張 晨，馮堅(jiān)強(qiáng)，沈 悅，包建東

(1.南京理工大學(xué)，江蘇 南京 210094；2.佛山市聲碩科技有限公司，廣東 佛山 528000；3.南京悅迪儀表科技有限公司，江蘇 南京 210094)

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(cè)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(jì)憑借其高精度、大量程比、便于安裝維護(hù)、無機(jī)械磨損等優(yōu)點(diǎn)成為當(dāng)今研究的熱點(diǎn)方向。汪余景等[1]設(shè)計(jì)的流量計(jì)采用微型流量傳感器、集成測(cè)速鉑電阻和測(cè)溫鉑電阻，能夠有效補(bǔ)償環(huán)境溫度對(duì)空氣流量的影響；沈平平等[2]研發(fā)的一種多傳感器結(jié)構(gòu)的氣體流量計(jì)能夠明顯改善單傳感器的測(cè)量精度不高的問題；俞植馨[3]提出的一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的熱式氣體質(zhì)量流量測(cè)量溫濕度補(bǔ)償方法提高了流量測(cè)量的精度；武亞舉[4]對(duì)傳感器探頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新減小了探頭的熱阻；蘇燕云等[5]將傳感器探頭和可調(diào)長(zhǎng)度探桿結(jié)合，簡(jiǎn)化了制作工藝、增強(qiáng)了穩(wěn)定性；朱小會(huì)等[6]設(shè)計(jì)的一種基于ARM的熱式空氣流量計(jì)，通過在惠斯登電橋加熱電阻的對(duì)應(yīng)橋臂上增加正溫度系數(shù)的電阻，來減小環(huán)境溫度變化引起的測(cè)量誤差。

然而很少有人就同一口徑的寬量程熱式流量計(jì)進(jìn)行專門研究。對(duì)于傳統(tǒng)的恒溫差熱式質(zhì)量流量計(jì)，需要改變測(cè)速電阻的加熱功率來保證溫度差恒定，但是由于測(cè)量電路本身限制，導(dǎo)致最大加熱電流受限，因此可精準(zhǔn)測(cè)量范圍有限[7]。劉志亮等[8]提出的基于陶瓷基體薄膜電阻熱式流量計(jì)，雖然解決了量程上限問題，但其對(duì)小流量無法測(cè)量。而傳統(tǒng)的恒功率熱式質(zhì)量流量計(jì)雖然量程足夠，但其在測(cè)小流量時(shí)采用較大的加熱功率，探頭間的自然對(duì)流傳熱不能忽略，無法保證小流量測(cè)量精度。黃超等[9]提出的雙速度探頭的熱式流量計(jì)和徐英等[10]提出的基于可調(diào)恒流源技術(shù)的熱式流量計(jì)雖然解決了測(cè)微小流量的問題，但速度探頭的阻值隨著溫度變化而變化，當(dāng)測(cè)大流速時(shí)恒流無法保證功率恒定，其測(cè)量精度無法保證。

針對(duì)以上問題，設(shè)計(jì)了一種基于雙測(cè)試原理的熱式質(zhì)量流量計(jì)。該流量計(jì)基于托馬斯理論，將恒溫差法和恒功率法相結(jié)合，通常測(cè)量時(shí)采用恒溫差法進(jìn)行氣體質(zhì)量測(cè)量,通過數(shù)字電位器保持兩探頭之間的溫差為100 ℃,測(cè)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(cè)大流速時(shí)自動(dòng)切換至恒功率法進(jìn)行測(cè)量,保持速度探頭的功耗,測(cè)量?jī)商筋^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(jì)有效解決了流量計(jì)量程不足問題，且各個(gè)測(cè)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(jì)測(cè)量原理

本熱式質(zhì)量流量計(jì)是基于傳統(tǒng)的托馬斯流量計(jì)加以改良的。熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)利用了熱傳導(dǎo)原理，其傳感器由兩個(gè)基準(zhǔn)級(jí)熱電阻(RTD)組成，其一是速度探頭T1[11]，另一個(gè)是溫度探頭T2。托馬斯流量計(jì)的原理[12]是，速度探頭因流體流動(dòng)而產(chǎn)生溫度變化，測(cè)量溫度變化來反映質(zhì)量流量，或者測(cè)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。

(1)

式中，Q為速度探頭單位時(shí)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(cè)量原理，后者為恒功率測(cè)量原理。

本文設(shè)計(jì)的熱式質(zhì)量流量計(jì)是依靠橋式電路來分別實(shí)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(bǔ)償電阻為R溫補(bǔ)，鄰橋電阻分別為R1和R2,原理圖如圖1所示。

圖1 原理圖

惠更斯電橋電勢(shì)差U2由式(2)表示。

(2)

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(dāng)(RPT1000+R溫補(bǔ))×R2=RPT20×R1時(shí)，電橋保持平衡。當(dāng)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(shì)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(jì)的速度電阻最大允許電流為100 mA。如讓雙探頭溫差恒定為100 ℃，假設(shè)當(dāng)前環(huán)境溫度為20 ℃，速度探頭溫度為120 ℃，根據(jù)鉑電阻公式(3)可得此時(shí)RPT20=49.2424 Ω。

RPT20=20(1+0.003851×t速)

(3)

由式(1)可知,流過速度探頭的流量q與電流I之間的關(guān)系如式(4)和圖2所示,當(dāng)最大電流為0.1 A時(shí)，最大流量為8.14174×10-3m3/h。

圖2 電流與流量關(guān)系

q=8.14174×10-1/I2

(4)

由以上內(nèi)容可知，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(dá)到0.09 A之前采用恒溫差法進(jìn)行測(cè)量，在0.09 A之后采取恒功率法進(jìn)行測(cè)量。0.09 A時(shí)速度探頭功耗為0.237 W,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。溫差為50～100 ℃時(shí)具有較好的靈敏度；溫差為50 ℃時(shí)，此時(shí)速度探頭支路電流為0.096 A，小于最大電流，所測(cè)流量為1.31869×10-2m3/h。

圖3 溫差與流量關(guān)系

(5)

恒溫差法所測(cè)最大量程8.14174×10-3m3/h遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于恒溫差法和恒功率法相結(jié)合所測(cè)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(jì)的量程，且相比于傳統(tǒng)恒功率法，在測(cè)小流量時(shí)功耗更低。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)框圖如圖4所示。電路主要分為3部分：信號(hào)調(diào)理電路、電源電路和控制電路。信號(hào)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(hào)調(diào)理電路的平衡被打破，其信號(hào)由控制電路采集進(jìn)行判斷。STM32根據(jù)當(dāng)前速度探頭支路電流進(jìn)行判斷。如果小于0.09 A，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0.09 A，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(cè)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(cè)結(jié)果通過USART接口傳輸至上位機(jī)。

2.1 信號(hào)調(diào)理電路

信號(hào)調(diào)理電路如圖5所示，信號(hào)調(diào)理電路相鄰兩端為PT20和PT1000，另外兩端電阻為20 Ω的電阻R2和1 kΩ的電阻R1，在PT1000電阻一端有補(bǔ)償電阻R3，R1和R2兩端的電勢(shì)差經(jīng)差分放大后為U2。差分放大電路中R4=R6,R5=R7?？烧{(diào)直流電源提供電壓U1。無任何氣體流過時(shí)，速度探頭的溫度比溫度探頭高100 ℃，補(bǔ)償電阻R3保證電橋平衡，此時(shí)電勢(shì)差U2為0，電勢(shì)差U2由AD7066芯片進(jìn)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0.09 A，采用恒溫差法，根據(jù)I1值求得流量。當(dāng)進(jìn)氣流量增大時(shí)，速度探頭發(fā)生熱對(duì)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。控制電路根據(jù)電勢(shì)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(dāng)進(jìn)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0.09 A，采用恒功率法進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)溫度差求得流量。進(jìn)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(jìn)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。

圖5 信號(hào)調(diào)理電路

(6)

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(jiǎn)單形式，又具備輸出電壓可調(diào)的特點(diǎn)。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(diǎn)。選用數(shù)字電位器X9111作為可調(diào)電阻RL。X9111共有1024個(gè)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(diǎn)。X9111最大阻值為100 kΩ,同時(shí)其功耗相比于其他電位器而言很低。

圖6 可調(diào)直流電源

可調(diào)直流電源的輸出電壓可由式(7)計(jì)算。

(7)

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?yàn)樾盘?hào)調(diào)理電路輸出的電勢(shì)差U2具有正負(fù)極性，所以STM32F103C8T6自帶AD采集無法滿足要求，選用AD7066芯片進(jìn)行采集。AD7066自帶數(shù)字濾波器，有8個(gè)采集通道，支持真正±10 V 或±5 V的雙極性信號(hào)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(duì)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。

表1接線表

3 數(shù)據(jù)處理

為了驗(yàn)證本流量計(jì)的可行性與穩(wěn)定性，對(duì)流量計(jì)進(jìn)行系統(tǒng)性的測(cè)試。每次測(cè)試時(shí)間為30 s，由音速噴嘴向管道均勻吹風(fēng)。測(cè)試管道內(nèi)徑為80 mm，大氣壓力為100.628 kPa，室溫為29.5 ℃。在管道前端由標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量測(cè)量?jī)x測(cè)得噴嘴總量，管道后端本流量計(jì)測(cè)瞬時(shí)流量。待測(cè)試完成，調(diào)節(jié)流速，繼續(xù)下一組測(cè)量。測(cè)試平臺(tái)如圖7所示，所測(cè)結(jié)果如表2所示。

圖7 測(cè)試平臺(tái)

由表2數(shù)據(jù)可知，數(shù)據(jù)2，3因?yàn)樗鶞y(cè)流量較小，所以相對(duì)誤差偏大。而流速超過42.356 m/s后，流量計(jì)轉(zhuǎn)用恒功率法測(cè)量，相對(duì)誤差有所減小。流量計(jì)量程約為0～1500 m3/h，誤差在1%之內(nèi)，滿足使用需求。

表2 測(cè)試結(jié)果

為驗(yàn)證流量計(jì)穩(wěn)定性，在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)正常工作的情況下調(diào)節(jié)流速，使得平均流量在96 m3/h的前提下連續(xù)采集6組瞬時(shí)流量數(shù)據(jù)，所測(cè)結(jié)果如表3所示。

表3 測(cè)量結(jié)果

由表3可知，流量計(jì)所測(cè)的瞬時(shí)流量的最大變化量為0.142 m3/h，具有較好的穩(wěn)定性，能夠準(zhǔn)確地對(duì)管道瞬時(shí)流量進(jìn)行測(cè)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(duì)空氣流量進(jìn)行測(cè)量。本流量計(jì)相比于傳統(tǒng)恒溫差式流量計(jì)，可以在速度探頭電流接近最大值時(shí)，切換至恒功率法繼續(xù)進(jìn)行測(cè)量，拓寬了流量計(jì)的量程。且相比于恒功率流量計(jì)，本流量計(jì)在測(cè)小流量時(shí)功耗更低，精度更高。但相對(duì)于傳統(tǒng)的恒溫差式熱式流量計(jì)采用三極管對(duì)電流直接控制，本流量計(jì)是通過STM32對(duì)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(jì)稍慢，還需進(jìn)一步改進(jìn)。