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熱式氣體流量計電路的設計

瀏覽: 發布日期:2017/8/6 23:06:57

本文主要針對環境溫度變化的影響設計了流量的信號采集電路,該電路能快速良好地進行溫度補償以消除氣體溫度變化帶來的影響,并有效減小熱式氣體流量計的測量誤差。


    1 設計原理


    熱式流量計有多種測量原理,如熱分布式、熱消散式、壓差式等。本文結合實驗設備及工業上的運用情況,采用熱消散式原理,基于金氏定律,設計出一種基于鉑電阻的熱式氣體流量計。其探頭結構如圖1所示。




圖1 熱式氣體流量計的探頭結構


    將熱式氣體流量計的探頭置于被測氣體流過的管道中,其中測速探頭電阻放置在流體的下游,測溫探頭電阻置于流體的上游。電流通過測速探頭鉑電阻時探頭發熱,當氣流穩定時,發熱探頭與周圍環境介質達到熱平衡狀態,其熱平衡方程為


        (1)


    式中:Q1為氣體與熱探頭的強制對流換熱;Q2為探頭與機構的傳熱;Q3為探頭的輻射傳熱。


    在熱式氣體流量計的換熱環境中,機構傳熱與輻射傳熱的影響較小,在誤差范圍內可以忽略不。故整個傳熱系統熱平衡方程可簡化為下式,即


        (2)


    根據強迫對流的換熱公式,可得熱式氣體流量計的測速探頭與被測氣體之間的熱平衡關系式,為


        (3)


    式中:Q為熱探頭產生的熱量,J;Iw為通過加熱探頭的電流,A;Rw為測溫探頭電阻,Ω;a為傳熱系數,W/(m2•K);d為探頭直徑,m;l為探頭長度,m;Tw為測速探頭溫度,℃;Tc為氣體溫度,℃;t為測量時間,s。


    努塞爾數Nu=αd/λf,代入熱平衡關系式,得


        (4)


    根據熱力學原理,努塞爾數Nu,普朗特數Pr,雷諾數Re具有如下準則式,即


        (5)


    式中:Pr=ηcp/λf;Re=ρdv/η;λf是被測氣體的熱導率;η是動力粘度;cp為氣體定壓比熱容;ρ為氣體定壓比熱容;v是氣體流速.不同的換熱形式,努塞爾數有不同的關聯式,都體現了氣體物性參數和流動特性對對流換熱的影響。


    故熱平衡關系式可以化為


        (6)


    m,n由氣體物性參數決定,當物性參數保持不變時,若能保持(Tw-Tc)/Rw不變,那么電流Iw與流速v就具有單值函數關系.故可通過測量電路電流間接測出氣體流速v,進而測出氣體流量。


    2 信號采集電路設計與分析


    2.1 電橋電路分析


    當(Tw-Tc)/Rw保持不變時,探頭熱平衡系統中Iw與v構成單值函數關系。但是當環境介質溫度Tc改變時,(Tw-Tc)/Rw改 變.而惠斯通電橋可以定溫反饋,不僅能使其形成單值函數關系,還能消除環境介質溫度Tc的影響。電橋敏感元件為兩個鉑電阻,分別為測溫電阻Rc和測速電阻 Rw。金屬鉑電阻溫度系數大,感應靈敏;電阻率高,元件尺寸;電阻值隨溫度變化而變化基本呈線性關系;在測溫范圍內,物理、化學性能穩定,可長期使用, 測量精度高。其電阻為


        (7)


    式中:R0為零度時的電阻;α為鉑電阻溫度系數.


    定溫反饋過程為:初始電橋為平衡狀態,當氣體流速改變時,Rw溫度改變,電阻值改變,電橋平衡破壞.功率放大器將電橋不平衡電壓進行反饋, 通過三極管調節電橋電壓,改變電橋電流,使通過Rw的電流改變,電阻值跟隨電流改變,從而使電橋重新平衡,保證了(Tw-Tc)/Rw不變。圖2為定溫反 饋控制電路原理圖。


    當電橋平衡時,有如下關系式,即


        (8)


    式中:R1,R2為固定電阻.當環境溫度改變或者氣體流速改變時,電橋將自動調整達到新的平衡.在不同的平衡狀態下,由于R2/R1為定值,且Rw=Rw0(1+αTw1),Rc=Rc0(1+αTc1),故


        (9)


    整理后為


        (10)


    由此可見,由惠斯通電橋組成的定溫反饋控制電路能有效進行溫度補償,使(Tw-Tc)/Rw始終保持不變,從而保證了Iw與v的單值函數關系。




圖2 定溫反饋控制電路測量原理


    2.2 信號采集電路設計與分析


    惠斯通電橋電路存在如下不足:電橋電路中Rc,Rw是溫度敏感元件;Rc為測量環境溫度電阻.由理論分析可知,測溫補償電阻Rc應只對氣體 溫度敏感,而對氣體流速不敏感.在實際測量中,如果通過Rc的電流較大,造成電阻發熱,溫度升高,則不能表征環境溫度。另外,通過Rc的電流較大時,氣體 流速也會對測溫電阻產生影響,所以需要盡量減小補償支路電流。當兩個鉑電阻阻值相差不大時,不能滿足要求。因此電橋要求滿足R2R1,RwRc。且鉑電阻 阻值過大除了不能滿足工藝要求,還會導致測溫補償元件的熱慣性增大,使系統的響應變慢。為此,本文設計了新的信號采集電路,如圖3所示。設計出的等效惠斯 通電橋與傳統電橋具有相同功能,并能大大減小補償支路電流,使發熱量可以忽略不計,從而使測量支路正常工作。




圖3 信號采集電路圖


    為防止補償電阻發熱而導致測量不準確,應使通過補償電阻的電流較小些,一般小于4mA。在電路中,主要通過R4與R3對整個電橋電壓Eb分壓。當R4<


        (11)


    測量支路輸出電壓為


        (12)


        (13)


    由此可見,在平衡狀態下,兩個支路的輸出電壓相同,這與惠斯通電橋工作原理一樣,同時又極大減小了補償支路的電流,相當于一個等效惠斯通電 橋。當電橋平衡被破壞時,差動放大器AD620會采集電橋不平衡電壓,并經放大后由AD620,OP07-4,PNP三極管組成的定溫反饋控制電路使電橋 重新平衡。而OP07-3采集整個電橋的電壓,經過濾波調整后輸出。


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