恒溫差型熱式氣體質量流量變送器的設計

張紅喜 康健

（湖北大峪口化工有限責任公司 湖北省鐘祥市 431910）

目前，熱式質量流量計已廣泛應用于工業生產和社會生活中，用于測量氣體的質量流量。典型應用包括對天然氣和壓縮空氣的測量和計量以用于能源利用和成本核算、對電廠空氣質量流量的測量以用于提高鍋爐燃燒的效率、對工業生產中的氣體質量流量測量以進行工業生產。

但目前國內在建以及投運的工業項目中，所采用的熱式質量流量計均為進口產品，由國外廠商壟斷供貨。從產品采購、調試使用和維護角度考慮，國外廠家產品成本高，供貨周期長，且受國際政治形勢波動影響較大，容易遭受“卡脖子”問題。因此，有必要開展熱式質量流量計自主化研制，研發出一款熱式質量流量計產品，徹底打破國外廠商的壟斷，提升國內研制熱擴散式質量流量計的技術能力，解決熱擴散式質量流量計的國產化問題。

1 恒溫差型熱式氣體質量流量計工作原理

熱擴散式質量流量計是建立在金氏定律的基礎上，它的傳感器包在不銹鋼鋼套內，插在管道的中部，傳感器測流體溫度，稱測溫探頭，另一傳感器用于加熱，叫做測速探頭。當流體的流速趨于穩定，流體流動帶出熱量等于電路供給加熱熱量達到熱平衡，根據加熱功率或者探頭間溫差隨質量流量的變化規律，則可以計算質量流量。

1.1 熱擴散原理

有源探頭置于管道時，當流速趨于穩定后，氣體流動從探頭帶走的熱和加熱功率所供給的熱之間構成了一種平衡，這時，探頭溫度已無變化。把加熱元件，管壁及流體視為一體系，由熱力學原理得知，這時的熱傳遞以對流換熱為主、傳導散熱與輻射傳熱的3 種表現方式是：

式中，H 是探頭的加熱功率，Qc、Qk、Qf 單獨是對流換熱、傳導散熱及輻射傳熱所損耗的熱。

對流換熱即流體在加熱探頭前進行熱量交換，它由強迫對流換熱和自然對流換熱組成，且二者共存，但存在強弱差異。強迫對流換熱是有源器件換熱過程中的首要因素，自然對流換熱只有當氣體速度很低或靜止時，才有作用，反映到熱式質量流量計上，就是儀表出現零點，小流速測量值不夠穩定。對流換熱損失熱量Qc 是：

式子中，h 是對流換熱系數；A 是換熱表面積。傳感器是圓柱體時，有A=πld,l,d 是探頭長度與直徑；Tw,Tc 是加熱傳感器表面溫度與流體溫度。

傳導散熱就是加熱元件和傳感器基座因為有溫差而散熱，使內部分子運動把熱從高溫加熱元件轉移至低溫傳感器基座，熱式質量流量計傳感器內傳導散熱損失熱量Qk：

式中λ 與δ 分別表示基板導熱系數與導熱面厚度，對于加熱元件和基座之間的溫度差，將其記為。在熱式質量流量計傳感器設計和制造中，為使測量更加準確，多數都要采取措施，阻隔熱量傳遞，減少傳導散熱過程中散失的熱量。

輻射傳熱就是溫度高的部件通過發射電磁波方式進行熱量傳遞，輻射傳熱中熱量Qf 的公式如下：

式子k 是物體發射率和輻射常數之和。就熱式質量流量計的設計而言，由于加熱探頭與被測氣體之間的溫差一般不超過50°C,因此，輻射傳熱過程中損耗的熱可忽略。所以被測探頭熱耗散以強迫對流換熱為主，H=Qc。用電路加熱元件則具有，由熱平衡原理得知：

由式子（5）可知，熱平衡關系式中對流換熱系數h 是未知的，并且不包括被測流體的速度，對此，引入努塞爾數Nu、雷諾數Re和普朗特數Pr：

其中，λf是待測氣體熱導率，cp是氣體的定壓比和熱容量，ρ為氣體密度，η為動力粘度，v為氣體流速。努塞爾數Nu和對流換熱系數h 有關，雷諾數Re隨流速的變化而變化，普朗特數Pr和物性參數有關。因此通過構造努塞爾數Nu和普朗特數Pr、雷諾數Re之間的關系表達式，則可以求出對流換熱系數和氣體流速、物性參數之間關系。所以，用式（6）把式（5）變成了：

式中Ak 和Bk 為某一物性參數的常量?？死沟仁降木唧w化（8），給出了對流換熱方程（9），且應用廣泛。

則式（7）可轉換為：

式子中U 是被測流體質量流量，S 是管道的橫截面積。由式（10）導出，則加熱元件對流換熱過程可采用式（11）描述：

式中，A,B 為被測氣體溫度和壓力組分，傳感器探頭尺寸為其他參數，對于一個具體的傳感器，在待測氣體的物性參數恒定的情況下，A、B 可看作常數。指數n 只在特定條件下是恒定的，氣體的溫度，物性參數和其他參數有很大變化時，其數值亦隨之變化。且當待測流體流速大于比時，傳感器通過自然對流而散失的熱量，則不能忽略，這時由式（11）所述熱平衡關系計算流速，就有很大誤差。

1.2 恒溫差測量原理

由式（11）可知，如果待測氣體物性參數不變，那么，被測流體質量流量就是被測探頭加熱功率，即探頭之間溫差單值函數。所以，如果加熱功率或者溫差維持恒定，進而可建立質量流量和溫差或者加熱功率的函數關系式，它的函數關系如（12）式中：

如果待測氣體物性參數不變，那么，被測流體質量流量就是被測探頭加熱功率，即探頭之間溫差單值函數。所以，如果加熱功率或者溫差維持恒定，進而可建立質量流量和溫差或者加熱功率的函數關系式，如果維持它的恒溫差恒定，那么，質量流量就是測速探頭的加熱電流單值函數，通過測試測速探頭加熱電流值，再計算被測氣體質量流量，也就是恒溫差原理。

2 系統硬件電路設計

2.1 單片機最小系統

本文的單片機選擇STM32 單片機，其是意大利的意法半導體公司推出的新一代功耗低，速度快，抗干擾能力強的單片機。本文的系統時鐘為1kHz，外置晶振8MHz，電容為10pF，晶振源與單片機的OSC-IN、OSC-OUT 相連，并盡可能靠近，這樣能夠最大程度的避免電磁干擾，保證時鐘穩定。下方加入低通濾波電路，使STM32 工作更加穩定。

2.2 LCD液晶顯示屏電路

本次設計采用的是LCD1602 顯示方式，由于常規LCD1602 一般是以并行方式和單片機進行通訊，這將使對于單片機來說本來就比較緊的引腳資源變得更緊，所以，本論文使用PCF8574 作為驅動，PCF8574 為COMS 擴展I2C 并行口電路，采用I2C 總線實現不同IC 或者模塊間雙線通信。這兩條線路中的一條是串行數據線（SDA），另一種是串行時鐘線（SCL）。在連接到設備的輸出級，兩線均須接拉電阻。數據的傳輸只能在總線閑置的情況下進行。從而僅需占用2 個單片機引腳，即可達到控制LCD1602。

2.3 加熱電路

當系統需要開啟加熱電路對被試氣體進行加熱時，需要發出啟動加熱電路的開啟信號，其電路如圖1 所示。

圖1：加熱電路

2.4 鍵盤輸入電路

對于電路中的鍵盤設置，為了用戶在使用時的簡單便捷，所以添加了手動控制的功能。為了方便進行不同的功能，所以設置了“加熱器手動開關”、“設定值+”、“設定值-”三個功能按鈕，可以人為地對系統進行控制，三個按鍵分別與PA8-PA10 引腳相連，另外一個并未設置具體功能。

2.5 RTD測量電路

首先，為了保證精度，使用ref200 恒流源芯片，保證其輸出電流恒定，該電路產生的電流與參考電壓源的數值成正比，參考電源還可以作為模/數轉換器的參考電源，此外，三線熱電阻的輸入接入運算放大器VIN+、VIN-，信號放大后，接入單片機PA6 引腳，運放使用INA326。

2.6 溫度檢測電路

本設計中，需要冷端溫度進行精確測量，所以需要設計溫度檢測電路，根據上一章的設備選型，采用溫度傳感器DS18B20 進行溫度測量。其在日常使用的溫度范圍（20-50℃）內的工作精度較高。

這里，引腳2 是與微控制器引腳PB15 交換數據以傳輸掃描獲得的溫度信息的數據傳輸引腳。引腳2 確保溫度數據快速可靠地傳輸到微控制器。

3 軟件設計

3.1 主程序流程及相關說明

基于單片機的氣體質量流量變送器的主程序采用面向過程的設計方法，使用C 語言進行程序設計，首先進行了系統的初始化，將各個寄存器進行參數設置與參數預設，接著調用采集函數，將系統當前的工作模式顯示在屏幕上，等待按鍵的按下，當KEY1 摁下后，將會手動啟動加熱電路，通過KEY2、KEY3 能夠實現對報警值調整。

3.2 液晶顯示流程

本設計中需要使用LCD 液晶顯示屏顯示溫度與氣體質量，在開始數據顯示前，需要進行初始化，之后，檢測該芯片是否處于忙的狀態，即其BF 引腳是否為0，若芯片不忙，則在獲得其RAM 地址后可以向該地址寫入數據，此外，需要注意，LCD1602 內部的字符庫使用的ASC Ⅱ碼，所以，只能顯示英文和數字字符。

3.3 鍵盤輸入子程序

鍵盤輸入模塊的作用在于能夠讓用戶能夠對系統的功能進行調整，在硬件上設置了3 個按鈕，其中“手動啟動加熱”按鈕對應的軟件程序并不復雜，直接將其對應引腳設置為中斷模式，即該按鈕按下后，軟件程序上認為系統進入“對應功能”程序，在該中斷服務子程序中，可以進行手動啟動加熱或手動停止加熱。

此外，按鍵電路還需要實現報警值設定功能，按鍵值設定為全局變量，即在整個軟件流程中，不會因為程序運行而導致保存該變量的空間被釋放，變量值被修改。進入控制流程后，如果按下“key2”按鈕，則輸入一個低電平，此時，程序將全局變量A 數值+1，同理，如果按下“key3”按鈕，則輸入一個低電平，此時，程序將全局變量B 數值+1，與此同時，LCD 液晶顯示屏都會實時實現數值變化。

4 測試結果與分析

系統上電后，LCD 液晶顯示器顯示如圖2 所示。其中SET 為設定值，NOW 為當前值，RTD 為熱電阻溫度值，DST 為DS18B20 當前的溫度值。其顯示值為當前值。

圖2：系統上電后的初始化圖

可以通過按鍵“+”、“-”調節設定值的示數，如圖3 所示，將設定值調為10。

圖3：調節設定值

將熱電偶放在加熱器后邊，加熱器啟動后，加熱器溫度上升，此時，使用電扇吹風，讓空氣流過加熱器，再經過熱電偶，從而可以得到當前的氣體流量，實物測試結果如圖4 所示。實測的氣體流量為13，RTD 與DST 存在溫度差也為13。

圖4：氣體流量檢測

5 結論

整個基于單片機的氣體質量流量變送器利用單片機作為控制核心，從軟硬件兩方面展開論述，其中硬件部分主要單片機最小系統、加熱電路、按鍵電路、溫度檢測電路、液晶顯示電路等組成。軟件部分通過C 語言，采用模塊化的設計方式，實現了繼電器輸出與控制，并能夠通過LCD 液晶顯示屏，輸出此時環境內的溫度以及氣體流量值，最后進行各個模塊的調試，使得整個系統，能夠進行正常運行。本文的模塊化設計理念使設計更簡單、更輕、更清晰。