摘 要：選用集成溫度傳感器AD590檢測溫度信號，采用C8051F015單片機作為信號處理單元，利用珀爾帖效應的半導體制冷片使流動液體產生溫差從而測得液體質量流量，為測量微小流量液體提供了一種有效方法。

關鍵字：珀爾帖效應 半導體制冷 熱式液體流量計

    1 引言

    1834年法國科學家珀爾帖發現當電流通過不同導體的結點時會產生吸熱或放熱現象，這種現象被稱為珀爾帖效應。20世紀80年代，隨著半導體材料科學的進步，基于珀爾帖效應的熱電制冷技術得到飛速發展和廣泛應用。本文采用半導體熱電制冷技術對微小管道內的流動液體進行降溫，制作成制冷型熱式液體質量流量計，從而可以克服傳統熱式流量計對液體加熱所導致的一些問題。^①

    2 半導體制冷基本原理

    對于任何兩種不同導體接觸構成的回路，在接觸點處都會有吸熱和放熱現象，但是在金屬導體中參與導電的自由電子平均能量差很小，吸熱、放熱效應就很微弱，沒有實用價值。而半導體材料由于內部結構的特點，決定了它產生的溫差現象比其它金屬要顯著得多，所以一般采用半導體材料。

    2.1 半導體制冷原理及其過程

    單片制冷片的結構如圖1所示，它由陶瓷基片、金屬導流條、P型半導體元件和N型半導體元件組成。

    N型半導體中的電子勢能高于金屬導流條中的電子勢能。當電子從金屬導流條流向N型半導體時，電子的勢能增高，從熱運動中吸收能量，把熱能轉變成勢能，因而在接點上發生吸熱現象。當電子從N型半導體流向金屬導流條時，電子的勢能減少，把多余的勢能釋放出來，轉變成為熱能，因而在接點上發生放熱現象。金屬導流條和P型半導體的珀爾帖效應，也可以用類似的原理來解釋，不過P型半導體是靠空穴來導電的，所考慮的是空穴的能量變化。

    由于單片制冷片的制冷功率很低，實際應用時通常將同一類型的若干制冷片串聯使用，如圖2所示。

    2.2 半導體制冷片制冷功率計算

    半導體制冷片冷端單位時間的制冷量Q_c為：

    式中：Q_p———冷端吸熱量，W；Q_T———熱端向冷端傳導的熱量，W；Q_J———電流產生的焦耳熱，W；α_p，α_n———P型半導體和N型半導體的絕對塞貝克系數；T_c，T_h———冷端和熱端的溫度，K；I———通過的電流，A；K———總熱導，W/K；R———總電阻，Ω。

    由式（1）可知，改變電流可以改變制冷量。在用于熱式流量計時，由于對管道制冷的熱負載比較小，故采用最大溫差工作狀態設計方法。使通過的電流值這時冷、熱端建立起最大的溫差（其中Z為半導體材料的優值系數，Z代表了半導體材料的一種特性，提高Z可以提高最大溫差，當熱端溫度一定時，冷端可獲得較低的溫度。

    3 制冷型熱式液體質量流量計傳感器的設計

    熱式質量流量計是利用傳熱原理檢測流體流量的儀表，應用較多的有兩類：①利用流動流體傳遞熱量改變測量管壁溫度分布的熱傳導效應分布式流量計；②利用熱消散（冷卻）效應的熱式流量計。

    上述兩類方法一般都是對流體進行加熱，但在液體情況下，對流體加熱時，會產生下列問題：①在微小流量范圍內，液體受熱容易氣化，產生氣泡；②受熱時，液體中的氣體逸散形成氣泡，使測量引入噪聲或使靈敏度變化；③不宜用于乙醇等低沸點液體^[2]_。

    解決的途徑之一是降低加熱溫度，使之比液體溫度只高幾度，但這又容易受外界溫度影響，使測量的靈敏度發生變化。而采用與加熱相對的方法，對液體進行冷卻，同樣是利用傳熱原理，卻可以克服加熱液體所產生的問題，其工作原理如圖3所示。

    流量傳感器由測量毛細管、半導體制冷片和A，B，C處的三個溫度傳感器組成。制冷片緊貼測量管，以便帶走測量管和管內液體的熱量，使其溫度降低。沒有液體流動時B處和C處溫度相等，即為制冷片冷端溫度T_c；液體流動時，管道和制冷片之間發生熱交換，測量管B處溫度上升。測得A處和B處的溫度差便可以求得質量流量。

    冷卻流體單位時間需要的能量Q和流體溫度下降的度數ΔT之間有如下關系：

    式中：k———系數；C_p———液體的定壓比熱容，kJ/（kg·℃）；d———管道直徑，m；u———流體的平均流速，m/s；ρ———流體的密度，kg/m³。

    其中即為流體的質量流量。

    當達到熱平衡時，有Q=Q_c。由式（2）可知，當Q恒定時，液體的質量流量和液體溫度下降的幅度之間有一一對應的關系，只要測出A、B兩點的溫差ΔT，即可知道被測液體的質量流量。

    4 流量計的信號采集和處理系統

    4.1 溫度信號檢測

    流量傳感器中A、B、C三點的溫度檢測采用了美國模擬器件公司生產的AD590，其輸出電流與溫度成線性關系，為1μA/K。它以熱力學溫標零點作為零輸出點，在0℃時的輸出電流為273.2μA。由于它是一種電流型的溫度傳感器，在一定溫度下，相當于一個恒流源。

    圖4（a）是利用兩個AD590測量A、B兩點溫度差的電路。設A處和B處AD590的溫度分別為t₁（℃）和t₂（℃），在反饋電阻R3為100kΩ的情況下，輸出電壓V_o為（t₁-t₂）100mV。圖中電位器R2用于調零，電位器R3用于調整運放的增益，改變R3的值，即可改變V_o。

    圖4（b）是用來檢測C點溫度的電路。設C處AD590的溫度為t₃（℃），當電阻R1和電位器R2的電阻之和為100kΩ時，輸出電壓V_o為（273.2+t₃）100mV。改變（R1+R2）值可以改變V_o的大小。

    4.2 信號處理系統

    流量計的控制器部分采用CYGNAL公司的混合信號系統級單片機C8051F015，它具有與8051指令集完全兼容的CIP-51微控制器內核。

    4.2.1 A/D轉換

    C8051F015在一個芯片內集成了一個單片機數據采集和處理系統所需要的模擬和數字外設。它有1個片內10位分辨率的逐次逼近型A/D轉換模塊，各點溫度檢測的輸出值V_o經電壓放大后直接送至該模塊輸入口。片內還有1個2。4V的電壓基準，也可通過VERF引腳使用外部基準。本設計直接采用片內電壓基準。

    A/D轉換可有4種啟動方式：軟件命令、定時器2溢出、定時器3溢出及外部信號輸入。我們在定時器3的溢出中斷服務程序中周期性地通過軟件命令啟動A/D轉換，進行電壓信號的采樣。使用軟件命令而不直接利用定時器3是為了切換系統時鐘，在4.2.3節中會提到。

    4.2.2 電源管理

    C8051處理器有兩種電源管理方式：閑置方式和停機方式。在閑置方式下，CPU和FLASH存儲器停止工作，所有外設都處于工作方式。在有中斷被使能的中斷產生或發生系統復位時，CPU退出閑置方式；停機方式用于停止CPU和振蕩器，這將使所有數字外設都停止工作，只有內部或外部復位可以使處理器退出停機方式^[2]_。

    在等待定時器3溢出中斷的空閑時間，將CPU置于閑置方式，等待定時器3溢出后啟動一次A/D轉換，一旦轉換過程結束，ADC轉換結束中斷再次將CPU從閑置狀態喚醒，開始處理采樣值。在樣本處理過程結束后，CPU又重新置于閑置方式以節省功耗，同時等待下一次中斷。

    4.2.3 系統時鐘

    C8051F015的系統時鐘可以來自內部振蕩器或外部時鐘源，外部源可以是CMOS時鐘、RC電路、電容或晶體振蕩器。ADC采樣和數據處理需要間歇的高速度和高精度，在其它時間可允許低速度和低精度。利用外部振蕩器和RC電路的組合，外部RC振蕩器用于產生低頻時鐘源，而晶體用于A/D轉換和數據處理的高頻率操作，圖5顯示了兩者的配置。由于功耗與系統時鐘頻率成正比，因此這樣處理系統頻率可以有效地降低功耗。程序流程簡圖如圖6所示。

    5 結束語

    制冷型熱式液體質量流量計不對液體加熱，不會產生氣泡，可廣泛用于不同液體流量的測量，特別適用于沸點比較低的液體。由于其結構特點，熱式流量計克服了差壓式、電磁式等流量計不能測量微小流量的缺點。而且壓力損失小，對管道分布不敏感，通常也沒有上下游直管道長度要求。

    參考文獻：

    [1]張國剛。微型制冷器[M]。北京：國防工業出版社，1984。

    [2]李剛，林凌。與8051兼容的高性能、高速單片機———C8051Fxxx[M]。北京：北京航空航天大學出版社，2002。