摘 要:本文介绍了一种基于热线热膜技术的风速测试仪。系统以单片机P89C51 为核心,以薄膜铂电阻温度传感器Pt100 作为测量器件采集数据,ADC0809 接收数据并进行模数转换,单片机处理数据,4 位LED 数码管显示测量风速值。文中对系统的软、硬件设计作了详细的介绍。通过利用此系统测量实际风速,测量下限低,成本低,显示分辨率达到0.1m/s,具有很高可靠性。
1 引言
随着国内外企业生产技术的进步,产品质量控制的需要以及人们对环境要求的提高,对生产现场的风速控制及对产品进行风洞试验的应用越来越多,这就给风速测量提出了更高要求。本文设计了一种基于热线热膜技术的风速测试仪。热线是直径很细的铂丝,热线的几何尺寸小, 响应频率高, 适用于动态测量。热线探头还有一种热膜形式,即用铂制成的金属薄膜。薄膜铂电阻温度传感器具有阻值大、灵敏度高、响应快、精度高和稳定性好等优点,适于风速测量[1]。
2 热线式风速测试仪的基本原理
热线式传感器的工作原理是利用通电的热线探头在流场中会产生热量损失来进行测量的。热线式传感器是建立在热平衡原理基础上的。根据热平衡原理,热线中的热产生应该等于热耗散即在热线没有热传导的情况下, 加热电流在热线中产生的热量应该等于流体所带走的热量[ 2 ]。在热线电阻不变的情况下, 流体的速度只是电流或电压和热线温度的函数,见式(1)、式(2)[3]。
由此可看出,只要固定 I 或 U 和 Tw 这 2 个参数中的任何一个,都可以获得流速W 与另一个参数的单值函数关系。本热线式温度传感器采用的就是恒流法[3]。本测试仪采用了易于购买的通用型薄膜铂电阻Pt100 作为快速响应温度传感器。
铂电阻的阻值与温度的关系见式(3)[3]。
3 风速测试仪的硬件电路
本热膜式风速测试仪电路主要由信号采集、信号放大、A/D 转换、单片机控制、数码管显示、电源电路几部分组成。其工作原理框图见图1。两个薄膜铂电阻接入电桥,一个作为参比桥臂,另一个作为测量桥臂。当风从测量薄膜铂电阻吹过时, 铂电阻温度降低, 电桥失去平衡, 输出一个不平衡的信号, 风速信号转变为电信号,电桥测量电路则将薄膜铂电阻的电阻变化量转换为电桥的不平衡输出, 送入仪表放大器两输入端, 不平衡电压经过放大、滤波,以0~5V 标准电压信号输出。输出信号经A/D 转换进入单片机进行数据处理,处理后数据送至LED 数码管显示测量风速值。
3.1 信号采集电路
信号采集电路由恒流源和惠斯通电桥构成。电路原理图见图2。恒流源由三端可调集成稳压器LM317与电阻 R1、R2构成,恒流输出值为
3.2 信号放大电路
本系统采用了三运放搭建的仪表放大器对电桥输出信号进行放大。电路原理图见图 3 。要求 R7= R8,R9=R10,R11=R12,而且要求严格匹配,三组电阻中任何两个不匹配都会导致共模抑制比(CMRR)的下降。除此之外,影响共模抑制比的因素还有 A1、A2、A3三个运算放大器的匹配精度,三个运放应选取同一生产批次、性能接近的同型号产品,以保证三个运放本身的共模抑制比(CMMR)、开环增益等指标一致[4]。
在电路搭建过程中选择电阻时,用安捷仑 34401A型 61/2数字万用表测量了多个电阻,从中取出三组阻值最接近的电阻搭配, 如表 1 所示。
由此可见提高电阻的匹配精度对于提高仪表用放大器的共模抑制比是极其重要的。
3.3 信号转换电路
本系统由单片机 P 8 9 C 5 1 控制完成。主要读取ADC0809 转换结果并对其数据进行处理。仪表用放大器输出的0~5V电压信号送至ADC0809进行模/数转换,转换后的数字信号由D 0~D7送入单片机的P0口进行数据处理,处理后数据由串口送出[5]。
3.4 数码管显示电路
本系统采用了静态显示方式[ 6 ], 利用移位寄存器74LS164 扩展32 根出口线,由于74LS164没有并行输出端,在串行输入过程中,其输出端的状态会不断变化,故在74LS164 与输出装置之间还要加上缓冲级,以便串行输入过程结束后再输出。输出装置为4 位共阳极七段数码管。由于74LS164 在低电平输出时,允许通过的电流可达 8mA,故不需再加驱动电路。
本系统在数码管与 5V 电源之间串上 3 个降压限流二极管1N4001,省去了限流电阻,从而满足了实际需要,简化了硬件电路。
4 风速测试仪的软件实现
由于移位寄存器 74LS164 仅有串入并出作用没有译码功能, 因此在编写显示驱动程序之前, 首先需要计算列写出与系统电路对应的 L E D 段选码, 然后由P89C51 的P3.0口送入74LS164的串行输入端,再并行输出到LED 的段选端。程序流程图见图 4。
5 整机标定
在风速测试仪使用之前,先要调节R3对系统进行调零。调零应在没有空气流动的情况下进行,在实际标定过程中,将 RPT1放在遮风罩中进行了调零.调零之后,将 RPT1的遮风罩去掉,测试仪的显示值在0~0.1m/s 范围内浮动,说明实验室内存在微弱的空气流动。当进行风速测试后,零点能回复到0~0.1m/s 范围内, 说明测试仪有抑制零漂的效果。
本实验采用型号为EF59FC-QDF-2B热球式电风速计对测试用的风速进行标定比对。这种热球式电风速计是一种能测低风速的仪器,其标定范围为0.5~10m/s[7]。
通过电风扇产生风速, 调节无极变速电风扇档位,分别记录薄膜铂电阻风速测试仪和热球式风速计对应电风扇不同档位所测量的风速值, 并计算测量误差, 如表 2 所示。
由表 2 可见,热球式电风速仪所测风速值与基于薄膜铂电阻风速测试仪所测值基本相符合,误差小于 2%,实现了风速的测量和校正。
6 结束语
本文介绍的风速测试仪,是在热线热膜技术的基础上研制的,采用薄膜铂电阻温度传感器 Pt100 作为测量器件, 利用单片机控制整机电路, 风速测量显示分辨率为0.1m/s。系统采用了热线式恒流工作方式测量,测量下限低, 在小风速范围内具有较高的灵敏度。
参考文献:
[1] 李庆,马大为,乐贵高.脉冲热线风速仪的研制[J].气动实验与测量控制,2005,10(4):62-67.
[2] 沈永滨,李庆军,修爱军.恒温热线式气体流量传感器的研制[J].哈尔滨理工大学学报,2007,5(4):98-104.
[3] 侯和南.薄膜铂电阻传感器——一种质优价廉的测温元件[J].仪表技术与传感器,2009,(4):48-65.
[4] 孔有林.继承运算放大器及应用(修订本)[M].北京:人民邮电出版社,2006:351-352.
[5] ADC0808/ADC0809 8-Bit μP Compatible A/DConverters with 8-Channel Multiplexer[EB/EL].[2007-05-12]http://www、21icsearch、com/searchpdf/download、asp?id=120999
[6] 潘新民,王燕芳.微型计算机控制技术[M].北京:电子工业出版社,2005:86-89.
[7] H.A.PANOFSKY.Determination of stress from windand temperature measurements[J].Quarterly Journal of theRoyal Meteorological Society.2007,1(89):85-94.
作者简介:张贺(1984-),男,硕士研究生在读,研究方向:传感器和分析检测仪器。
