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技術文章

熱式氣體質量流量計的硬件電路設計
發(fā)布日期：2022-08-31 點擊：1155次
  熱式氣體質量流量計系統(tǒng)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(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(jù)當前速度探頭支路電流進行判斷。如果小于0.09A，采用恒溫差法，調節(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系求得流量;如果大于0.09A，采用恒功率法，調節(jié)電源輸入，使得速度探頭功耗恒定，測得雙探頭溫度差，依據(jù)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。 
 
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20Ω的電阻Ｒ2和1kΩ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(jīng)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0.09A，采用恒溫差法，根據(jù)I1值求得流量。當進氣流量增大時，速度探頭發(fā)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�？刂齐娐犯鶕�(jù)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0.09A，采用恒功率法進行測量，根據(jù)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。 
 
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(wěn)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(wěn)壓性能好、噪聲低、紋波抑制比高等優(yōu)點。選用數(shù)字電位器X9111作為可調電阻ＲL。X9111總共擁有1024個軸頭，采用SPI接口通信，具有使用靈活、調節(jié)精度高等優(yōu)點。X9111最大阻值為100kΩ，同時其功耗相比于其他電位器而言很低。 
 
3.控制電路 
  熱式氣體質量流量計控制電路以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(shù)字濾波器，有8個采集通道，支持真正±10V或±5V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(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。 
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