成都油浸式变压器电路的设计

    1 设计原理

    成都油浸式变压器有多种测量原理，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成都油浸式变压器。其探头结构如图1所示。

图1 成都油浸式变压器的探头结构

    将成都油浸式变压器的探头置于被测流过的管道中，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。

    在成都油浸式变压器的换热环境中，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，可得成都油浸式变压器的测速探头与被测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为温度，℃；t为测量时间，s。

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        （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是被测的热导率；η是动力粘度；cp为定压比热容；ρ为定压比热容；v是流速.不同的换热形式，努塞尔数有不同的关联式，都体现了物性参数和流动特性对对流换热的影响。

邮 箱：sdycbyq@163.com    故热平衡关系式可以化为

        （6）

    m，n由物性参数决定，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流速v，进而测出流量。

    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，元件尺寸小；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 温度敏感，而对流速不敏感.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， 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 信号采集电路图手 机：15006359039

    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<<R3时，通过OP07-1和R7组成的电压跟随器将分压供给补偿支路，大大减小补偿支路电压，使其通过的电流很小。由于电阻R4与R3的分压作用破坏了原有电桥。故加入放大器OP07-2对补偿支路进行同等比例放大，即组成一个等效电桥。分析如下：当电桥平衡时，补偿支路电压为Eb（R4）/（R4+R3），补偿支路通过OP07-2的输出电压为

        （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。