基于雙測試原理的熱式質量流量計的設計

張 晨，馮堅強，沈 悅，包建東

(1.南京理工大學，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)

隨著科學技術和工業生產的迅猛發展，氣體質量的測量在科學研究、工業生產和日常生活中愈加重要。近年來，熱式質量流量計憑借其高精度、大量程比、便于安裝維護、無機械磨損等優點成為當今研究的熱點方向。汪余景等[1]設計的流量計采用微型流量傳感器、集成測速鉑電阻和測溫鉑電阻，能夠有效補償環境溫度對空氣流量的影響；沈平平等[2]研發的一種多傳感器結構的氣體流量計能夠明顯改善單傳感器的測量精度不高的問題；俞植馨[3]提出的一種基于神經網絡的熱式氣體質量流量測量溫濕度補償方法提高了流量測量的精度；武亞舉[4]對傳感器探頭結構進行創新減小了探頭的熱阻；蘇燕云等[5]將傳感器探頭和可調長度探桿結合，簡化了制作工藝、增強了穩定性；朱小會等[6]設計的一種基于ARM的熱式空氣流量計，通過在惠斯登電橋加熱電阻的對應橋臂上增加正溫度系數的電阻，來減小環境溫度變化引起的測量誤差。

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

針對以上問題，設計了一種基于雙測試原理的熱式質量流量計。該流量計基于托馬斯理論，將恒溫差法和恒功率法相結合，通常測量時采用恒溫差法進行氣體質量測量,通過數字電位器保持兩探頭之間的溫差為100 ℃,測量速度探頭的功耗，根據功耗與流量的關系求得流量；測大流速時自動切換至恒功率法進行測量,保持速度探頭的功耗,測量兩探頭之間的溫度差,根據溫差與流量的關系求得流量。該流量計有效解決了流量計量程不足問題，且各個測量區間內的精度都滿足使用需求。

1 熱式質量流量計測量原理

本熱式質量流量計是基于傳統的托馬斯流量計加以改良的。熱式氣體質量流量計利用了熱傳導原理，其傳感器由兩個基準級熱電阻(RTD)組成，其一是速度探頭T1[11]，另一個是溫度探頭T2。托馬斯流量計的原理[12]是，速度探頭因流體流動而產生溫度變化，測量溫度變化來反映質量流量，或者測量所需能量與流體質量之間的關系。依據托馬斯理論，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為速度探頭單位時間內消耗的能量，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為流經速度探頭的空氣的質量流量，單位為m3/h。

由式(1)可知，C為定值，q只與Q和ΔT有關。

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；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。前者為恒溫差測量原理，后者為恒功率測量原理。

本文設計的熱式質量流量計是依靠橋式電路來分別實現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，溫度補償電阻為R溫補，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(RPT1000+R溫補)×R2=RPT20×R1時，電橋保持平衡。當有空氣流經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 ℃，假設當前環境溫度為20 ℃，速度探頭溫度為120 ℃，根據鉑電阻公式(3)可得此時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之間的關系如式(4)和圖2所示,當最大電流為0.1 A時，最大流量為8.14174×10-3m3/h。

圖2 電流與流量關系

q=8.14174×10-1/I2

(4)

由以上內容可知，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合。在速度探頭的電流達到0.09 A之前采用恒溫差法進行測量，在0.09 A之后采取恒功率法進行測量。0.09 A時速度探頭功耗為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系如式(5)和圖3所示。溫差為50～100 ℃時具有較好的靈敏度；溫差為50 ℃時，此時速度探頭支路電流為0.096 A，小于最大電流，所測流量為1.31869×10-2m3/h。

圖3 溫差與流量關系

(5)

恒溫差法所測最大量程8.14174×10-3m3/h遠遠小于恒溫差法和恒功率法相結合所測量程1.31869×10-2m3/h。由此可得，采用恒溫差法和恒功率法相結合的方法，可以極大地拓寬熱式質量流量計的量程，且相比于傳統恒功率法，在測小流量時功耗更低。

2 硬件電路設計

系統框圖如圖4所示。電路主要分為3部分：信號調理電路、電源電路和控制電路。信號調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。因此信號調理電路的平衡被打破，其信號由控制電路采集進行判斷。STM32根據當前速度探頭支路電流進行判斷。如果小于0.09 A，采用恒溫差法，調節電源輸入，使得電橋保持平衡，采集電流值，依據電流與流量之間的關系求得流量；如果大于0.09 A，采用恒功率法，調節電源輸入，使得速度探頭功耗恒定，測得雙探頭溫度差，依據溫度差與流量之間的關系求得流量。最后所測結果通過USART接口傳輸至上位機。

2.1 信號調理電路

信號調理電路如圖5所示，信號調理電路相鄰兩端為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電阻一端有補償電阻R3，R1和R2兩端的電勢差經差分放大后為U2。差分放大電路中R4=R6,R5=R7。可調直流電源提供電壓U1。無任何氣體流過時，速度探頭的溫度比溫度探頭高100 ℃，補償電阻R3保證電橋平衡，此時電勢差U2為0，電勢差U2由AD7066芯片進行采集。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I1值求得流量。當進氣流量增大時，速度探頭發生熱對流，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。控制電路根據電勢差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；而當進氣流量減小，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，采用恒功率法進行測量，根據溫度差求得流量。進氣流量增大，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 信號調理電路

(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壓電路的最簡單形式，又具備輸出電壓可調的特點。此外，還具有調壓范圍寬、穩壓性能好、噪聲低、紋波抑制比高等優點。選用數字電位器X9111作為可調電阻RL。X9111共有1024個軸頭，采用SPI接口通信，具有使用靈活、調節精度高等優點。X9111最大阻值為100 kΩ,同時其功耗相比于其他電位器而言很低。

圖6 可調直流電源

可調直流電源的輸出電壓可由式(7)計算。

(7)

2.3 控制電路

控制電路以STM32F103C8T6為核心組成最小系統，引出足夠的I/O口以作拓展。因為信號調理電路輸出的電勢差U2具有正負極性，所以STM32F103C8T6自帶AD采集無法滿足要求，選用AD7066芯片進行采集。AD7066自帶數字濾波器，有8個采集通道，支持真正±10 V 或±5 V的雙極性信號輸入電流。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 數據處理

為了驗證本流量計的可行性與穩定性，對流量計進行系統性的測試。每次測試時間為30 s，由音速噴嘴向管道均勻吹風。測試管道內徑為80 mm，大氣壓力為100.628 kPa，室溫為29.5 ℃。在管道前端由標準質量測量儀測得噴嘴總量，管道后端本流量計測瞬時流量。待測試完成，調節流速，繼續下一組測量。測試平臺如圖7所示，所測結果如表2所示。

圖7 測試平臺

由表2數據可知，數據2，3因為所測流量較小，所以相對誤差偏大。而流速超過42.356 m/s后，流量計轉用恒功率法測量，相對誤差有所減小。流量計量程約為0～1500 m3/h，誤差在1%之內，滿足使用需求。

表2 測試結果

為驗證流量計穩定性，在實驗平臺正常工作的情況下調節流速，使得平均流量在96 m3/h的前提下連續采集6組瞬時流量數據，所測結果如表3所示。

表3 測量結果

由表3可知，流量計所測的瞬時流量的最大變化量為0.142 m3/h，具有較好的穩定性，能夠準確地對管道瞬時流量進行測量。

4 結束語

本熱式流量傳感器，根據速度探頭支路電流大小切換恒溫差法和恒功率法對空氣流量進行測量。本流量計相比于傳統恒溫差式流量計，可以在速度探頭電流接近最大值時，切換至恒功率法繼續進行測量，拓寬了流量計的量程。且相比于恒功率流量計，本流量計在測小流量時功耗更低，精度更高。但相對于傳統的恒溫差式熱式流量計采用三極管對電流直接控制，本流量計是通過STM32對電位器控制從而調節電源輸入，在響應方面比起傳統恒溫差式流量計稍慢，還需進一步改進。