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1、EquipmentManufactringTechnologyNo.ll,2010高精度功耗测量仪的设计罗熠♦于军2(长江科学院武汉长江仪器自动化研究所，湖北武汉430010；2・江汉大学物理与信息工程学院，湖北武汉430056)摘基讨论了功耗测走的方法，提出了一种利用流体冷却设备的同时，测量相应功耗的功耗测量仪的结构设计、电珞设计及相关的软件开发，分析了其基本工作原理、管路的损耗计算、传感器的安装位JL的龙定计算、热容比和流体密度对温度的变化的计算■以及相关的控制35的设计，仕号调理以及标准4-20mA功耗仿号的输出电
2、路。关键词:功耗测l;xtrll5;t路损耗收稿日期：2010-0$-25作者简介：罗熠(1971),男，四川绵阳人，工程师，学士，研究方向:测控技札中图分类号:TP274文献标识码:A功耗测量主要有两种类型，第一种是针对电系统,根据电流、电压来求电功耗，目前该类型的产品较多;第二种方式是根据检测流体带走系统中的能量,在系统温度达到平衡点时,单位时间内带走的能量就为系统当前的功耗。在许多情况下,需要测试系统的功耗，如对电力系统的关键变压器，实验室检测系统，冷却系统的标定等，都需要第二类功耗测童仪。而这类产品在国内还很少见
3、。1流体功耗测量的基本原理利用流体的功耗测量系统如图1。本系统的关键，在于高精度的流fi:检测与温度差检测。在功耗测塑仪内部需要检测的量，主要是流体流量Q,流体进出保温箱的温度差当前出水端绝对温度几保温箱内为被测对象。总体方案见图lo图1功耗测■原理功耗测曲的基本方法，就是通过对通过功耗测量仪的气体或流体的进出温度差、流量以及相关的热容系数，计算出功耗,在达到温度平衡时,流体瞬时带走的能量,就是相应的功耗。2功耗的计算方法2.1功耗的计算功耗P为文章编号:〔672-545X(2010)11-0030-03薯=警L：co)
4、/+(1)其中，M为流体流过管路的质量，C(f)为热容比，〃(/)为管路损失功耗补偿。其中，瞥P⑴务p(T)为流体密度随温度的变化。如果采用水介质，相关的关系如图2,S2水密度与温度的关系进行数字拟合后的修正公式为p(T)=1.00034-5.352T0”♦T-3.774♦KT5♦T2(2)相关单位:7*是汇,V是cm5,M是go2.2热容比的修正如果采用水介质，热容比与温度的相互关系如图3e进行数字拟合后的修正公式为/=4.208-1.948EXP(-0.3)xf+3.826EXP(-4).5)xT2-2.028EXP
5、(-0.7)xT3(3)2.3管路损失功耗计算对于管路损失功耗，针对不同的流动方式,有不同的计算方法。如采用水为冷却液，根据管路长度和安装方式，可以使雷诺系数Re在2300~10000之间,Re=wd/vf。此时，有吟CP严驚严⑷Nu为Nusselt系数，Nu=A功耗为W=axLx2irnltC由下表获得«1■诺系数和热熔比的关系RexKT22.22.32.53.03.54.05.06.07.08.09.010C2.23.64.9751012.216.520242729303温度差的检测方法由于流体温度在管道内的分布不同
6、•需要精确知道流量与温度分布之间的关系，在流屋大的位置多布置探头,流量小的位置少布置探头，可以更准确的反映流体带走的热量。在采用提高圆管内加工面的光洁度，同时，使管长相对与管径为4~6倍以上时,可以认为圆管中为充分发展的层流，也叫泊肃叶流。其流速分布公式其中"为水流速度〃为黏性系数,P为压强,R为圆管半径。针对圆管半径方向进行积分，可得流量公式矜纠"〉(6)2/xdx由于为充分发展的层流，其学■为定值，设〃处与r2处dx的流量分别为©和Q2,可得可以根据上式选择热电偶的安装位置。4相关电路设计控制器电路总的方案如图4。4
7、.1单片机采用C8051F410其主要特点为：仃)改进型8051核，速度可达50MIPS;(2)12位片内ADC,采样频率200kHz;(3)2个12位DAC,电流输出；(4)2.0-5.25V供电,但所有10口均可接收5V输入。4.2放大电路采用仪用放大器AD8553,可以利用其高共模抑制比、高输入阻抗的特点，实现一级放大。同时由于AD8553的结构特点，在参考端的电压不需要缓冲，仍然不会减少其共模抑制比,可以节省一个运放。其电路实现如图5。AM553IOAM5S1•■•••・S5水的热容比与温度的关系运放的放大倍数，
8、由H22和R27决定,C33和R27对运放进行滤波,R25、R26提供参考电压。4.3电压电流转换电路在这里,我们采用XTR115来完成由电压信号到4-20mA电流信号的变换，其电路如图6。tM96水的热容比与温度的关系号■及功.体*«««*计算丿EquipmentManufactringTechnologyNo.】
