基于恒电流的质量流量开关设计①

魏朋飞 沈昱明 张小庆

(1.上海理工大学光电信息与计算机工程学院；2.上海自动化仪表有限公司)

基于恒电流的质量流量开关设计①

魏朋飞1沈昱明1张小庆2

(1.上海理工大学光电信息与计算机工程学院；2.上海自动化仪表有限公司)

介绍基于恒电流的质量流量开关工作原理。根据热散失和L.V.King公式，导出了流量开关中加热探头电压与介质质量流量之间的函数关系式。设计质量流量开关电路，并采用Multisim软件对设计电路进行了仿真，分析温度补偿的实现方法。实验结果表明，该设计稳定性好，可重复性高。

质量流量开关 电路设计 恒电流 热电阻探头

质量流量开关是工业控制中的重要仪表之一，目前主要用于水(风)冷却、润滑油、空调及通风等系统的保护监控[1,2]。当质量流量超过上限或下限时，开关发出两位控制信号，起到报警提示的作用。笔者根据热散失和L.V.King公式，推导出流量开关中加热探头电压与介质质量流量之间的函数关系式；在考虑输出稳定和可重复性的前提下，提出了一种基于恒电流的质量流量开关，并采用Multisim软件对设计电路进行了仿真和实验测试。

1 工作原理

质量流量开关通过感知一对匹配的热电阻探头(加热探头和参考探头)的温差，来测得介质的质量流量。如图1所示，加热探头持续不断地通过恒定电流进行自加热，而参考探头不加热，以提供一个确切的环境温度参考。加热探头和参考探头之间的温差是热电阻所接触介质的密度和速度的函数[3]。

图1 质量流量开关

对流体中的加热探头进行通电加热，把流体冷却率的变化换算为电阻的变化，忽略热辐射和自然对流的影响，则根据L.V.King公式，加热探头散失的热量H为[4]：

(1)

式中cp——定压比热容；

d——探头直径；

l——铂电阻浸入流体中的长度；

t——加热探头的温度；

tf——参考探头的温度；

v——流体流速；

λ——流体的热导率；

ρ——流体密度。

从式(1)可以看出，当流量为零时，温差(t-tf)达到最大值；随着流量的增加，加热探头热量被流体带走，温差逐渐减小。

根据热平衡原理，加热探头消耗的功率I2Rt与探头传热量相等，即H=I2Rt，代入式(1)，并化简得到：

(2)

I——恒定电流；

qm——通过管道的质量流量；

Rt——加热探头的阻值；

S——管道的流通面积。

式(2)表明，两探头间的温差是质量流量的函数。

笔者选用Pt100作为加热电阻和参考电阻。Pt100在0～100℃范围内，其阻值RPt100随温度T的变化具有较好的线性关系，即[5]：

RPt100=100+0.39T

(3)

由于给加热探头通的是恒定电流I，则加热探头电压Ut的表达式为：

(4)

其中，Rf为参考探头的阻值。式(4)表明，给加热探头提供的恒定电流I、加热探头电压Ut与介质的质量流量成函数关系。在无流量时，Ut达到最大值；当流量增加时，Ut逐渐减小。加热探头电压时刻与全流量状态记录在可调电位器上的电压Uf进行比较匹配，匹配的电压引起继电器状态变化。加热探头功率随热电阻温度做线性变化。温度补偿用增益参考探头电压实现，该电压作为一种动态参考也随温度做线性变化。在标定期间，无流量和全流量状态记录在可调电位器上，当温度变化时可调电位器上的电压随之变化，该变化和加热探头温度的变化完全一致，因此实现了在非恒定功率状况下的温度补偿。

2 系统结构设计

质量流量开关结构框图如图2所示。恒流源对两个热电阻提供恒定的电流，当探头浸入到流体中时，加热探头受到介质质量流量的影响(不同的流量导致不同的加热探头表面热量)，这种冷效应会降低两个探头之间的温差。信号处理单元把流量的变化转变成电压，并和比较单元中先前设定的流量值所对应的控制电压(通过可调电位器设置)做比较，进而比较单元逻辑输出促使继电器工作，实现流量开关的状态变化。

图2 质量流量开关结构框图

2.1 电源与恒流源

电源电路采用24V(DC)和220V(AC)双电源供电模式。电路采用三端可调稳压器LM317，它仅需两个外接电阻即可设置输出电压(1.25～37V)。恒流源是一种能够向负载提供恒定电流的电路，可靠、稳定的恒流源是仪表达到较高测量精度的前提。恒流源分为两种：晶体管恒流源利用三极管集电极电压变化对电流影响很小的特点，利用电流负反馈使输出电流保持稳定，为参考探头提供6mA以下的微小电流；功率MOSFET构成的恒流源输入阻抗高、输出电流大，可提供50mA以上的恒定电流对加热探头进行加热[6]。

2.2 信号处理与比较输出

图3 信号处理与比较输出单元

3 电路仿真

由于Multisim中无法模拟流量，故可从温度的变化来验证电路设计的可行性。使用压控函数模块和压控电阻来模拟Pt100铂电阻[9]。调节R10和R19设置流量报警值，以温度的变化模拟流量的变化。以周期性不规则正弦波模拟加热探头的温度变化情况，其中,最高处峰值电压为44.86V,最低处波谷电压为0.68V；以方波的高低电平代表流量开关的开启与闭合，其中高电平(14.09V)表示开关闭合。Multisim电路仿真结果如图4所示，横坐标表示时间，每单元格代表50ms。

图4 Multisim电路仿真结果

4 实验测试

根据笔者设计的电路制作一组PCB样板，在水流环境下进行测试。调节可调电位器设置流量报警值，对流量开关进行全流量标定，并用流量计测量设置的流量值，而后调节流体的流速同时记录实时流量和继电器的工作状态，实验结果见表1。实验数据表明，该流量开关响应迅速、输出稳定、重复性较高，电路设计达到了预期要求。

表1 实验结果

(续表1)

5 结束语

笔者设计了一种基于恒电流的质量流量开关。在两探头温差与质量流量的关系推导中发现，由流体温度变化导致的热导率变化会给实验结果带来微弱偏差。电路仿真与实验测试结果表明，该流量开关能对温度的变化进行自动补偿，且输出稳定、响应迅速，该开关于室温下在标定设置点处的漂移较低，可重复性较高，能够较好地满足实际应用要求。

[1] 蔡武昌.热式流量仪表市场类型和应用[J].自动化仪表,2008,29(4):71～73.

[2] 于晓辉.流量计选型的模糊决策[J].石油化工自动化, 2016,52(2):21～24.

[3] 刘均,刘伟帅.基于恒电流热式质量流量计的研究[J].化工自动化及仪表,2015,42(4):378～380.

[4] 川田裕郎,小宫勤一,山崎弘郎,著,罗秦,译.流量测量手册[M].北京:中国计量出版社,1982.

[5] 陆川.热式气体质量流量计的研制[D].成都:电子科技大学,2010.

[6] 江进国,陈泽平,王嘉伟,等.基于功率管并联的恒流源设计与分析[J].电测与仪表,2013,50(6):115～119.

[7] 张林,陈大钦.模拟电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,2014.

[8] 邱关源.电路[M].北京:高等教育出版社,1999.

[9] 周润景,托亚,王亮.Multisim和LabVIEW电路与虚拟仪器设计技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,2014.

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魏朋飞(1989-)，硕士研究生，从事模拟电路的研究，15038330267@163.com。

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