基于恒電流的質量流量開關設計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)

基于恒電流的質量流量開關設計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量流量開關工作原理。根據熱散失和L.V.King公式，導出了流量開關中加熱探頭電壓與介質質量流量之間的函數關系式。設計質量流量開關電路，并采用Multisim軟件對設計電路進行了仿真，分析溫度補償的實現方法。實驗結果表明，該設計穩定性好，可重復性高。

質量流量開關 電路設計 恒電流 熱電阻探頭

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

1 工作原理

質量流量開關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，來測得介質的質量流量。如圖1所示，加熱探頭持續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的密度和速度的函數[3]。

圖1 質量流量開關

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量流量的函數。

筆者選用Pt100作為加熱電阻和參考電阻。Pt100在0～100℃范圍內，其阻值RPt100隨溫度T的變化具有較好的線性關系，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與介質的質量流量成函數關系。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記錄在可調電位器上的電壓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，該電壓作為一種動態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記錄在可調電位器上，當溫度變化時可調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，因此實現了在非恒定功率狀況下的溫度補償。

2 系統結構設計

質量流量開關結構框圖如圖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，加熱探頭受到介質質量流量的影響(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變成電壓，并和比較單元中先前設定的流量值所對應的控制電壓(通過可調電位器設置)做比較，進而比較單元邏輯輸出促使繼電器工作，實現流量開關的狀態變化。

圖2 質量流量開關結構框圖

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。電路采用三端可調穩壓器LM317，它僅需兩個外接電阻即可設置輸出電壓(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定，為參考探頭提供6mA以下的微小電流；功率MOSFET構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計的可行性。使用壓控函數模塊和壓控電阻來模擬Pt100鉑電阻[9]。調節R10和R19設置流量報警值，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的開啟與閉合，其中高電平(14.09V)表示開關閉合。Multisim電路仿真結果如圖4所示，橫坐標表示時間，每單元格代表50ms。

圖4 Multisim電路仿真結果

4 實驗測試

根據筆者設計的電路制作一組PCB樣板，在水流環境下進行測試。調節可調電位器設置流量報警值，對流量開關進行全流量標定，并用流量計測量設置的流量值，而后調節流體的流速同時記錄實時流量和繼電器的工作狀態，實驗結果見表1。實驗數據表明，該流量開關響應迅速、輸出穩定、重復性較高，電路設計達到了預期要求。

表1 實驗結果

(續表1)

5 結束語

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

[1] 蔡武昌.熱式流量儀表市場類型和應用[J].自動化儀表,2008,29(4):71～73.

[2] 于曉輝.流量計選型的模糊決策[J].石油化工自動化, 2016,52(2):21～24.

[3] 劉均,劉偉帥.基于恒電流熱式質量流量計的研究[J].化工自動化及儀表,2015,42(4):378～380.

[4] 川田裕郎,小宮勤一,山崎弘郎,著,羅秦,譯.流量測量手冊[M].北京:中國計量出版社,1982.

[5] 陸川.熱式氣體質量流量計的研制[D].成都:電子科技大學,2010.

[6] 江進國,陳澤平,王嘉偉,等.基于功率管并聯的恒流源設計與分析[J].電測與儀表,2013,50(6):115～119.

[7] 張林,陳大欽.模擬電子技術基礎[M].北京:高等教育出版社,2014.

[8] 邱關源.電路[M].北京:高等教育出版社,1999.

[9] 周潤景,托亞,王亮.Multisim和LabVIEW電路與虛擬儀器設計技術[M].北京:北京航空航天大學出版社,2014.

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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