热式气体流量计电路的设计
本文主要针对环境温度变化的影响设计了流量的信号采集电路，该电路能快速良好地进行温度补偿以消除气体温度变化带来的影响，并有效减小热式气体流量计的测量误差。
1 设计原理
热式流量计有多种测量原理，如热分布式、热消散式、压差式等。本文结合实验设备及工业上的运用情况，采用热消散式原理，基于金氏定律，设计出一种基于铂电阻的热式气体流量计。其探头结构如图1所示。
图1 热式气体流量计的探头结构
将热式气体流量计的探头置于被测气体流过的管道中，其中测速探头电阻放置在流体的下游，测温探头电阻置于流体的上游。电流通过测速探头铂电阻时探头发热，当气流稳定时，发热探头与周围环境介质达到热平衡状态，其热平衡方程为
（1）
式中：Q1为气体与热探头的强制对流换热；Q2为探头与机构的传热；Q3为探头的辐射传热。
在热式气体流量计的换热环境中，机构传热与辐射传热的影响较小，在误差范围内可以忽略不。故整个传热系统热平衡方程可简化为下式，即
（2）
根据强迫对流的换热公式，可得热式气体流量计的测速探头与被测气体之间的热平衡关系式，为
（3）
式中：Q为热探头产生的热量，J；Iw为通过加热探头的电流，A；Rw为测温探头电阻，Ω；a为传热系数，W/（m2•K）；d为探头直径，m；l为探头长度，m；Tw为测速探头温度，℃；Tc为气体温度，℃；t为测量时间，s。
努塞尔数Nu=αd/λf，代入热平衡关系式，得
（4）
根据热力学原理，努塞尔数Nu，普朗特数Pr，雷诺数Re具有如下准则式，即
（5）
式中：Pr=ηcp/λf；Re=ρdv/η；λf是被测气体的热导率；η是动力粘度；cp为气体定压比热容；ρ为气体定压比热容；v是气体流速.不同的换热形式，努塞尔数有不同的关联式，都体现了气体物性参数和流动特性对对流换热的影响。
故热平衡关系式可以化为
（6）
m，n由气体物性参数决定，当物性参数保持不变时，若能保持（Tw-Tc）/Rw不变，那么电流Iw与流速v就具有单值函数关系.故可通过测量电路电流间接测出气体流速v，进而测出气体流量。
2 信号采集电路设计与分析
2.1 电桥电路分析
当（Tw-Tc）/Rw保持不变时，探头热平衡系统中Iw与v构成单值函数关系。但是当环境介质温度Tc改变时，（Tw-Tc）/Rw改 变.而惠斯通电桥可以定温反馈，不仅能使其形成单值函数关系，还能消除环境介质温度Tc的影响。电桥敏感元件为两个铂电阻，分别为测温电阻Rc和测速电阻 Rw。金属铂电阻温度系数大，感应灵敏；电阻率高，元件尺寸��；电阻值随温度变化而变化基本呈线性关系；在测温范围内，物理、化学性能稳定，可长期使用， 测量精度高。其电阻为
（7）
式中：R0为零度时的电阻；α为铂电阻温度系数.
定温反馈过程为：初始电桥为平衡状态，当气体流速改变时，Rw温度改变，电阻值改变，电桥平衡破坏.功率放大器将电桥不平衡电压进行反馈， 通过三极管调节电桥电压，改变电桥电流，使通过Rw的电流改变，电阻值跟随电流改变，从而使电桥重新平衡，保证了（Tw-Tc）/Rw不变。图2为定温反 馈控制电路原理图。
当电桥平衡时，有如下关系式，即
（8）
式中：R1，R2为固定电阻.当环境温度改变或者气体流速改变时，电桥将自动调整达到新的平衡.在不同的平衡状态下，由于R2/R1为定值，且Rw=Rw0（1+αTw1），Rc=Rc0（1+αTc1），故
（9）
整理后为
（10）
由此可见，由惠斯通电桥组成的定温反馈控制电路能有效进行温度补偿，使（Tw-Tc）/Rw始终保持不变，从而保证了Iw与v的单值函数关系。
图2 定温反馈控制电路测量原理
2.2 信号采集电路设计与分析
惠斯通电桥电路存在如下不足：电桥电路中Rc，Rw是温度敏感元件；Rc为测量环境温度电阻.由理论分析可知，测温补偿电阻Rc应只对气体 温度敏感，而对气体流速不敏感.在实际测量中，如果通过Rc的电流较大，造成电阻发热，温度升高，则不能表征环境温度。另外，通过Rc的电流较大时，气体 流速也会对测温电阻产生影响，所以需要尽量减小补偿支路电流。当两个铂电阻阻值相差不大时，不能满足要求。因此电桥要求满足R2R1，RwRc。且铂电阻 阻值过大除了不能满足工艺要求，还会导致测温补偿元件的热惯性增大，使系统的响应变慢。为此，本文设计了新的信号采集电路，如图3所示。设计出的等效惠斯 通电桥与传统电桥具有相同功能，并能大大减小补偿支路电流，使发热量可以忽略不计，从而使测量支路正常工作。
图3 信号采集电路图
为防止补偿电阻发热而导致测量不准确，应使通过补偿电阻的电流较小些，一般小于4mA。在电路中，主要通过R4与R3对整个电桥电压Eb分压。当R4< （11） 测量支路输出电压为 （12） （13） 由此可见，在平衡状态下，两个支路的输出电压相同，这与惠斯通电桥工作原理一样，同时又极大减小了补偿支路的电流，相当于一个等效惠斯通电 桥。当电桥平衡被破坏时，差动放大器AD620会采集电桥不平衡电压，并经放大后由AD620，OP07-4，PNP三极管组成的定温反馈控制电路使电桥 重新平衡。而OP07-3采集整个电桥的电压，经过滤波调整后输出。
