热阻式流速仪的设计

　　0　引　言

　　在水工、河工模型试验中,经常要对水流的速度进行测试。现在大部分用的是旋桨式测速仪。而旋桨式流速仪存在着响应速度慢、线性度差、测量范围小,而且,容易破坏水流现场等缺点。针对这种情况,本文作者研制了热阻式流速仪,其测量范围达到2m /s,响应时间≤30 s,误差≤±5%。

　　此仪器采用热平衡原理来设计,传感器采用热电阻。通过不同阶段使用不同的控制方法,提高了它的线性度和灵敏度。在测得时均流速的同时,对现场环境的影响很小。

　　1　流速仪的组成与原理

　　1.1　工作原理

　　热式流速仪是以热平衡原理为基础,在流场中,由电流加热的敏感元件产生的热量应等于热耗散。发热敏感元件的热量取决于焦耳定律,而流体流动所带走的热量取决于热耗散定律。由于水体流速的改变,将从发热敏感元件上带走不同的热量,破坏了热平衡,使发热敏感元件的温度将发生改变,并引起电阻值的改变。通过检测发热敏感元件的电阻值,可以得到发热敏感元件的表面温度。同时,监测水体的温度就可以得到一个温度差,这个差值随着流速的变化而变化,从而能够得出与流速有关的电信号。若以热式流速仪电桥输出的电压E为电信号,以V为流速,则E与V之间的关系可用著名的King公式[1]表示：

　　式中　I为发热敏感元件的电流,mA;R为发热敏感元件的工作电阻,Ω; tW为发热敏感元件的表面温度,℃; tC为流体的温度,℃;A,B,n为仪器常数,通过试验来确定。

　　1.2　流速仪的组成

　　流速仪由单片机作为控制器,发热铂电阻的发热电流由单片机控制12位D /A的输出,由D /A的输出的电压来控制可控恒流源电路来得到。然后,再由A/D转换器来采集其电压值,送给单片机。测量环境温度的铂电阻通过很小的恒定电流,它不会改变环境温度,而是其温度随着环境温度的变化而变化。并通过A/D把环境的温度值送给单片机。其组成框图如图1所示。

　　通过键盘来设置系统的参数值,并通过液晶显示器来显示水流的速度和温度。经过串口可以和上位机通信,以便更好地分析所得的数据。恒流和恒温方式的切换是由程序自动切换的。并且,程序有自动的保护功能,即传感器的温度不能过高,以免损坏。例如:当传感器从水中提起来,它的温度会很快的自动降下来。

　　测量环境温度的传感器只通过很小的电流,以保证它能随时跟踪水体的温度,而不会改变流体温度。这里,恒定提供0. 25mA的电流。当温度不同时,铂电阻的阻值会发生改变,从而引起其电压值的改变。测量环境温度的铂电阻信号经过Π滤波电路,把信号提取出来,通过稳零斩波放大器ICL7650把信号放大到一定的范围。通过A/D送到单片机进行处理。而发热元件的铂电阻电流是通过一个可控恒流源,由D /A转换器来控制可控的恒流源电路,使传感器可以工作在恒流方式下和恒温方式下。