)放大電(dian)路組成(chéng);電源電(diàn)路由LM317和(he)數字電(diàn)位器X9111組(zu)成;控制(zhì)電路主(zhǔ)要以STM32F103C86T爲(wèi)核心。雙(shuāng)探頭的(de)阻值随(sui)着溫度(dù)和流量(liàng)的🐪變化(huà)而變❌化(huà)。因此信(xìn)号調理(lǐ)電㊙️路的(de)平衡被(bei)打破，其(qí)信号由(you)控制電(dian)路采集(jí)進行判(pan)斷。STM32根據(jù)當前速(su)度探頭(tóu)支路電(diàn)流進行(háng)判斷。如(rú)果小于(yu)0.09A，采用恒(heng)🌈溫差法(fǎ)，調節電(dian)源輸入(ru)，使得電(diàn)橋保持(chi)平⛱️衡👌，采(cai)集電流(liú)值，依據(jù)電流與(yu)流量之(zhī)間🎯的關(guān)系求得(dé)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(su)度探頭(tóu)功耗恒(héng)定，測得(de)🙇‍♀️雙探頭(tou)溫度差(chà)🌈，依據溫(wen)度差與(yǔ)流量之(zhī)間的關(guān)系求💋得(dé)流量。最(zuì)後所測(ce)結果通(tong)過USAＲT接口(kǒu)傳輸至(zhi)上位機(ji)。
 
2.1信号調(diao)理電路(lù)
　　信号調(diào)理電路(lù)如圖5所(suo)示，信号(hào)調理電(diàn)路相鄰(lin)兩端⛹🏻‍♀️爲(wèi)PT20和PT1000，另外(wai)🐉兩端電(diàn)阻爲20Ω的(de)電阻Ｒ2和(hé)1kΩ的電阻(zu)Ｒ1，在PT1000電阻(zǔ)一端有(you)🚶‍♀️補償電(diàn)阻❤️Ｒ3，Ｒ1和Ｒ2兩(liǎng)端的電(diàn)勢差經(jing)差分放(fàng)大後爲(wei)🧡U2。差分放(fàng)大電路(lù)中Ｒ4=Ｒ6，Ｒ5=Ｒ7。可調(diào)📧直流電(diàn)源提供(gong)☎️電壓U1。無(wú)任何🌂氣(qì)體流過(guò)時，速度(du)探頭的(de)溫度比(bi)溫度探(tan)頭高100℃，補(bu)償電阻(zu)Ｒ3保證電(diàn)㊙️橋平衡(heng)，此時電(diàn)勢差U2爲(wèi)0，電勢差(cha)U2由AD7066芯片(pian)進行采(cǎi)集。Ｒ1、Ｒ2兩端(duān)☂️電壓U3、U4由(you)AD7066采集後(hòu)，除去阻(zu)值即可(ke)得到🏃‍♀️速(su)度探頭(tou)和溫度(du)探頭支(zhī)☎️路電流(liú)I1和I2。若I1值(zhí)小于0.09A，采(cai)用恒🔱溫(wen)差法，根(gen)據I1值求(qiú)得流量(liàng)。當進氣(qi)流量增(zeng)大時，速(sù)度探頭(tou)發✌️生熱(rè)對流，被(bèi)氣體帶(dài)走一部(bu)分熱量(liàng)，溫度降(jiàng)低，阻值(zhí)減小，電(dian)橋平衡(heng)被打破(pò)。控制電(dian)路根據(ju)電勢差(chà)U2增大U1輸(shu)👣入，I1增大(dà)使得速(sù)度探頭(tóu)功耗增(zeng)大，溫度(du)⛱️上升☂️，阻(zu)值上升(shēng)，電橋重(zhòng)新平衡(héng);而當進(jin)氣流量(liàng)減小，速(su)度探頭(tóu)溫度升(shēng)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(jiàng)低，阻值(zhí)減小，電(dian)💯橋重新(xin)平衡。若(ruo)I1值大于(yú)0.09A，采用恒(heng)功率法(fa)進行測(ce)量，根據(jù)溫度差(cha)求得流(liu)量。進氣(qì)流量增(zēng)大，速度(du)💁探頭溫(wēn)度降低(di)，阻值減(jian)小，功耗(hào)增大🚩，減(jiǎn)小🥵U1輸入(rù)，使得速(su)度探頭(tou)‼️功耗維(wéi)持定值(zhi);進氣流(liu)量減小(xiao)，速度探(tàn)✌️頭溫度(dù)🏃‍♀️升高，阻(zu)值增大(dà)，功耗減(jiǎn)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(gōng)式如式(shi)(6)所示。
 
2.2電(dian)源電路(lu)
　　電源電(diàn)路如圖(tu)6所示，以(yi)LM317爲核心(xīn)。LM317是應用(yong)最爲廣(guang)泛的電(dian)源集成(cheng)電路之(zhi)一，它不(bu)僅具有(yǒu)固定式(shì)三端穩(wen)壓電路(lu)👅的最簡(jiǎn)單形式(shì)，又具備(bei)輸出電(diàn)壓可調(diao)的特點(diǎn)。此外，還(hai)🏃🏻具有調(diào)壓範圍(wei)寬、穩壓(ya)性能好(hao)、噪聲低(di)、紋波抑(yì)制比高(gāo)等優點(diǎn)。選😘用數(shù)字電位(wèi)器X9111作爲(wèi)可調電(dian)阻ＲL。X9111總共(gong)擁有1024個(ge)軸頭，采(cai)用SPI接☎️口(kǒu)通信，具(jù)有使用(yòng)靈活、調(diào)💋節精度(dù)高等優(yōu)點。X9111最大(da)阻值爲(wèi)100kΩ，同時其(qí)功耗相(xiang)比于其(qi)他電位(wèi)器而言(yan)很低。
 
2.3控(kong)制電路(lù)
　　控制電(dian)路以STM32F103C8T6爲(wèi)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(diàn)勢差U2具(ju)有正負(fu)極性，所(suǒ)以STM32F103C8T6自帶(dài)AD采集無(wú)法滿足(zú)要求，選(xuǎn)用AD7066芯片(piàn)進行采(cai)集。AD7066自帶(dai)數字濾(lü)✌️波器，有(you)8個采集(ji)通道，支(zhi)持真正(zheng)±10V或±5V的雙(shuāng)💰極性信(xin)号輸入(rù)電流。AD7066有(you)并口接(jiē)🤞線和SPI串(chuan)口接線(xian)兩種接(jiē)線方式(shi)，此處🐉采(cai)用SPI串口(kǒu)接線。STM32最(zuì)小系統(tong)與AD7066之間(jian)的接線(xiàn)如表1所(suǒ)示。AD7066的V1～V4口(kǒu)分别采(cai)集U1～U4的電(dian)壓值。STM32通(tōng)過對電(diàn)位器X9111的(de)ＲL控制改(gǎi)變電源(yuán)輸出電(dian)壓大小(xiao)。STM32的PB13口接(jie)X9111的SCK口，PB14口(kou)接X9111的SO口(kou)，PB15口接SI口(kou)。
 
3數據處(chu)理
　　爲了(le)驗證本(běn)流量計(ji)的可行(hang)性與穩(wěn)定性，對(dui)流量計(ji)進行🌈系(xì)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼統性的(de)測試。每(měi)次測試(shi)時間爲(wei)30s，由音速(su)噴嘴向(xiang)管道均(jun)勻吹💯風(feng)。測✍️試管(guǎn)道内徑(jìng)爲80mm，大氣(qi)壓力爲(wei)100.628kPa，室溫爲(wèi)29.5℃。在管道(dào)前端由(yóu)标準質(zhi)量測量(liang)儀測得(de)噴嘴總(zong)量，管道(dao)後端本(ben)流量計(jì)測瞬時(shi)流量。待(dài)測試完(wán)成，調節(jie)流速，繼(jì)續下一(yī)組測量(liang)🏃。測試平(píng)台如圖(tú)7所示，所(suo)測結果(guǒ)如表2所(suo)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(suǒ)以相對(duì)誤差🏃‍♂️偏(piān)大。而流(liú)速超過(guò)42．356m/s後，流量(liàng)計轉用(yong)恒功率(lǜ)法測量(liàng)，相🤞對誤(wu)差有所(suo)減小。流(liu)💰量計量(liàng)程約爲(wei)0～1500m3/h，誤差在(zài)1%之内，滿(mǎn)足使用(yòng)需求。
　　爲(wei)驗證流(liú)量計穩(wěn)定性，在(zài)實驗平(ping)台正常(chang)工作的(de)情🏃況下(xia)㊙️調節流(liu)速，使得(dé)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(liang)數據，所(suǒ)測結果(guo)如表3所(suǒ)示。
 
　　由表(biao)3可知，流(liú)量計所(suǒ)測的瞬(shun)時流量(liàng)的最大(dà)變化量(liàng)爲0.142m3/h，具有(you)較好⁉️的(de)穩定性(xing)，能夠準(zhun)确地對(dui)管道瞬(shun)時流量(liang)進🍉行測(cè)量。
4結束(shu)語
　　本熱(re)式流量(liang)傳感器(qì)，根據速(su)度探頭(tou)支路電(diàn)流大小(xiǎo)👨‍❤️‍👨切換🛀🏻恒(heng)溫差✂️法(fǎ)和恒功(gōng)率法對(duì)空氣流(liú)量進行(háng)測量🤟。本(ben)流量計(ji)相比于(yu)傳統恒(heng)溫差式(shì)流量計(jì)，可以在(zai)速度探(tàn)頭電
　　流(liu)接近最(zuì)大值時(shi)，切換至(zhì)恒功率(lü)法繼續(xu)進行測(ce)量🌈，拓寬(kuan)了流量(liàng)計的量(liàng)程。且相(xiàng)比于恒(heng)功率流(liú)量計，本(běn)流量計(jì)在測小(xiao)🌈流量時(shi)功耗更(geng)低，精度(du)更高。但(dàn)相對于(yú)傳統的(de)恒溫差(chà)式熱式(shì)流量🌈計(jì)采用三(san)極管對(duì)電流直(zhí)接控制(zhi)，本流量(liàng)計是通(tōng)過STM32對電(diàn)位器控(kong)制從而(er)調節電(dian)源輸🔴入(rù)，在響應(yīng)方♈面比(bi)起傳統(tǒng)恒溫差(chà)式流量(liang)計稍慢(man)，還需👉進(jin)一步改(gai)進。

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