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    技術文章

    熱式氣體質量流量計的硬件電路設計


    發布日期:2022-08-31 點擊:90次
      熱式氣體質量流量計系統框圖如圖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0.09A,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0.09A,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。 
     
    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R2兩端的電勢差經差分放大后為U2。差分放大電路中R4=R6,R5=R7?烧{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?刂齐娐犯鶕妱莶頤2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總共擁有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,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±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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