便攜式高精度熱式風速儀的設計

范慧琳，唐德紅

(湖北工業(yè)大學工業(yè)設計學院，湖北武漢 430070)

0 引言

風速測量在科學研究和工業(yè)生產(chǎn)中都有著廣泛的應用，尤其是在航空航天、風力發(fā)電以及氣象監(jiān)測等領域[1]。目前，常用的風速測量儀器主要有：超聲波風速儀、激光流速計以及熱式風速儀等。超聲波風速儀是利用超聲波在順風和逆風中傳播的時間來測量風速的，但超聲波的傳播速度與環(huán)境溫度有關，因此需要進行高精度的溫度補償。激光流速計提取的信號是離散的多普勒信號，難以對其進行精確的頻譜分析，且價格昂貴、體積大[2]。為了解決這些問題，系統(tǒng)設計了一種便攜式高精度熱式風速儀，其采用恒壓控制方式，利用熱平衡原理，即實現(xiàn)熱式風速儀和流體之間的動態(tài)熱平衡，以此原理來檢測當前流體的流速。實際測試結(jié)果表明，本文設計的熱式風速儀具有動態(tài)響應頻率高、能耐受高溫環(huán)境等優(yōu)點，還可以同時測量流體的速度和流體的溫度[3]。

1 熱式風速儀檢測原理

熱式風速儀的測量原理：將含熱線電阻的探頭放置在待測流體中，當流體流動時，由于熱交換原理，其會帶走探頭上的熱量，探頭溫度的變化會引起熱線電阻阻值的變化，從而檢測電路輸出電信也會隨之變化，通過檢測電信號的變化量來計算得到流場的流速[4-5]。熱式風速儀有3種工作模式，本系統(tǒng)選用的是恒壓控制模式，即保持加熱電壓恒定，通過測量加熱電流和流場流速的關系來計算得到流速。恒壓式熱式風速儀控制電路原理圖如圖1所示。

圖1 恒壓控制原理圖

其中電阻R1、RF、R2均為已知阻值的精密電阻，Rw為熱線傳感器，Rw置于流場中。當流場速度發(fā)生變化時，其會帶走Rw上的溫度，從而引起Rw阻值的變化，又因為系統(tǒng)采用的是恒壓控制方式，因此熱線傳感器Rw上的電位Ew保持不變，所以通過熱線傳感器Rw的電流將會發(fā)生變化，進而導致輸出電壓Vs改變，系統(tǒng)就是通過測量輸出端電壓Vs的變化量來計算得到流場的流速。

由于熱線傳感器向周圍環(huán)境傳遞熱量的速率和流場中流體流動的速率存在差異，即當流體流動時，熱線傳感器輸出的電壓存在一定的滯后性，且控制電路的頻帶無法滿足脈動流場的測量需要。因此，在傳統(tǒng)恒壓控制電路的基礎上加入時間常數(shù)原位測量和T型橋補償電路，以提高系統(tǒng)的動態(tài)響應性能。改進后的恒壓控制電路如圖2所示。

圖2 改進后恒壓控制原理圖

2 系統(tǒng)設計

系統(tǒng)的硬件設計包括恒壓控制電路設計和數(shù)據(jù)信號采集電路設計兩部分[6]。其中恒壓控制電路主要是對熱線傳感器進行恒壓控制以及提高動態(tài)響應性能；數(shù)據(jù)采集電路主要是用于采集控制電路輸出的信號，用此信號進行數(shù)據(jù)分析處理，進而計算得到流場中流體的流速。

2.1 恒壓控制電路的設計

恒壓控制電路采用OPA627精密運算放大器[7]，其具有低噪聲、低失調(diào)電壓等特點。硬件電路圖如圖3所示，VoutA為給定的輸入電壓，J1為熱線傳感器，J2為時間常數(shù)原位的測量輸入信號，S1、S2、S3為開關。

2.2 時間常數(shù)原位測量電路

當進行時間常數(shù)原位測量時，將開關S1閉合，J2連接單片機的PWM波輸出信號，此時PWM波輸出的方波信號與OPA627構成加法器[8]。此時將恒壓控制電路輸出的電壓V0送入時間常數(shù)原位調(diào)理電路中，如圖4所示。

圖4中，U1、U2為電壓跟隨器，引入的目的是將恒壓控制電路和原位測量電路隔離開，防止兩者之間發(fā)生干擾。利用同相放大器U3放大熱線傳感器的加熱電壓，最終在U4端輸出電壓Vsin，以此來消除熱線傳感器輸出電壓的滯后性。

2.3 T型橋補償電路

時間常數(shù)原位測量電路補償了熱線傳感器輸出電壓的滯后性，而T型橋補償電路則可以補償恒壓控制電路的帶寬，提高整個系統(tǒng)的動態(tài)響應性能。在圖3恒壓控制電路圖中，電阻R29、R30以及電容C24、C25構成了T型橋補償電路，其中開關S2、S3用于調(diào)節(jié)補償電路中電容的值。

2.4 恒壓控制電路電壓采集電路

為了實現(xiàn)對恒壓控制電路輸出信號的隔離采樣，系統(tǒng)選用LM324芯片，其具有較高的輸入阻抗[9]。因此恒壓控制電路輸出的電壓信號高達10 V，而單片機STM32F103的A/D轉(zhuǎn)換器能承受的電壓最高不超過3.3 V，因此需要對恒壓控制電路輸出的電壓信號進行分壓采樣，將輸出電壓信號降低為原來的1/3。恒壓控制電路輸出電壓采集電路圖如圖5所示。

其中電阻R41、R44為分壓電阻，連接在電壓輸入端，目的是將輸入電壓降為原來的1/3，然后在送入LM324。電阻R46、R48同樣為分壓電阻，目的是調(diào)節(jié)LM324的輸出電壓，使得輸出電壓在A/D轉(zhuǎn)換器的量程范圍內(nèi)，便于STM32F103的A/D轉(zhuǎn)換器進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。此電路利用四路運算放大器LM324實現(xiàn)了4路電壓跟隨器的功能，實現(xiàn)了對恒壓控制電路輸出電壓的隔離采樣。

2.5 流體溫度采集電路

系統(tǒng)的一個優(yōu)勢是可以實時采集流場中流體的溫度，系統(tǒng)選用鉑電阻以及放大器AD8233組成溫度檢測電路來測量流體的溫度。其中鉑電阻Pt100采用三線制接法[10]，目的是減小接線電阻對檢測結(jié)果的影響。AD8223只需要外接一個電阻就可以實現(xiàn)對增益大小的控制，當流體溫度變化時，Pt100的電阻值也會隨之變化，從而引起儀用放大器AD8223輸出電壓的變化。通過調(diào)節(jié)增益電阻R46，使得系統(tǒng)測溫范圍在-20～200 ℃之間，硬件電路如圖6所示。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件采用C語言編寫，利用Keil uVision5嵌入式軟件進行程序開發(fā)。主要設計了風速儀增益控制程序、風速信號采集程序、A/D轉(zhuǎn)換程序、定時器中斷程序以及串口通信程序等。系統(tǒng)上電后首先執(zhí)行初始化操作，對各個傳感器進行復位，然后開始采集數(shù)據(jù)，待數(shù)據(jù)采集完成之后，送入STM32F103的A/D轉(zhuǎn)換器進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，在STM32F103的內(nèi)部對數(shù)據(jù)進行分析處理，最終實時風速、溫度等數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機。系統(tǒng)軟件流程圖如圖7所示。

4 實驗數(shù)據(jù)分析處理

為了驗證研制的便攜式熱式風速儀的可靠性級穩(wěn)定性，需要對系統(tǒng)進行實驗。首先按照要求搭建用于測試的氣路系統(tǒng)，利用鼓風機產(chǎn)生穩(wěn)定持續(xù)的流場，利用標準風速流量計檢測鼓風機產(chǎn)生流場的流速，將標準流量計測量的風速與系統(tǒng)測量得到的流速進行對比。按照要求搭建如下實驗平臺，示意圖如圖8所示，該氣路系統(tǒng)能夠保證輸出的流速在100 m/s，且能維持5 min。系統(tǒng)通過在氣路的輸出口添加不同類型的噴嘴，分別用于產(chǎn)生0～50 m/s和50～200 m/s流速的氣體。

利用鼓風機將空氣壓縮到儲氣罐中，然后打開三通閥門，將儲氣罐中的氣體通過管道釋放出去，通過控制閥門的開度來控制流場的流速，利用標準流量計實時測量流場的流速，同時將系統(tǒng)測得的值與標準流量計測得的值進行對比，驗證系統(tǒng)的精度以及穩(wěn)定性。在同一加熱電壓下，改變閥門開度以及噴嘴類型，測得3組數(shù)據(jù)；再改變加熱電壓，改變閥門開度以及噴嘴類型，測得3組數(shù)據(jù)，如此循環(huán)4次，測試數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1測試數(shù)據(jù)可知，在0～200 m/s的流場流速范圍內(nèi)，在同一加熱電壓下測量，通過改變噴嘴類型和閥門開度，調(diào)節(jié)流場的流速，測得3組數(shù)據(jù)，可知測得的誤差小于5%；改變加熱電壓，再重復上述操作，再測得3組數(shù)據(jù)，系統(tǒng)測量的誤差仍小于5%。由上述數(shù)據(jù)可知，在低流速時系統(tǒng)的測量誤差較大，當流體流速增加時，系統(tǒng)測量的誤差也隨之下降。由測試數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性以及準確性，達到設計預期。

5 結(jié)束語

系統(tǒng)設計了一種便攜式高精度熱式風速儀，采用恒壓控制模式，將時間常數(shù)原位測量電路和T型橋補償電路應用到熱式風速儀的恒壓控制電路中，提高了系統(tǒng)的動態(tài)響應。系統(tǒng)可同時測量流場中流體的流速、流體溫度等參數(shù)，一方面可以將測量得到的參數(shù)在5.5″的LCD液晶屏上實時顯示，另一方面也可以通過預留的RS232接口將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機中。系統(tǒng)的另一個優(yōu)勢就是具有便攜式優(yōu)點，其采用鋰離子電池供電。實際測試結(jié)果表明，系統(tǒng)具有較高的靈敏度以及較寬的測量范圍，可用于0～200 m/s內(nèi)流場的流速測量，且測量誤差小于5%。