组合铂膜探头线性风速仪的研究

　　目前在使用的风速仪按工作原理的不同, 基本上可分为机械式、动压式、超声式和热式这样几种。机械式以风杯式和风轮式为主, 由于转轮是可动元件, 机械摩擦、泥沙灰尘堆积等因素使仪器的可靠性不高, 误差较大; 动压式以毕托管为主, 在测量微小的风速时, 误差也较大[ 1, 2] ; 超声波风速仪的价格比较昂贵。

　　热式风速仪的传感器是基于热传递原理制成的, 主要包括热线式和热膜式。热式风速仪以其灵敏度高、压损低、测量范围大、无可动部件以及可用于极低气体流速检测和控制等特点已在气体检测领域得到广泛应用 [ 3~ 7] 。但热线风速仪的价格昂贵,且在测量中由于需要使用一根通电加热的金属细丝( 称热线, 一般都是直径为3~ 5um 的铂丝) 置于气流中, 所以对使用环境要求很高, 容易损坏且价格昂贵[ 8 ] 。热膜式风速仪是在热线风速仪的基础上发展而来的, 它克服了热线探头容易损坏的缺点并得到了广泛的应用。

　　组合铂膜探头是由热线传感器发展而来的一种热膜式传感器, 它一般是在微小的陶瓷基片上集成两个铂膜电阻并引出导线, 分别作为加热和补偿使用[ 9 ] 。使得它具有热线式传感器的测量优势, 且结构较坚固, 确保了测量结果的准确性和长期使用的稳定性。

　　但是采用组合铂膜探头设计出的传感器其特性曲线与其他热式传感器一样, 具有明显的非线性, 由于传感器的非线性会直接影响检测系统的精度, 给系统分析带来很多不便。本文将针对这一问题, 采用线性化处理算法, 设计一种实用的热式线性风速仪, 且输出信号可以根据实际需要在标准的0~ 10V电压和4~ 20mA 电流间自由转换, 提供较大范围的电源供电方式, 以求满足一般的工业环境的需要。

　　1 组合铂膜探头检测原理及特性曲线

　　1. 1 风速检测原理

　　图1 所示为组合铂膜探头的风速仪原理图, 图中的电阻RC 和R H 分别为组合铂膜探头中起补偿和加热作用的电阻, 称之为补偿电阻和加热电阻, 两个电阻与精密电阻R1 和R 2 组成典型的惠斯通测量电桥, 接上反馈电路后就构成了组合铂膜探头的基本测量电路[ 5] 。

　　在测量时, 将探头固定在一个检测杆上, 检测杆前端制作成一个可使气流顺利通过的测风口, 口内固定组合铂膜探头, 探头表面与气流方向平行。工作时, 加热电阻RH 被加热到高于环境温度100 ℃ 左右, 此时电桥平衡。当有气体流动时, 流动的气体会带走加热电阻RH 的热量, 使得RH 的温度下降, 阻值上升, 流经RH 的电流I H 减小, 电桥失衡; 当升高IH 的值后才能使电桥重新达到平衡。依据这一特性, 将图1 中A 点处的电压作为信号电压, 经基准比较、差动放大、滤波等处理后就可以得到组合铂膜探头的特性曲线。