制冷型热式液体质量流量计设计_江苏金湖黄河自动化仪表厂

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制冷型热式液体质量流量计设计

 发布时间:2018-08-07
1 引言
    1834年法国科学家珀尔帖发现当电流通过不同导体的结点时会产生吸热或放热现象,这种现象被称为珀尔帖效应。20世纪80年代,随着半导体材料科学的进步,基于珀尔帖效应的热电制冷技术得到飞速发展和广泛应用。本文采用半导体热电制冷技术对微小管道内的流动液体进行降温,制作成制冷型热式液体质量流量计,从而可以克服传统热式流量计对液体加热所导致的一些问题。①
    2 半导体制冷基本原理
    对于任何两种不同导体接触构成的回路,在接触点处都会有吸热和放热现象,但是在金属导体中参与导电的自由电子平均能量差很小,吸热、放热效应就很微弱,没有实用价值。而半导体材料由于内部结构的特点,决定了它产生的温差现象比其它金属要显著得多,所以一般采用半导体材料。
    2.1 半导体制冷原理及其过程
    单片制冷片的结构如图1所示,它由陶瓷基片、金属导流条、P型半导体元件和N型半导体元件组成。
 
    N型半导体中的电子势能高于金属导流条中的电子势能。当电子从金属导流条流向N型半导体时,电子的势能增高,从热运动中吸收能量,把热能转变成势能,因而在接点上发生吸热现象。当电子从N型半导体流向金属导流条时,电子的势能减少,把多余的势能释放出来,转变成为热能,因而在接点上发生放热现象。金属导流条和P型半导体的珀尔帖效应,也可以用类似的原理来解释,不过P型半导体是靠空穴来导电的,所考虑的是空穴的能量变化。
    由于单片制冷片的制冷功率很低,实际应用时通常将同一类型的若干制冷片串联使用,如图2所示。
 
    2.2 半导体制冷片制冷功率计算
    半导体制冷片冷端单位时间的制冷量Qc为:
 
    式中:Qp———冷端吸热量,W;QT———热端向冷端传导的热量,W;QJ———电流产生的焦耳热,W;αp,αn———P型半导体和N型半导体的绝对塞贝克系数;Tc,Th———冷端和热端的温度,K;I———通过的电流,A;K———总热导,W/K;R———总电阻,Ω。
    由式(1)可知,改变电流可以改变制冷量。在用于热式流量计时,由于对管道制冷的热负载比较小,故采用最大温差工作状态设计方法。使通过的电流值这时冷、热端建立起最大的温差(其中Z为半导体材料的优值系数,Z代表了半导体材料的一种特性,提高Z可以提高最大温差,当热端温度一定时,冷端可获得较低的温度。
    3 制冷型热式液体质量流量计传感器的设计
    热式质量流量计是利用传热原理检测流体流量的仪表,应用较多的有两类:①利用流动流体传递热量改变测量管壁温度分布的热传导效应分布式流量计;②利用热消散(冷却)效应的热式流量计。
    上述两类方法一般都是对流体进行加热,但在液体情况下,对流体加热时,会产生下列问题:①在微小流量范围内,液体受热容易气化,产生气泡;②受热时,液体中的气体逸散形成气泡,使测量引入噪声或使灵敏度变化;③不宜用于乙醇等低沸点液体[2]。
    解决的途径之一是降低加热温度,使之比液体温度只高几度,但这又容易受外界温度影响,使测量的灵敏度发生变化。而采用与加热相对的方法,对液体进行冷却,同样是利用传热原理,却可以克服加热液体所产生的问题,其工作原理如图3所示。
 
    流量传感器由测量毛细管、半导体制冷片和A,B,C处的三个温度传感器组成。制冷片紧贴测量管,以便带走测量管和管内液体的热量,使其温度降低。没有液体流动时B处和C处温度相等,即为制冷片冷端温度Tc;液体流动时,管道和制冷片之间发生热交换,测量管B处温度上升。测得A处和B处的温度差便可以求得质量流量。
    冷却流体单位时间需要的能量Q和流体温度下降的度数ΔT之间有如下关系:
 
    式中:k———系数;Cp———液体的定压比热容,kJ/(kg·℃);d———管道直径,m;u———流体的平均流速,m/s;ρ———流体的密度,kg/m3。
    其中即为流体的质量流量。
    当达到热平衡时,有Q=Qc。由式(2)可知,当Q恒定时,液体的质量流量和液体温度下降的幅度之间有一一对应的关系,只要测出A、B两点的温差ΔT,即可知道被测液体的质量流量。
    4 流量计的信号采集和处理系统
    4.1 温度信号检测
    流量传感器中A、B、C三点的温度检测采用了美国模拟器件公司生产的AD590,其输出电流与温度成线性关系,为1μA/K。它以热力学温标零点作为零输出点,在0℃时的输出电流为273.2μA。由于它是一种电流型的温度传感器,在一定温度下,相当于一个恒流源。
    图4(a)是利用两个AD590测量A、B两点温度差的电路。设A处和B处AD590的温度分别为t1(℃)和t2(℃),在反馈电阻R3为100kΩ的情况下,输出电压Vo为(t1-t2)100mV。图中电位器R2用于调零,电位器R3用于调整运放的增益,改变R3的值,即可改变Vo。
    图4(b)是用来检测C点温度的电路。设C处AD590的温度为t3(℃),当电阻R1和电位器R2的电阻之和为100kΩ时,输出电压Vo为(273.2+t3)100mV。改变(R1+R2)值可以改变Vo的大小。
 
    4.2 信号处理系统
    流量计的控制器部分采用CYGNAL公司的混合信号系统级单片机C8051F015,它具有与8051指令集完全兼容的CIP-51微控制器内核。
    4.2.1 A/D转换
    C8051F015在一个芯片内集成了一个单片机数据采集和处理系统所需要的模拟和数字外设。它有1个片内10位分辨率的逐次逼近型A/D转换模块,各点温度检测的输出值Vo经电压放大后直接送至该模块输入口。片内还有1个2。4V的电压基准,也可通过VERF引脚使用外部基准。本设计直接采用片内电压基准。
    A/D转换可有4种启动方式:软件命令、定时器2溢出、定时器3溢出及外部信号输入。我们在定时器3的溢出中断服务程序中周期性地通过软件命令启动A/D转换,进行电压信号的采样。使用软件命令而不直接利用定时器3是为了切换系统时钟,在4.2.3节中会提到。
    4.2.2 电源管理
    C8051处理器有两种电源管理方式:闲置方式和停机方式。在闲置方式下,CPU和FLASH存储器停止工作,所有外设都处于工作方式。在有中断被使能的中断产生或发生系统复位时,CPU退出闲置方式;停机方式用于停止CPU和振荡器,这将使所有数字外设都停止工作,只有内部或外部复位可以使处理器退出停机方式[2]。
    在等待定时器3溢出中断的空闲时间,将CPU置于闲置方式,等待定时器3溢出后启动一次A/D转换,一旦转换过程结束,ADC转换结束中断再次将CPU从闲置状态唤醒,开始处理采样值。在样本处理过程结束后,CPU又重新置于闲置方式以节省功耗,同时等待下一次中断。
    4.2.3 系统时钟
    C8051F015的系统时钟可以来自内部振荡器或外部时钟源,外部源可以是CMOS时钟、RC电路、电容或晶体振荡器。ADC采样和数据处理需要间歇的高速度和高精度,在其它时间可允许低速度和低精度。利用外部振荡器和RC电路的组合,外部RC振荡器用于产生低频时钟源,而晶体用于A/D转换和数据处理的高频率操作,图5显示了两者的配置。由于功耗与系统时钟频率成正比,因此这样处理系统频率可以有效地降低功耗。程序流程简图如图6所示。
 
    5 结束语
    制冷型热式液体质量流量计不对液体加热,不会产生气泡,可广泛用于不同液体流量的测量,特别适用于沸点比较低的液体。由于其结构特点,热式流量计克服了差压式、电磁式等流量计不能测量微小流量的缺点。而且压力损失小,对管道分布不敏感,通常也没有上下游直管道长度要求。
 
     

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