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热式气体流量计电路的设计

浏览: 发布日期:2017-08-06 23:06:57

本文主要针对环境温度变化的影响设计了流量的信号采集电路,该电路能快速良好地进行温度补偿以消除气体温度变化带来的影响,并有效减小热式气体流量计的测量误差。


    1 设计原理


    热式流量计有多种测量原理,如热分布式、热消散式、压差式等。本文结合实验设备及工业上的运用情况,采用热消散式原理,基于金氏定律,设计出一种基于铂电阻的热式气体流量计。其探头结构如图1所示。




图1 热式气体流量计的探头结构


    将热式气体流量计的探头置于被测气体流过的管道中,其中测速探头电阻放置在流体的下游,测温探头电阻置于流体的上游。电流通过测速探头铂电阻时探头发热,当气流稳定时,发热探头与周围环境介质达到热平衡状态,其热平衡方程为


        (1)


    式中:Q1为气体与热探头的强制对流换热;Q2为探头与机构的传热;Q3为探头的辐射传热。


    在热式气体流量计的换热环境中,机构传热与辐射传热的影响较小,在误差范围内可以忽略不。故整个传热系统热平衡方程可简化为下式,即


        (2)


    根据强迫对流的换热公式,可得热式气体流量计的测速探头与被测气体之间的热平衡关系式,为


        (3)


    式中:Q为热探头产生的热量,J;Iw为通过加热探头的电流,A;Rw为测温探头电阻,Ω;a为传热系数,W/(m2•K);d为探头直径,m;l为探头长度,m;Tw为测速探头温度,℃;Tc为气体温度,℃;t为测量时间,s。


    努塞尔数Nu=αd/λf,代入热平衡关系式,得


        (4)


    根据热力学原理,努塞尔数Nu,普朗特数Pr,雷诺数Re具有如下准则式,即


        (5)


    式中:Pr=ηcp/λf;Re=ρdv/η;λf是被测气体的热导率;η是动力粘度;cp为气体定压比热容;ρ为气体定压比热容;v是气体流速.不同的换热形式,努塞尔数有不同的关联式,都体现了气体物性参数和流动特性对对流换热的影响。


    故热平衡关系式可以化为


        (6)


    m,n由气体物性参数决定,当物性参数保持不变时,若能保持(Tw-Tc)/Rw不变,那么电流Iw与流速v就具有单值函数关系.故可通过测量电路电流间接测出气体流速v,进而测出气体流量。


    2 信号采集电路设计与分析


    2.1 电桥电路分析


    当(Tw-Tc)/Rw保持不变时,探头热平衡系统中Iw与v构成单值函数关系。但是当环境介质温度Tc改变时,(Tw-Tc)/Rw改 变.而惠斯通电桥可以定温反馈,不仅能使其形成单值函数关系,还能消除环境介质温度Tc的影响。电桥敏感元件为两个铂电阻,分别为测温电阻Rc和测速电阻 Rw。金属铂电阻温度系数大,感应灵敏;电阻率高,元件尺寸小;电阻值随温度变化而变化基本呈线性关系;在测温范围内,物理、化学性能稳定,可长期使用, 测量精度高。其电阻为


        (7)


    式中:R0为零度时的电阻;α为铂电阻温度系数.


    定温反馈过程为:初始电桥为平衡状态,当气体流速改变时,Rw温度改变,电阻值改变,电桥平衡破坏.功率放大器将电桥不平衡电压进行反馈, 通过三极管调节电桥电压,改变电桥电流,使通过Rw的电流改变,电阻值跟随电流改变,从而使电桥重新平衡,保证了(Tw-Tc)/Rw不变。图2为定温反 馈控制电路原理图。


    当电桥平衡时,有如下关系式,即


        (8)


    式中:R1,R2为固定电阻.当环境温度改变或者气体流速改变时,电桥将自动调整达到新的平衡.在不同的平衡状态下,由于R2/R1为定值,且Rw=Rw0(1+αTw1),Rc=Rc0(1+αTc1),故


        (9)


    整理后为


        (10)


    由此可见,由惠斯通电桥组成的定温反馈控制电路能有效进行温度补偿,使(Tw-Tc)/Rw始终保持不变,从而保证了Iw与v的单值函数关系。




图2 定温反馈控制电路测量原理


    2.2 信号采集电路设计与分析


    惠斯通电桥电路存在如下不足:电桥电路中Rc,Rw是温度敏感元件;Rc为测量环境温度电阻.由理论分析可知,测温补偿电阻Rc应只对气体 温度敏感,而对气体流速不敏感.在实际测量中,如果通过Rc的电流较大,造成电阻发热,温度升高,则不能表征环境温度。另外,通过Rc的电流较大时,气体 流速也会对测温电阻产生影响,所以需要尽量减小补偿支路电流。当两个铂电阻阻值相差不大时,不能满足要求。因此电桥要求满足R2R1,RwRc。且铂电阻 阻值过大除了不能满足工艺要求,还会导致测温补偿元件的热惯性增大,使系统的响应变慢。为此,本文设计了新的信号采集电路,如图3所示。设计出的等效惠斯 通电桥与传统电桥具有相同功能,并能大大减小补偿支路电流,使发热量可以忽略不计,从而使测量支路正常工作。




图3 信号采集电路图


    为防止补偿电阻发热而导致测量不准确,应使通过补偿电阻的电流较小些,一般小于4mA。在电路中,主要通过R4与R3对整个电桥电压Eb分压。当R4<


        (11)


    测量支路输出电压为


        (12)


        (13)


    由此可见,在平衡状态下,两个支路的输出电压相同,这与惠斯通电桥工作原理一样,同时又极大减小了补偿支路的电流,相当于一个等效惠斯通电 桥。当电桥平衡被破坏时,差动放大器AD620会采集电桥不平衡电压,并经放大后由AD620,OP07-4,PNP三极管组成的定温反馈控制电路使电桥 重新平衡。而OP07-3采集整个电桥的电压,经过滤波调整后输出。


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