羅 熠,于 軍
(長江科學院武漢長江儀器自動化研究所,湖北 武漢 430010;2.江漢大學物理與信息工程學院,湖北 武漢 430056)
功耗測量主要有兩種類型,第一種是針對電系統(tǒng),根據(jù)電流、電壓來求電功耗,目前該類型的產(chǎn)品較多;第二種方式是根據(jù)檢測流體帶走系統(tǒng)中的能量,在系統(tǒng)溫度達到平衡點時,單位時間內(nèi)帶走的能量就為系統(tǒng)當前的功耗。在許多情況下,需要測試系統(tǒng)的功耗,如對電力系統(tǒng)的關(guān)鍵變壓器,實驗室檢測系統(tǒng),冷卻系統(tǒng)的標定等,都需要第二類功耗測量儀。而這類產(chǎn)品在國內(nèi)還很少見。
利用流體的功耗測量系統(tǒng)如圖1。本系統(tǒng)的關(guān)鍵,在于高精度的流量檢測與溫度差檢測。在功耗測量儀內(nèi)部需要檢測的量,主要是流體流量Q,流體進出保溫箱的溫度差ΔT,當前出水端絕對溫度T。保溫箱內(nèi)為被測對象??傮w方案見圖1。
圖1 功耗測量原理
功耗測量的基本方法,就是通過對通過功耗測量儀的氣體或流體的進出溫度差、流量以及相關(guān)的熱容系數(shù),計算出功耗,在達到溫度平衡時,流體瞬時帶走的能量,就是相應(yīng)的功耗。
2.1 功耗的計算
功耗P為
其中,
M為流體流過管路的質(zhì)量,
C
(t)為熱容比,
U(t)為管路損失功耗補償。
其中,ρ(T)為流體密度隨溫度的變化。
如果采用水介質(zhì),相關(guān)的關(guān)系如圖2,
進行數(shù)字擬合后的修正公式為
相關(guān)單位:T是℃,V是cm3,M是g。
2.2 熱容比的修正
如果采用水介質(zhì),熱容比與溫度的相互關(guān)系如圖3。
進行數(shù)字擬合后的修正公式為
2.3 管路損失功耗計算
對于管路損失功耗,針對不同的流動方式,有不同的計算方法。如采用水為冷卻液,根據(jù)管路長度和安裝方式,可以使雷諾系數(shù)Re在2 300~10 000之間,Re=wd/vf。此時,有
圖3 水的熱容比與溫度的關(guān)系
Nu為Nusselt系數(shù),
功耗為
C由下表獲得
表1 雷諾系數(shù)和熱熔比的關(guān)系
由于流體溫度在管道內(nèi)的分布不同,需要精確知道流量與溫度分布之間的關(guān)系,在流量大的位置多布置探頭,流量小的位置少布置探頭,可以更準確的反映流體帶走的熱量。
在采用提高圓管內(nèi)加工面的光潔度,同時,使管長相對與管徑為4~6倍以上時,可以認為圓管中為充分發(fā)展的層流,也叫泊肅葉流。其流速分布公式
其中u為水流速度,μ為黏性系數(shù),p為壓強,R為圓管半徑。
針對圓管半徑方向進行積分,可得流量公式
可以根據(jù)上式選擇熱電偶的安裝位置。
控制器電路總的方案如圖4。
圖4 控制器電路設(shè)計方案
4.1 單片機采用C8051F410
其主要特點為:
(1)改進型8051核,速度可達50 MIPS;
(2)12位片內(nèi)ADC,采樣頻率200 kHz;
(3)2個12位DAC,電流輸出;
(4)2.0~5.25 V供電,但所有IO口均可接收5 V輸入。
4.2 放大電路
采用儀用放大器AD8553,可以利用其高共模抑制比、高輸入阻抗的特點,實現(xiàn)一級放大。同時由于AD8553的結(jié)構(gòu)特點,在參考端的電壓不需要緩沖,仍然不會減少其共模抑制比,可以節(jié)省一個運放。其電路實現(xiàn)如圖5。
圖5 水的熱容比與溫度的關(guān)系
運放的放大倍數(shù),由R22和R27決定,C33和R27對運放進行濾波,R25、R26提供參考電壓。
4.3 電壓電流轉(zhuǎn)換電路
在這里,我們采用XTR115來完成由電壓信號到4~20 mA電流信號的變換,其電路如圖6。
圖6 水的熱容比與溫度的關(guān)系
其中Q1為電流放大,4個1n 4148為保護電路。
軟件主要完成流量、溫度的采集,以及功耗的計算及修正。其功能劃分如圖7。
圖7軟件功能圖
本文詳細討論了一種利用流體,如水、空氣等介質(zhì)開發(fā)的功耗測量系統(tǒng),分析了傳感器安裝點的確定算法,提供了管路損耗的計算方法,熱容比的修正公式,同時還設(shè)計了相應(yīng)的放大和信號采集電路,以及信號輸出的電流調(diào)理電路。
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