高精度功耗測量儀的設計

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，根據電流、電壓來求電功耗，目前該類型的產品較多；第二種方式是根據檢測流體帶走系統中的能量，在系統溫度達到平衡點時，單位時間內帶走的能量就為系統當前的功耗。在許多情況下，需要測試系統的功耗，如對電力系統的關鍵變壓器，實驗室檢測系統，冷卻系統的標定等，都需要第二類功耗測量儀。而這類產品在國內還很少見。

1 流體功耗測量的基本原理

利用流體的功耗測量系統如圖1。本系統的關鍵，在于高精度的流量檢測與溫度差檢測。在功耗測量儀內部需要檢測的量，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。保溫箱內為被測對象。總體方案見圖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、流量以及相關的熱容系數，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，相關的關系如圖2，

進行數字擬合后的修正公式為

相關單位：T是℃，V是cm3，M是g。

2.2 熱容比的修正

如果采用水介質，熱容比與溫度的相互關系如圖3。

進行數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，根據管路長度和安裝方式，可以使雷諾系數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系

Nu為Nusselt系數，

功耗為

C由下表獲得

表1 雷諾系數和熱熔比的關系

3 溫度差的檢測方法

由于流體溫度在管道內的分布不同，需要精確知道流量與溫度分布之間的關系，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，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

可以根據上式選擇熱電偶的安裝位置。

4 相關電路設計

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，實現一級放大。同時由于AD8553的結構特點，在參考端的電壓不需要緩沖，仍然不會減少其共模抑制比，可以節省一個運放。其電路實現如圖5。

圖5 水的熱容比與溫度的關系

運放的放大倍數，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 結束語

本文詳細討論了一種利用流體，如水、空氣等介質開發的功耗測量系統，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理電路。

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