基于恒電流的質(zhì)量流量開關(guān)設(shè)計①

魏朋飛 沈昱明 張小慶

(1.上海理工大學光電信息與計算機工程學院；2.上海自動化儀表有限公司)

基于恒電流的質(zhì)量流量開關(guān)設(shè)計①

魏朋飛1沈昱明1張小慶2

(1.上海理工大學光電信息與計算機工程學院；2.上海自動化儀表有限公司)

介紹基于恒電流的質(zhì)量流量開關(guān)工作原理。根據(jù)熱散失和L.V.King公式，導出了流量開關(guān)中加熱探頭電壓與介質(zhì)質(zhì)量流量之間的函數(shù)關(guān)系式。設(shè)計質(zhì)量流量開關(guān)電路，并采用Multisim軟件對設(shè)計電路進行了仿真，分析溫度補償?shù)膶崿F(xiàn)方法。實驗結(jié)果表明，該設(shè)計穩(wěn)定性好，可重復性高。

質(zhì)量流量開關(guān) 電路設(shè)計 恒電流 熱電阻探頭

質(zhì)量流量開關(guān)是工業(yè)控制中的重要儀表之一，目前主要用于水(風)冷卻、潤滑油、空調(diào)及通風等系統(tǒng)的保護監(jiān)控[1,2]。當質(zhì)量流量超過上限或下限時，開關(guān)發(fā)出兩位控制信號，起到報警提示的作用。筆者根據(jù)熱散失和L.V.King公式，推導出流量開關(guān)中加熱探頭電壓與介質(zhì)質(zhì)量流量之間的函數(shù)關(guān)系式；在考慮輸出穩(wěn)定和可重復性的前提下，提出了一種基于恒電流的質(zhì)量流量開關(guān)，并采用Multisim軟件對設(shè)計電路進行了仿真和實驗測試。

1 工作原理

質(zhì)量流量開關(guān)通過感知一對匹配的熱電阻探頭(加熱探頭和參考探頭)的溫差，來測得介質(zhì)的質(zhì)量流量。如圖1所示，加熱探頭持續(xù)不斷地通過恒定電流進行自加熱，而參考探頭不加熱，以提供一個確切的環(huán)境溫度參考。加熱探頭和參考探頭之間的溫差是熱電阻所接觸介質(zhì)的密度和速度的函數(shù)[3]。

圖1 質(zhì)量流量開關(guān)

對流體中的加熱探頭進行通電加熱，把流體冷卻率的變化換算為電阻的變化，忽略熱輻射和自然對流的影響，則根據(jù)L.V.King公式，加熱探頭散失的熱量H為[4]：

(1)

式中cp——定壓比熱容；

d——探頭直徑；

l——鉑電阻浸入流體中的長度；

t——加熱探頭的溫度；

tf——參考探頭的溫度；

v——流體流速；

λ——流體的熱導率；

ρ——流體密度。

從式(1)可以看出，當流量為零時，溫差(t-tf)達到最大值；隨著流量的增加，加熱探頭熱量被流體帶走，溫差逐漸減小。

根據(jù)熱平衡原理，加熱探頭消耗的功率I2Rt與探頭傳熱量相等，即H=I2Rt，代入式(1)，并化簡得到：

(2)

I——恒定電流；

qm——通過管道的質(zhì)量流量；

Rt——加熱探頭的阻值；

S——管道的流通面積。

式(2)表明，兩探頭間的溫差是質(zhì)量流量的函數(shù)。

筆者選用Pt100作為加熱電阻和參考電阻。Pt100在0～100℃范圍內(nèi)，其阻值RPt100隨溫度T的變化具有較好的線性關(guān)系，即[5]：

RPt100=100+0.39T

(3)

由于給加熱探頭通的是恒定電流I，則加熱探頭電壓Ut的表達式為：

(4)

其中，Rf為參考探頭的阻值。式(4)表明，給加熱探頭提供的恒定電流I、加熱探頭電壓Ut與介質(zhì)的質(zhì)量流量成函數(shù)關(guān)系。在無流量時，Ut達到最大值；當流量增加時，Ut逐漸減小。加熱探頭電壓時刻與全流量狀態(tài)記錄在可調(diào)電位器上的電壓Uf進行比較匹配，匹配的電壓引起繼電器狀態(tài)變化。加熱探頭功率隨熱電阻溫度做線性變化。溫度補償用增益參考探頭電壓實現(xiàn)，該電壓作為一種動態(tài)參考也隨溫度做線性變化。在標定期間，無流量和全流量狀態(tài)記錄在可調(diào)電位器上，當溫度變化時可調(diào)電位器上的電壓隨之變化，該變化和加熱探頭溫度的變化完全一致，因此實現(xiàn)了在非恒定功率狀況下的溫度補償。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

質(zhì)量流量開關(guān)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。恒流源對兩個熱電阻提供恒定的電流，當探頭浸入到流體中時，加熱探頭受到介質(zhì)質(zhì)量流量的影響(不同的流量導致不同的加熱探頭表面熱量)，這種冷效應(yīng)會降低兩個探頭之間的溫差。信號處理單元把流量的變化轉(zhuǎn)變成電壓，并和比較單元中先前設(shè)定的流量值所對應(yīng)的控制電壓(通過可調(diào)電位器設(shè)置)做比較，進而比較單元邏輯輸出促使繼電器工作，實現(xiàn)流量開關(guān)的狀態(tài)變化。

圖2 質(zhì)量流量開關(guān)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 電源與恒流源

電源電路采用24V(DC)和220V(AC)雙電源供電模式。電路采用三端可調(diào)穩(wěn)壓器LM317，它僅需兩個外接電阻即可設(shè)置輸出電壓(1.25～37V)。恒流源是一種能夠向負載提供恒定電流的電路，可靠、穩(wěn)定的恒流源是儀表達到較高測量精度的前提。恒流源分為兩種：晶體管恒流源利用三極管集電極電壓變化對電流影響很小的特點，利用電流負反饋使輸出電流保持穩(wěn)定，為參考探頭提供6mA以下的微小電流；功率MOSFET構(gòu)成的恒流源輸入阻抗高、輸出電流大，可提供50mA以上的恒定電流對加熱探頭進行加熱[6]。

2.2 信號處理與比較輸出

圖3 信號處理與比較輸出單元

3 電路仿真

由于Multisim中無法模擬流量，故可從溫度的變化來驗證電路設(shè)計的可行性。使用壓控函數(shù)模塊和壓控電阻來模擬Pt100鉑電阻[9]。調(diào)節(jié)R10和R19設(shè)置流量報警值，以溫度的變化模擬流量的變化。以周期性不規(guī)則正弦波模擬加熱探頭的溫度變化情況，其中,最高處峰值電壓為44.86V,最低處波谷電壓為0.68V；以方波的高低電平代表流量開關(guān)的開啟與閉合，其中高電平(14.09V)表示開關(guān)閉合。Multisim電路仿真結(jié)果如圖4所示，橫坐標表示時間，每單元格代表50ms。

圖4 Multisim電路仿真結(jié)果

4 實驗測試

根據(jù)筆者設(shè)計的電路制作一組PCB樣板，在水流環(huán)境下進行測試。調(diào)節(jié)可調(diào)電位器設(shè)置流量報警值，對流量開關(guān)進行全流量標定，并用流量計測量設(shè)置的流量值，而后調(diào)節(jié)流體的流速同時記錄實時流量和繼電器的工作狀態(tài)，實驗結(jié)果見表1。實驗數(shù)據(jù)表明，該流量開關(guān)響應(yīng)迅速、輸出穩(wěn)定、重復性較高，電路設(shè)計達到了預期要求。

表1 實驗結(jié)果

(續(xù)表1)

5 結(jié)束語

筆者設(shè)計了一種基于恒電流的質(zhì)量流量開關(guān)。在兩探頭溫差與質(zhì)量流量的關(guān)系推導中發(fā)現(xiàn)，由流體溫度變化導致的熱導率變化會給實驗結(jié)果帶來微弱偏差。電路仿真與實驗測試結(jié)果表明，該流量開關(guān)能對溫度的變化進行自動補償，且輸出穩(wěn)定、響應(yīng)迅速，該開關(guān)于室溫下在標定設(shè)置點處的漂移較低，可重復性較高，能夠較好地滿足實際應(yīng)用要求。

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聲明

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魏朋飛(1989-)，碩士研究生，從事模擬電路的研究，15038330267@163.com。

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