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1、引言 引言在環(huán)保氣象、家用電器、工業(yè)設(shè)備、衛(wèi)生保健等諸多領(lǐng)域,空氣流速都是一項(xiàng)重要的檢測(cè)參數(shù),特別是在當(dāng)今社會(huì),各種風(fēng)扇、空調(diào)等家用電器大量進(jìn)入家庭、辦公室和公共場(chǎng)所?;谝陨显?,本文設(shè)計(jì)了一種測(cè)量風(fēng)速的風(fēng)速測(cè)量電路,它具有成本低、使用方便、測(cè)量精度較高等特點(diǎn),并且能夠與單片機(jī)等其他集成芯片配合使用而成為其他系統(tǒng)的應(yīng)用電路。1 數(shù)學(xué)模型的建立 數(shù)學(xué)模型的建立1.1 Pt 100 的溫度特性鉑熱電阻是國(guó)際公認(rèn)的成熟產(chǎn)品,它因性能穩(wěn)定、抗
2、震性好、精度高而被廣泛使用。下面是 Pt l00 電阻隨溫度變化的關(guān)系:當(dāng)溫度在-200℃< t <0℃時(shí):(1) ;當(dāng)溫度在 0℃< t <650℃時(shí):(2)式中 Rt 為溫度在 t℃時(shí)鉑熱電阻的電阻值;R0 為 0℃時(shí)鉑熱電阻的電阻值;A=3.968×10-3;B=-5.847×10-7;C=-4.22×10-12。在 0~100℃范圍內(nèi),B 值作用不明顯,Rt 與 R0 近似成
3、線性關(guān)系,即 Rt=R0×(1+At)。1.2 Pt 100 的熱平衡方程當(dāng)一個(gè)被加熱的物體置于流體中,該物體的熱量損失主要是熱輻射和熱對(duì)流。在溫度較低,輻射散熱可以忽略不計(jì)的情況下,物體的熱量傳遞主要是熱對(duì)流。當(dāng)流體的速度增加時(shí),物體的熱量損失亦增加。如果以電的方式給鉑熱電阻加熱,那么鉑熱電阻將達(dá)到一個(gè)由流體流速所確定的平衡溫度。由上述得出下面結(jié)論:當(dāng)熱阻溫度和環(huán)境溫度一定時(shí),電流和風(fēng)速的 1/4 次方成正比。2 電路工作原
4、理 電路工作原理如圖所示電路,兩條支路 a 和 b 兩端電壓相等,根據(jù)熱功率公式可知,其產(chǎn)熱效率約為支路 a 的 1/10。因此,在考慮由于熱功時(shí)可以忽略電流對(duì) b 支路的影響。風(fēng)速為 0m/s 時(shí),設(shè)計(jì) R2 和 Ptl000 阻值之比小于 R1 和(Pt l00+R3)之比,放大器輸出低電平,晶體管基極電位降低,晶體管 Ql 集電極電流增大,由于兩個(gè)半橋的分流比約為10:1,由并聯(lián)電路分流原理知 Ptl00 電流增大,使得鉑熱電阻阻
5、值增加,c 點(diǎn)電壓降低,最終反饋電路調(diào)解使 c 點(diǎn)電位和 d 點(diǎn)接近,達(dá)到平衡狀態(tài),并以 c 點(diǎn)電壓作為表征風(fēng)速的輸出值。當(dāng)風(fēng)速增大時(shí),對(duì)流散熱增加,Ptl00 溫度降低,其阻值減小,使得 c 點(diǎn)電壓高于 d 點(diǎn)電壓,放大器輸出電壓降低,導(dǎo)致晶體管 Q1 基極電流增加,集電極電流升高使得Ptl00 阻值增加,最終達(dá)到一新的穩(wěn)定平衡點(diǎn)。由上述分析可知,風(fēng)速增大,受控電流增大,端子 c 輸出電壓增大。由于采用了差動(dòng)式測(cè)量,且兩個(gè)測(cè)量半橋配置
6、的傳感元件同為鉑電阻,氣體溫度對(duì)電路測(cè)量值的影響可以忽略不計(jì),在不附加其他溫度補(bǔ)償電路的情況下,可以在較寬的溫度范圍下使用,適合于大多數(shù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量環(huán)境。3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及誤差分析 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及誤差分析為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的風(fēng)速測(cè)量傳感器,搭建了簡(jiǎn)易的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)由EE66-VB5 風(fēng)速計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速計(jì)量單元,對(duì)所設(shè)計(jì)的傳感器和測(cè)量電路獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。風(fēng)速計(jì) EE66-VB5 是一種高精度的風(fēng)速測(cè)量傳感器,測(cè)量范圍:0~2m/s,
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