高精度功耗测量仪的设计
2010-03-16罗熠，于军
罗 熠，于 军
（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）
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量仪。而这类产品在国内还很少见。
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，在于高精度的流量检测与温度差检测。在功耗测量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ΔT，当前出水端绝对温度T。保温箱内为被测对象。总体方案见图1。
图1 功耗测量原理
功耗测量的基本方法，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
其中，
M为流体流过管路的质量，
C
（t）为热容比，
U（t）为管路损失功耗补偿。
其中，ρ（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，
进行数字拟合后的修正公式为
相关单位：T是℃，V是cm3，M是g。
2.2 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3。
进行数字拟合后的修正公式为
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2 300～10 000之间，Re=wd/vf。此时，有
图3 水的热容比与温度的关系
Nu为Nusselt系数，
功耗为
C由下表获得
表1 雷诺系数和热熔比的关系
3 温度差的检测方法
由于流体温度在管道内的分布不同，需要精确知道流量与温度分布之间的关系，在流量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u为水流速度，μ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
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。
图4 控制器电路设计方案
4.1 单片机采用C8051F410
其主要特点为：
（1）改进型8051核，速度可达50 MIPS；
（2）12位片内ADC，采样频率200 kHz；
（3）2个12位DAC，电流输出；
（4）2.0～5.25 V供电，但所有IO口均可接收5 V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。
图5 水的热容比与温度的关系
运放的放大倍数，由R22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4～20 mA电流信号的变换，其电路如图6。
图6 水的热容比与温度的关系
其中Q1为电流放大，4个1n 4148为保护电路。
5 软件流程
软件主要完成流量、温度的采集，以及功耗的计算及修正。其功能划分如图7。
图7软件功能图
6 结束语
本文详细讨论了一种利用流体，如水、空气等介质开发的功耗测量系统，分析了传感器安装点的确定算法，提供了管路损耗的计算方法，热容比的修正公式，同时还设计了相应的放大和信号采集电路，以及信号输出的电流调理电路。
[1]时 阳.高控温精度的液体冷却循环器 [J].轻工机械.，2003，（4）：37-41
[2]王 经.传热学与流体力学基础 [M].上海：上海交通大学出版社，2007.
[3]马 倩.非牛顿流体在环管中流动与换热特性的数值研究 [D].南京：南京理工大学，2007.
[4]曾 平.集成式计算机芯片水冷系统的研究[J].西安交通大学学报，2005，39（11）：73-751.
[5]孙 兵，陆晓峰.一种基于MCS-51的低功耗测量系统[J].自动化仪表，2005，26（6）：49-53.
[6]Differential Temperature Transducer-an iterative method of evaluating the signal[M].Measurements＆Data，October 1981.
