基于数字温度传感器的风速测量仪

　　0　引　言

　　随着检测技术的发展以及人们对环境要求的提高,传统的机械式风速仪已不能满足测量精度和功能的要求。研究微型化便于携带并能与计算机以及各种数字仪表配套使用的风速传感器是很必要的。采用数字温度传感器研制风速仪,省去放大电路和A/D转换器,电路结构简单、编程处理简单、体积小、重量轻、使用方便,输出电平与CMOS/TTL电路兼容,可用于远程风速检测。该数字风速仪的主要技术指标是:量程为0~26m /s,在0~10m /s范围内,准确度为±0. 5% FS;在10~26m /s范围内,准确度为±1. 5% FS;输出CMOS/TTL电平;温度范围为-25~100℃。

　　1　风速传感器的测量原理和非线性校正

　　风速传感器及测量电路框图如图1所示。电路中,A有4个接线端子, 1, 2为加热铂金丝, 2, 3, 4为温度传感器TMP04。铂金丝通入恒定的加热电流,供给TMP04一个工作环境温度。在测量风速时,风流使温度传感器的工作环境温度下降, 3端输出相应的温度信号。B用于测量空气的温度。A的温度与B的温度之差是风速的函数。因此,通过测量温差可以计算出对应的风速。

　　根据热扩散原理,加热丝被空气带走的热量与加热丝和空气的温差、空气的流速以及空气的性质有关[1],即:

　　式中　α为对流换热系数,对于一定的加热丝和流体条件,α主要取决于空气的运动速度,m /s;F为加热丝表面积,m²;Tw为加热丝温度,℃;Tf为空气温度,℃。由于采用恒流源供电,根据能量守恒定律,有关系式:

　　式中　I为加热丝电流,A;R为加热丝电阻,Ω。由此可见,只要固定I,便可以获得风速与温差的单值函数。

　　通过试验测出的风速与温差的关系曲线如图2所示,图中,风速采用了对数坐标。

　　从图2的曲线形状可以看出:风速的对数值与温差近似呈线性关系。经差商分析也是如此。因此,风速υ与温差Δt的函数表达式为:

　　式中　a, b为常数,对于曲线的不同段,a, b的值是不同的。

　　为提高测量精度,采用分段插值计算的方法[2],求取任一温差所对应的风速值,具体方法如下:

　　在曲线上,均匀地选取30个采样点,将曲线分成29段,精确测出每一点的(Δti,vi)值,利用相邻两点的坐标值可以求出该段曲线对应的ai, bi值。计算出的ai, bi值作为常数存放在ROM中,供计算风速时使用。第i段曲线计算风速的插值公式为:

　　实际工作中,根据所测的温差值判断它属于曲线的那一段,然后,用该段的插值公式计算出对应的风速值。

　　2　测量电路设计

　　2.1　恒流源设计

　　恒流源电路如图3所示,输出电流为:

　　式中　β1和β2为2个三极管的电流放大倍数。LM336的基准电压为2. 5V,选取不同的R值,即可得到不同的恒定电流I。本设计中,选取R=33Ω,可得输出电流I=75mA,实际工作中,R为30Ω的固定电阻器和一个10Ω微调电阻器串联,微调电阻器用于输出调零。在静止空气中,风速测量仪的输出应显示零,如果不为零,则可调节R使输出为零。运算放大选用了高输入阻抗运算放大器CA3140[3],三极管的电流放大倍数β越大,温漂系数越小,恒流值越稳定,本设计选用了9015,其β约为150。