熱式氣體流量計電路的設計

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。