低流速热阻式流速仪

　　1　引言

　　目前,河工模型试验中的流速测量多采用旋浆式流速仪,但由于其旋浆启动流速较大,响应速度慢,且体积大,会对流体的流场产生干扰。特别是针对低流速测量,其灵敏度较差,精度低,非线性严重。研制的热阻式流速仪弥补了旋浆式流速仪在低流速测量时的不足,测点小,对流场影响小,具有很好的实用价值。

　　2　基本原理

　　热阻式流速仪以热平衡原理为基础,将测量流体流速的热电阻置入恒定流速的流场中,并通过一定电流,经过一段时间热电阻和流体介质之间的热交换达到平衡状态,即热电阻上的温度保持稳定。若流场的流速改变,经过一段时间后热电阻重新达到平衡,平衡时的温度也将发生改变。平衡时的流速与温度之间的关系可由克英公式得到:

　　式中:I为测量电阻上的加热电流;R为达到热平衡时测量电阻的电阻值;T_^W为达到热平衡时测量电阻的表面温度;T_^C为流体的温度;A,B,n为仪器常数,通过试验来确定,且在一定流速范围内n是恒定的。

　　在0~600℃,热电阻上的阻值与温度的关系为

　　式中: R^₀为热电阻在0℃时的电阻值; a=R^₀×3·908 3×10^-1℃^-1;b=R^₀×(-5·775×10^-7)℃^-2。

　　考虑到测量时温度变化最大只能在0~100℃,而这时二次项的影响可以忽略,因此,热电阻的阻值与其温度可以看成是线性关系。由式(1)和式(2)就可以得到流速与热电阻阻值之间的关系。

　　3　系统组成及硬件设计

　　热阻式流速仪的系统框图如图1所示。信号的测量分为两路,一路为测环境温度热电阻,由D/A转换器提供很小的偏置电流,基本不会因为所加电流而发热,使得所测的温度即为环境温度。可通过电路将温度转化为电信号,并对此信号进行调理,滤除外界的干扰。另一路为加热电阻,由电压控制的恒流源驱动,被加上较大的加热电流,由此也可得到测流速电阻上反映温度的另一路信号。将得到的两路信号接到放大器的正负端进行差动放大,然后用A/D转换器将放大后的模拟信号转换为数字信号送入单片机。

　　经过相应的运算得到对应的流速,送液晶显示器显示。键盘被用来设置系统的参数和运算时的常数,并能对整个测量过程进行控制单片机选用AT89C52,放大器选用ICL7650,A/D转换器采用MAX1247,D/A转换器选用TLV5618。由于测量时信号频率相对较低,A/D转换器和D/A转换器采用串行接口,可节省单片机I/O口资源。A/D转换器的参考电压是2·5 V,由此可以推算出A/D转换器的最小分辨电压约为0·6 mV.