摘(zhāi)要:傳統恒溫差式熱式流量計(jì) 受到測(cè)量電路(lù)本身限(xiàn)制，最大加熱(rè)電(diàn)流(liú)受限(xiàn)，因此測量範圍(wéi)有限(xiàn)。設計研制(zhì)了一(yī)種結(jié)合恒溫差法(fǎ)和(hé)恒功(gōng)率法的熱式質(zhì)量流(liú)量計 。該流(liú)量計是(shì)基于托(tuō)馬斯理(lǐ)論(lùn)，對功耗和溫(wēn)差進行(háng)采集(jí),從而測得流量(liàng)。相比于傳(chuán)統恒溫差式質(zhì)量流(liú)量計,該(gāi)流(liú)量計在低流速時通過對橋式(shì)電路電壓差采(cǎi)集，以控制數字(zì)電位(wèi)器改(gǎi)變輸(shū)入總電壓,從而(ér)實現探頭(tóu)間溫度差恒定，測量(liàng)功耗測得(dé)流量(liàng);而在(zài)高(gāo)流速時，通過(guò)數字(zì)電位器控(kòng)制功率恒定,探測電(diàn)路各個參(cān)數,從而計(jì)算得到溫(wēn)度(dù)差(chà),測得流量(liàng)。該流(liú)量計針對(duì)内徑80mm的管道,測(cè)量範(fàn)圍爲0~1500m³/h,量程約爲(wèi)傳統恒(héng)溫(wēn)差(chà)式(shì)流量計(jì)的1.3倍,相(xiàng)對誤差小于1%，滿(mǎn)足實際(jì)使用需(xū)求。相(xiàng)比于傳統(tǒng)恒功率(lǜ)式流量(liàng)計,該流量(liàng)計測低流速時精度更高。
　　随着科學技術(shù)和工(gōng)業生(shēng)産的迅猛(měng)發(fā)展(zhǎn)，氣體質量(liàng)的測(cè)量在科(kē)學研究(jiū)、工業生産和日常生活中愈加(jiā)重要(yào)。近年(nián)來，熱式質量流量計(jì)憑借其(qí)精(jīng)度高(gāo)、大量(liàng)程比(bǐ)、便于(yú)安(ān)裝維護(hù)、無機(jī)械磨(mó)損等優點(diǎn)成爲當今(jīn)研究(jiū)的熱點(diǎn)方向。
　　然(rán)而很(hěn)少有人就(jiù)同(tóng)一口徑的寬(kuān)量程(chéng)熱式流量(liàng)計進行專門研(yán)究。對于(yú)傳統的恒溫(wēn)差熱式質(zhì)量流(liú)量計(jì)，需要(yào)改變(biàn)測速(sù)電阻(zǔ)的加(jiā)熱功率來(lái)保證(zhèng)溫(wēn)度差恒(héng)定，但是由于測(cè)量電路本(běn)身限(xiàn)制，導(dǎo)緻最大加熱電(diàn)流受(shòu)限，因(yīn)此可精(jīng)準(zhǔn)測量(liàng)範圍(wéi)有限［7］。基于陶瓷(cí)基體(tǐ)薄膜電阻(zǔ)熱式(shì)流量(liàng)計，雖然(rán)解(jiě)決了量程上限問題(tí)，但其(qí)對小流量(liàng)無(wú)法測(cè)量。而傳(chuán)統的恒功(gōng)率熱(rè)式質(zhì)量(liàng)流量計(jì)雖然量程足夠(gòu)，但其(qí)在測小流(liú)量時(shí)采用較大(dà)的加(jiā)熱功率，探(tàn)頭間的自(zì)然對流傳熱(rè)不能忽(hū)略，無法保證小(xiǎo)流量測(cè)量精度(dù)。
　　針對以上(shàng)問題(tí)，設計了(le)一種基于雙測試(shì)原理的熱(rè)式質量流(liú)量計(jì)。該流量計(jì)基于托馬斯理論，将恒溫差法和恒(héng)功率法相(xiàng)結合，通常測量(liàng)時采用(yòng)恒溫差(chà)法進行氣(qì)體質(zhì)量測(cè)量，通(tōng)過數(shù)字電位(wèi)器保持兩探頭之間的(de)溫(wēn)差爲(wèi)100℃，測(cè)量速(sù)度探(tàn)頭的功耗(hào)，根據功耗(hào)與流量的關(guān)系求得(dé)流量;測大(dà)流速(sù)時自動切換至(zhì)恒功(gōng)率法進行測量，保持(chí)速度(dù)探頭的功(gōng)耗，測(cè)量兩(liǎng)探頭之間(jiān)的溫度差(chà)，根據(jù)溫差與流(liú)量的(de)關系(xì)求得流量(liàng)。該流(liú)量計有效(xiào)地解決了(le)流量計量程不足問(wèn)題，且(qiě)在各(gè)個測量區(qū)間内(nèi)的精(jīng)度都滿(mǎn)足(zú)使用(yòng)需求(qiú)。
1熱(rè)式質量(liàng)流量計測量原(yuán)理
　　本(běn)熱式質量(liàng)流量計是(shì)基于(yú)傳統的(de)托馬斯(sī)流量計以(yǐ)改良。熱式氣體質量(liàng)流量計利用了熱傳導原理，其(qí)傳感器(qì)由兩個基準(zhǔn)級熱電阻(zǔ)(Ｒtd)組成，其一(yī)是速(sù)度探(tàn)頭(tóu)t1［11］，另一個(gè)是溫(wēn)度探頭t2。托馬斯流(liú)量計的(de)原理(lǐ)［12］是，速度探(tàn)頭因(yīn)流體流動(dòng)而産生溫(wēn)度變(biàn)化，測量(liàng)溫度變(biàn)化來(lái)反(fǎn)映質量流量，或者測量(liàng)所需能量與流(liú)體質量之間的(de)關系(xì)。依(yī)據托馬斯理論(lùn)，流過速(sù)度探頭(tóu)的流量與速(sù)度探頭的(de)能量消耗可由(yóu)式(1)表示。
 
　　式(shì)中，q爲(wèi)速度探頭單位(wèi)時間(jiān)内消(xiāo)耗的(de)能(néng)量，單位爲j;c爲(wèi)空氣(qì)的比熱容(róng)，單位爲j/(kg·℃);Δt爲(wèi)速度(dù)探頭和溫度探(tàn)頭之間的(de)溫度差，單(dān)位爲℃;ρ爲密(mì)度，單位爲kg/m3;q爲流(liú)經速(sù)度探(tàn)頭的(de)空氣的質量流(liú)量，單位爲m³/h。
由式(shì)(1)可知，c爲定值，q隻與q和Δt有(yǒu)關。
　　若(ruò)保持兩探(tàn)頭之間的溫(wēn)度差(chà)，則流(liú)量q隻(zhī)與(yǔ)速度探頭(tóu)的(de)功耗q有關(guān);若保持(chí)速度探(tàn)頭的功耗(hào)q，則流(liú)量q隻與(yǔ)兩探頭(tóu)之間(jiān)的溫(wēn)度差(chà)Δt有關(guān)。前者爲恒(héng)溫差測(cè)量原理(lǐ)，後者爲(wèi)恒功率測量原(yuán)理(lǐ)。
　　本文設計的(de)熱(rè)式質量流量計是依(yī)靠橋式電路來(lái)分别實現恒定雙探頭之間的溫差(chà)和控制速(sù)度探頭的(de)功耗(hào)，速度探(tàn)頭選用(yòng)pt20，溫度(dù)探頭(tóu)選用(yòng)pt1000，溫度補償電阻(zǔ)爲Ｒ溫補(bǔ)，鄰橋電阻(zǔ)分别爲Ｒ1和Ｒ2，原(yuán)理圖如圖(tú)1所示。
 
　　想要保持兩探頭溫差(chà)，隻要保證電(diàn)橋平衡即(jí)可。由式(2)可知:當(Ｒpt1000+Ｒ溫補)×Ｒ2=Ｒpt20×Ｒ1時，電橋(qiáo)保(bǎo)持平衡。當(dāng)有空氣流經(jīng)速度探頭帶(dài)走(zǒu)熱(rè)量後，Ｒpt20阻值下降，電橋(qiáo)平衡被打破(pò)。增(zēng)大電勢差u1，從而(ér)增大pt20支(zhī)路(lù)電流i1，Ｒpt20溫度上升(shēng)，阻值(zhí)增(zēng)加，電(diàn)橋平衡(héng);想要(yào)保持速度(dù)探頭的功(gōng)耗不變，隻(zhī)需在Ｒpt20阻值(zhí)下降(jiàng)後(hòu)減(jiǎn)小u1的值(zhí)，使得Ｒpt20的功耗(hào)恒定。
　　本流(liú)量計(jì)的速(sù)度電阻最大允許電流爲(wèi)100ma。如讓(ràng)雙探頭溫(wēn)差恒定100℃，假設當前環境溫度20℃，速(sù)度探(tàn)頭(tóu)溫度爲(wèi)120℃，根據鉑電阻公(gōng)式(3)可(kě)得
 
　　如上所示，量程(chéng)範(fàn)圍受(shòu)最大電流限制。想要拓寬量程(chéng)，不妨将兩(liǎng)種方(fāng)法相(xiàng)結合(hé)。在速(sù)度(dù)探頭的(de)電流(liú)達到0.09a之前(qián)采用(yòng)恒溫差(chà)法進行(háng)測量(liàng)，在0.09a之(zhī)後采(cǎi)取恒功率(lǜ)法進(jìn)行測(cè)量。0.09a時速度(dù)探頭(tóu)功耗爲0.237w，以此功耗爲(wèi)恒定(dìng)功耗，流過(guò)速度探頭(tóu)的流量與(yǔ)溫(wēn)度差之間的(de)關系如(rú)式(5)和圖(tú)3所示，對于(yú)溫差(chà)爲50～100℃時(shí)具(jù)有較好的靈敏度。溫差(chà)爲50℃時，此時速度(dù)探頭支(zhī)路電流爲0.096a，小于最大電(diàn)流，所(suǒ)測流量爲(wèi)1.31869×10-2m3/h。
 
　　恒溫差法所測(cè)最大量(liàng)程(chéng)8.14174×10-3m3/h遠遠小于恒(héng)溫差(chà)法和恒功率(lǜ)法相結合所(suǒ)測量程(chéng)1.31869×10-2m3/h。由此(cǐ)可得，采用(yòng)恒溫(wēn)差法和恒(héng)功率法相結合(hé)的方(fāng)法(fǎ)，可以極大地拓(tuò)寬熱式(shì)質量流量計的(de)量(liàng)程，且相(xiàng)比于(yú)傳統(tǒng)恒功率法(fǎ)，在測小流(liú)量時(shí)功耗更低。
2硬件(jiàn)電路設計(jì)
　　系統框圖如(rú)圖4所示(shì)。電路主要(yào)分爲(wèi)3部分(fèn):信号調理(lǐ)電路、電(diàn)源電路(lù)和控(kòng)制(zhì)電路。信(xìn)号調理電路由橋式電路和差(chà)分放(fàng)大電(diàn)路組(zǔ)成;電源電(diàn)路由(yóu)lm317和數字電(diàn)位器(qì)x9111組(zǔ)成;控制(zhì)電路(lù)主要以(yǐ)stm32f103c86t爲核心(xīn)。雙探(tàn)頭(tóu)的阻值随着(zhe)溫度和流(liú)量的變(biàn)化而變(biàn)化。因此信号調(diào)理電(diàn)路的(de)平衡(héng)被打破，其(qí)信号(hào)由控(kòng)制(zhì)電路采(cǎi)集進行判(pàn)斷。stm32根據當前速度探(tàn)頭支路電流進(jìn)行判斷。如(rú)果小(xiǎo)于0.09a，采用恒(héng)溫差法，調(diào)節電源輸(shū)入，使得電(diàn)橋保(bǎo)持平衡，采集(jí)電(diàn)流值(zhí)，依據電流(liú)與流量(liàng)之(zhī)間的(de)關系(xì)求得流量(liàng);如果(guǒ)大于0.09a，采用(yòng)恒功(gōng)率(lǜ)法，調節(jiē)電源(yuán)輸入(rù)，使得(dé)速度探(tàn)頭功耗(hào)恒定，測得雙探(tàn)頭溫度差，依據溫度差與流量(liàng)之間的關(guān)系求得流量(liàng)。最(zuì)後所(suǒ)測結果(guǒ)通(tōng)過usaＲt接(jiē)口傳(chuán)輸至(zhì)上位(wèi)機。
 
2.1信号調(diào)理電路
　　信号(hào)調理電(diàn)路如圖5所(suǒ)示，信号調理(lǐ)電路相(xiàng)鄰兩端爲(wèi)pt20和pt1000，另(lìng)外兩端電阻爲(wèi)20Ω的電(diàn)阻Ｒ2和(hé)1kΩ的電(diàn)阻Ｒ1，在(zài)pt1000電(diàn)阻一端(duān)有補償電(diàn)阻Ｒ3，Ｒ1和Ｒ2兩端的(de)電(diàn)勢差(chà)經差(chà)分(fèn)放(fàng)大後爲u2。差(chà)分放大電(diàn)路中Ｒ4=Ｒ6，Ｒ5=Ｒ7。可(kě)調直流電源(yuán)提供電壓(yā)u1。無任何氣體流過時，速度(dù)探頭(tóu)的溫度比(bǐ)溫度探頭(tóu)高100℃，補償電阻Ｒ3保(bǎo)證電橋平(píng)衡，此時(shí)電勢差(chà)u2爲0，電勢差u2由ad7066芯片進行(háng)采集。Ｒ1、Ｒ2兩(liǎng)端電壓u3、u4由(yóu)ad7066采集(jí)後，除去阻值即(jí)可得(dé)到速度探(tàn)頭和(hé)溫度探頭(tóu)支路電(diàn)流(liú)i1和i2。若(ruò)i1值小(xiǎo)于(yú)0.09a，采用恒(héng)溫差法，根據i1值求(qiú)得(dé)流量。當進(jìn)氣流量增(zēng)大時，速度(dù)探頭發生(shēng)熱對流(liú)，被氣體(tǐ)帶走一(yī)部(bù)分熱(rè)量，溫度降低，阻(zǔ)值減小，電橋平衡被(bèi)打(dǎ)破(pò)。控制電路根(gēn)據電勢(shì)差u2增(zēng)大u1輸入，i1增(zēng)大(dà)使得速(sù)度探(tàn)頭功(gōng)耗增(zēng)大，溫(wēn)度上升，阻值上(shàng)升，電橋重新平衡;而(ér)當(dāng)進氣流(liú)量減小，速度探頭溫度升高，阻(zǔ)值增加，則(zé)減小(xiǎo)u1輸入，減(jiǎn)小i1，減小(xiǎo)速度探頭功耗(hào)，速度(dù)探頭溫度(dù)降低，阻值(zhí)減小(xiǎo)，電橋(qiáo)重新平衡(héng)。若i1值大于(yú)0.09a，采用(yòng)恒功(gōng)率法進行測(cè)量，根據溫度差求得流量。進(jìn)氣流量增大，速度探(tàn)頭溫度降低，阻(zǔ)值(zhí)減(jiǎn)小，功(gōng)耗增(zēng)大(dà)，減小u1輸(shū)入，使得速度探(tàn)頭功(gōng)耗維持定(dìng)值;進氣(qì)流(liú)量減小，速(sù)度(dù)探頭溫度升高，阻(zǔ)值增(zēng)大，功耗減小(xiǎo)，增(zēng)大u1輸入(rù)，使(shǐ)得速度探(tàn)頭功耗維(wéi)持定值。溫度差公式如式(6)所示(shì)。
 
2.2電源電路
　　電源電路(lù)如(rú)圖(tú)6所示(shì)，以lm317爲核(hé)心。lm317是應(yīng)用最爲廣泛的(de)電源(yuán)集成(chéng)電路(lù)之一，它不僅(jǐn)具(jù)有固定式三端穩壓電路的最(zuì)簡單(dān)形式，又具(jù)備輸(shū)出電(diàn)壓可(kě)調的特點(diǎn)。此(cǐ)外，還具有調壓範(fàn)圍寬、穩(wěn)壓(yā)性能(néng)好、噪聲低、紋波(bō)抑(yì)制比高等優(yōu)點。選用數字電位器x9111作爲(wèi)可調電阻(zǔ)Ｒl。x9111總共(gòng)擁有(yǒu)1024個軸頭，采(cǎi)用spi接口通信，具(jù)有使(shǐ)用靈活、調節精(jīng)度高等優(yōu)點。x9111最(zuì)大阻值爲(wèi)100kΩ，同時其功(gōng)耗相比于(yú)其他電位器而(ér)言很(hěn)低。
 
2.3控(kòng)制電(diàn)路
　　控制電路以stm32f103c8t6爲核(hé)心(xīn)組成最(zuì)小系統，引出足(zú)夠的(de)i/o口以作拓(tuò)展。因(yīn)爲(wèi)信(xìn)号調理電(diàn)路輸出的(de)電勢差u2具有正(zhèng)負極(jí)性，所以stm32f103c8t6自(zì)帶ad采(cǎi)集無法滿(mǎn)足要(yào)求，選用(yòng)ad7066芯片進行(háng)采(cǎi)集。ad7066自帶數(shù)字濾波器，有8個采(cǎi)集(jí)通道(dào)，支持真(zhēn)正(zhèng)±10v或±5v的(de)雙極性信号輸(shū)入電流。ad7066有并口(kǒu)接線(xiàn)和(hé)spi串(chuàn)口接(jiē)線兩(liǎng)種接線方(fāng)式，此處采用spi串(chuàn)口接(jiē)線。stm32最(zuì)小系(xì)統與ad7066之間的接(jiē)線如表(biǎo)1所示。ad7066的(de)v1～v4口分别采(cǎi)集u1～u4的(de)電壓(yā)值。stm32通過對(duì)電位(wèi)器x9111的Ｒl控制改變電源輸出(chū)電壓大(dà)小(xiǎo)。stm32的pb13口(kǒu)接x9111的(de)sck口(kǒu)，pb14口(kǒu)接x9111的(de)so口，pb15口接si口(kǒu)。
 
3數據(jù)處理
　　爲了驗證(zhèng)本流(liú)量計的可(kě)行性與穩(wěn)定性(xìng)，對流量計(jì)進行(háng)系統(tǒng)性的測試(shì)。每次測(cè)試時間(jiān)爲30s，由音速(sù)噴嘴(zuǐ)向管道均(jun1)勻吹風。測試管道内(nèi)徑爲80mm，大氣壓力(lì)爲100.628kpa，室溫爲29.5℃。在管道前端由标準質量測(cè)量儀測(cè)得噴(pēn)嘴總量，管(guǎn)道後端本流量(liàng)計測(cè)瞬時流量(liàng)。待測試完成，調(diào)節流速，繼(jì)續下(xià)一組測量(liàng)。測試(shì)平台如圖7所示(shì)，所測結果如(rú)表(biǎo)2所示(shì)。
 
 
　　由表(biǎo)2數據(jù)可知，數據2、3因爲所測流量較小(xiǎo)，所(suǒ)以(yǐ)相對誤差(chà)偏大。而流(liú)速超過42．356m/s後(hòu)，流量計轉(zhuǎn)用恒功率法測量，相(xiàng)對誤差有(yǒu)所減小。流(liú)量計量程(chéng)約(yuē)爲0～1500m3/h，誤差(chà)在1%之内，滿(mǎn)足使(shǐ)用需(xū)求。
　　爲驗證(zhèng)流量計穩(wěn)定性(xìng)，在實驗(yàn)平台正(zhèng)常工作的情況(kuàng)下調節流速，使(shǐ)得平均流(liú)量在(zài)96m3/h的前(qián)提下連續(xù)采集6組(zǔ)瞬時流(liú)量數(shù)據，所測(cè)結(jié)果如(rú)表3所(suǒ)示。
 
　　由(yóu)表3可知，流量計所測(cè)的瞬(shùn)時流量(liàng)的(de)最大(dà)變化(huà)量爲0.142m3/h，具有較好的穩定性(xìng)，能夠準确地對管道(dào)瞬時(shí)流量進行(háng)測量。
4結束語
　　本(běn)熱式(shì)流量傳(chuán)感(gǎn)器，根據速(sù)度探(tàn)頭支(zhī)路電(diàn)流大(dà)小切換恒(héng)溫差(chà)法和恒功率法(fǎ)對空氣(qì)流量(liàng)進(jìn)行測量。本(běn)流量計相比(bǐ)于傳統(tǒng)恒溫差式流量計(jì)，可以在(zài)速度(dù)探頭電
　　流(liú)接近(jìn)最大(dà)值時，切換(huàn)至恒功(gōng)率法繼(jì)續進(jìn)行測量，拓寬了流量計的(de)量程。且相(xiàng)比(bǐ)于(yú)恒功率(lǜ)流量計(jì)，本流量計在測小流(liú)量(liàng)時(shí)功耗更低，精度(dù)更高。但相對(duì)于(yú)傳統(tǒng)的恒溫差(chà)式熱式流(liú)量計采用(yòng)三極管對電流(liú)直接(jiē)控制，本流(liú)量計是通(tōng)過stm32對(duì)電位(wèi)器控(kòng)制從(cóng)而調(diào)節(jiē)電(diàn)源輸(shū)入，在響應方面(miàn)比(bǐ)起傳統恒溫差式(shì)流量計(jì)稍(shāo)慢，還需進(jìn)一步(bù)改進(jìn)。

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