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        高精度功耗測量儀的設計

        2010-03-16 01:18:56熠,于
        裝備制造技術(shù) 2010年11期
        關(guān)鍵詞:熱容圓管功耗

        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。

        1 流體功耗測量的基本原理

        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,就是相應的功耗。

        2 功耗的計算方法

        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

        3 溫度差的檢測方法

        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。

        4 相關(guān)電路設計

        控制器電路總的方案如圖4。

        圖4 控制器電路設計方案

        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。

        5 軟件流程

        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

        6 結(jié)束語

        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,同時還設計了相應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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