張紅喜 康健

（湖北大峪口化工有限責(zé)任公司 湖北省鐘祥市 431910）

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

但目前國內(nèi)在建以及投運(yùn)的工業(yè)項(xiàng)目中，所采用的熱式質(zhì)量流量計(jì)均為進(jìn)口產(chǎn)品，由國外廠商壟斷供貨。從產(chǎn)品采購、調(diào)試使用和維護(hù)角度考慮，國外廠家產(chǎn)品成本高，供貨周期長，且受國際政治形勢波動(dòng)影響較大，容易遭受“卡脖子”問題。因此，有必要開展熱式質(zhì)量流量計(jì)自主化研制，研發(fā)出一款熱式質(zhì)量流量計(jì)產(chǎn)品，徹底打破國外廠商的壟斷，提升國內(nèi)研制熱擴(kuò)散式質(zhì)量流量計(jì)的技術(shù)能力，解決熱擴(kuò)散式質(zhì)量流量計(jì)的國產(chǎn)化問題。

1 恒溫差型熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)工作原理

熱擴(kuò)散式質(zhì)量流量計(jì)是建立在金氏定律的基礎(chǔ)上，它的傳感器包在不銹鋼鋼套內(nèi)，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(dāng)流體的流速趨于穩(wěn)定，流體流動(dòng)帶出熱量等于電路供給加熱熱量達(dá)到熱平衡，根據(jù)加熱功率或者探頭間溫差隨質(zhì)量流量的變化規(guī)律，則可以計(jì)算質(zhì)量流量。

1.1 熱擴(kuò)散原理

有源探頭置于管道時(shí)，當(dāng)流速趨于穩(wěn)定后，氣體流動(dòng)從探頭帶走的熱和加熱功率所供給的熱之間構(gòu)成了一種平衡，這時(shí)，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(xué)原理得知，這時(shí)的熱傳遞以對流換熱為主、傳導(dǎo)散熱與輻射傳熱的3 種表現(xiàn)方式是：

式中，H 是探頭的加熱功率，Qc、Qk、Qf 單獨(dú)是對流換熱、傳導(dǎo)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(jìn)行熱量交換，它由強(qiáng)迫對流換熱和自然對流換熱組成，且二者共存，但存在強(qiáng)弱差異。強(qiáng)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(dāng)氣體速度很低或靜止時(shí)，才有作用，反映到熱式質(zhì)量流量計(jì)上，就是儀表出現(xiàn)零點(diǎn)，小流速測量值不夠穩(wěn)定。對流換熱損失熱量Qc 是：

式子中，h 是對流換熱系數(shù)；A 是換熱表面積。傳感器是圓柱體時(shí)，有A=πl(wèi)d,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(dǎo)散熱就是加熱元件和傳感器基座因?yàn)橛袦夭疃?，使?nèi)部分子運(yùn)動(dòng)把熱從高溫加熱元件轉(zhuǎn)移至低溫傳感器基座，熱式質(zhì)量流量計(jì)傳感器內(nèi)傳導(dǎo)散熱損失熱量Qk：

式中λ 與δ 分別表示基板導(dǎo)熱系數(shù)與導(dǎo)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(zhì)量流量計(jì)傳感器設(shè)計(jì)和制造中，為使測量更加準(zhǔn)確，多數(shù)都要采取措施，阻隔熱量傳遞，減少傳導(dǎo)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(fā)射電磁波方式進(jìn)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(fā)射率和輻射常數(shù)之和。就熱式質(zhì)量流量計(jì)的設(shè)計(jì)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(qiáng)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(guān)系式中對流換熱系數(shù)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(shù)Nu、雷諾數(shù)Re和普朗特?cái)?shù)Pr：

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

式中Ak 和Bk 為某一物性參數(shù)的常量。克拉曼斯等式的具體化（8），給出了對流換熱方程（9），且應(yīng)用廣泛。

則式（7）可轉(zhuǎn)換為：

式子中U 是被測流體質(zhì)量流量，S 是管道的橫截面積。由式（10）導(dǎo)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(shù)，對于一個(gè)具體的傳感器，在待測氣體的物性參數(shù)恒定的情況下，A、B 可看作常數(shù)。指數(shù)n 只在特定條件下是恒定的，氣體的溫度，物性參數(shù)和其他參數(shù)有很大變化時(shí)，其數(shù)值亦隨之變化。且當(dāng)待測流體流速大于比時(shí)，傳感器通過自然對流而散失的熱量，則不能忽略，這時(shí)由式（11）所述熱平衡關(guān)系計(jì)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(shù)不變，那么，被測流體質(zhì)量流量就是被測探頭加熱功率，即探頭之間溫差單值函數(shù)。所以，如果加熱功率或者溫差維持恒定，進(jìn)而可建立質(zhì)量流量和溫差或者加熱功率的函數(shù)關(guān)系式，它的函數(shù)關(guān)系如（12）式中：

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

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

本文的單片機(jī)選擇STM32 單片機(jī)，其是意大利的意法半導(dǎo)體公司推出的新一代功耗低，速度快，抗干擾能力強(qiáng)的單片機(jī)。本文的系統(tǒng)時(shí)鐘為1kHz，外置晶振8MHz，電容為10pF，晶振源與單片機(jī)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(shí)鐘穩(wěn)定。下方加入低通濾波電路，使STM32 工作更加穩(wěn)定。

2.2 LCD液晶顯示屏電路

本次設(shè)計(jì)采用的是LCD1602 顯示方式，由于常規(guī)LCD1602 一般是以并行方式和單片機(jī)進(jìn)行通訊，這將使對于單片機(jī)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(qū)動(dòng)，PCF8574 為COMS 擴(kuò)展I2C 并行口電路，采用I2C 總線實(shí)現(xiàn)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(shù)據(jù)線（SDA），另一種是串行時(shí)鐘線（SCL）。在連接到設(shè)備的輸出級，兩線均須接拉電阻。數(shù)據(jù)的傳輸只能在總線閑置的情況下進(jìn)行。從而僅需占用2 個(gè)單片機(jī)引腳，即可達(dá)到控制LCD1602。

2.3 加熱電路

當(dāng)系統(tǒng)需要開啟加熱電路對被試氣體進(jìn)行加熱時(shí)，需要發(fā)出啟動(dòng)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(shè)置，為了用戶在使用時(shí)的簡單便捷，所以添加了手動(dòng)控制的功能。為了方便進(jìn)行不同的功能，所以設(shè)置了“加熱器手動(dòng)開關(guān)”、“設(shè)定值+”、“設(shè)定值-”三個(gè)功能按鈕，可以人為地對系統(tǒng)進(jìn)行控制，三個(gè)按鍵分別與PA8-PA10 引腳相連，另外一個(gè)并未設(shè)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(chǎn)生的電流與參考電壓源的數(shù)值成正比，參考電源還可以作為模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的參考電源，此外，三線熱電阻的輸入接入運(yùn)算放大器VIN+、VIN-，信號放大后，接入單片機(jī)PA6 引腳，運(yùn)放使用INA326。

2.6 溫度檢測電路

本設(shè)計(jì)中，需要冷端溫度進(jìn)行精確測量，所以需要設(shè)計(jì)溫度檢測電路，根據(jù)上一章的設(shè)備選型，采用溫度傳感器DS18B20 進(jìn)行溫度測量。其在日常使用的溫度范圍（20-50℃）內(nèi)的工作精度較高。

這里，引腳2 是與微控制器引腳PB15 交換數(shù)據(jù)以傳輸掃描獲得的溫度信息的數(shù)據(jù)傳輸引腳。引腳2 確保溫度數(shù)據(jù)快速可靠地傳輸?shù)轿⒖刂破鳌?/p>

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序流程及相關(guān)說明

基于單片機(jī)的氣體質(zhì)量流量變送器的主程序采用面向過程的設(shè)計(jì)方法，使用C 語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，首先進(jìn)行了系統(tǒng)的初始化，將各個(gè)寄存器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置與參數(shù)預(yù)設(shè)，接著調(diào)用采集函數(shù)，將系統(tǒng)當(dāng)前的工作模式顯示在屏幕上，等待按鍵的按下，當(dāng)KEY1 摁下后，將會(huì)手動(dòng)啟動(dòng)加熱電路，通過KEY2、KEY3 能夠?qū)崿F(xiàn)對報(bào)警值調(diào)整。

3.2 液晶顯示流程

本設(shè)計(jì)中需要使用LCD 液晶顯示屏顯示溫度與氣體質(zhì)量，在開始數(shù)據(jù)顯示前，需要進(jìn)行初始化，之后，檢測該芯片是否處于忙的狀態(tài)，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(shù)據(jù)，此外，需要注意，LCD1602 內(nèi)部的字符庫使用的ASC Ⅱ碼，所以，只能顯示英文和數(shù)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?qū)ο到y(tǒng)的功能進(jìn)行調(diào)整，在硬件上設(shè)置了3 個(gè)按鈕，其中“手動(dòng)啟動(dòng)加熱”按鈕對應(yīng)的軟件程序并不復(fù)雜，直接將其對應(yīng)引腳設(shè)置為中斷模式，即該按鈕按下后，軟件程序上認(rèn)為系統(tǒng)進(jìn)入“對應(yīng)功能”程序，在該中斷服務(wù)子程序中，可以進(jìn)行手動(dòng)啟動(dòng)加熱或手動(dòng)停止加熱。

此外，按鍵電路還需要實(shí)現(xiàn)報(bào)警值設(shè)定功能，按鍵值設(shè)定為全局變量，即在整個(gè)軟件流程中，不會(huì)因?yàn)槌绦蜻\(yùn)行而導(dǎo)致保存該變量的空間被釋放，變量值被修改。進(jìn)入控制流程后，如果按下“key2”按鈕，則輸入一個(gè)低電平，此時(shí)，程序?qū)⑷肿兞緼 數(shù)值+1，同理，如果按下“key3”按鈕，則輸入一個(gè)低電平，此時(shí)，程序?qū)⑷肿兞緽 數(shù)值+1，與此同時(shí)，LCD 液晶顯示屏都會(huì)實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)值變化。

4 測試結(jié)果與分析

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

圖2：系統(tǒng)上電后的初始化圖

可以通過按鍵“+”、“-”調(diào)節(jié)設(shè)定值的示數(shù)，如圖3 所示，將設(shè)定值調(diào)為10。

圖3：調(diào)節(jié)設(shè)定值

將熱電偶放在加熱器后邊，加熱器啟動(dòng)后，加熱器溫度上升，此時(shí)，使用電扇吹風(fēng)，讓空氣流過加熱器，再經(jīng)過熱電偶，從而可以得到當(dāng)前的氣體流量，實(shí)物測試結(jié)果如圖4 所示。實(shí)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(jié)論

整個(gè)基于單片機(jī)的氣體質(zhì)量流量變送器利用單片機(jī)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(jī)最小系統(tǒng)、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(shè)計(jì)方式，實(shí)現(xiàn)了繼電器輸出與控制，并能夠通過LCD 液晶顯示屏，輸出此時(shí)環(huán)境內(nèi)的溫度以及氣體流量值，最后進(jìn)行各個(gè)模塊的調(diào)試，使得整個(gè)系統(tǒng)，能夠進(jìn)行正常運(yùn)行。本文的模塊化設(shè)計(jì)理念使設(shè)計(jì)更簡單、更輕、更清晰。