CN105158503B - 热线式风速传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种新型热线式风速传感器，属于传感器技术领域，主要特点是在陶瓷管内贯穿两根相间的金属电阻丝，各根金属电阻丝连接各自的直流加热电源，各根金属电阻丝的测温点上分别焊接微细热电偶，两个热电偶反相串联组成温差热电偶，两热电偶的温差信号放大电路接自身的直流电源、且热端共地，前测温点距进风口的距离与后测温点距出风口的距离相等，本发明直接用热电偶测量金属电阻丝温度，具有响应速度快，测量精度高的特点，实测的响应速度比现有技术快0.1秒以上，测量精度由0.5%提高到0.25%，金属电阻丝可以与热电偶热端良好接触，而陶瓷与热电偶热端不能良好接触传热，金属电阻丝直径越细，热电偶丝直径越细，两者直接焊接成的热节点体积越小，响应速度越快。
Description
技术领域
本发明涉及一种风速传感器，尤其涉及一种热线式风速传感器，采用热线温差法测量风速，而不是根据进出口压力等进行测量，属于传感器技术领域。
背景技术
风速传感器种类繁多，最常见的风速传感器是根据传统的风扇原理制作的，由叶片、转轴、轴承、转速测量电路组成的产品，原理直观，结构简单，但是零点误差大，响应速度慢。
此外还有根据进出口压差反映风速的，通过测量压力差反映风速。也有用聚风口驱动电容可动极板，根据电容值变化反映风速的。这两种风速仪都存在量程下限较高的问题，对最低风速有一定要求。
目前比较准确且量程较大的是热线式风速传感器，用一根通过电流自身加热的细金属丝测量风速，热线风速仪有两种工作模式：
1. 恒流式，亦称定电流法，即加热金属丝的电流保持不变，气体带走一部分热量后金属丝的温度就降低，流速愈大温度降低得就愈多；温度变化时，热线电阻改变，两端电压变化，因而测得金属丝的温度则可得知流速的大小。
2. 恒温式，亦称定电阻法（即定温度法），改变加热的电流使气体带走的热量得以补充，而使金属丝的温度保持不变（也就是金属丝的电阻值不变）如保持150℃，这时流速愈大则所需加热的电流也愈大，根据所需施加的电流反映风速。热线式风速仪反应速度快，但是受到环境温度影响较大，需要设计复杂的补偿电路。
市场上还有一种热式气体流量计，可用来测量气体流量或风速，这就是所谓的气体质量流量计，其工作原理是，在一根细的陶瓷管上面绕两根完全相同的电阻丝，加热条件完全相同，细陶瓷管内部流过与总气流流量成一定比例关系的气流，典型值为总流量的1/200。当管子里面流过的气流流量为零时，陶瓷管两端温度分布关于中点完全对称，关于中点对称的两个测温点t1 和 t2温差基本为零。
但是当有气流流过管路时，进风口热量被吹向出风口，温度分布不再对称，由于加热电流是恒定不变的，气流风速越大，前段温度越低，高温区向后移动。因此通过测量这两个固定点的温差t2-t1，就能够测出风速或流量。
发明内容
本发明的目的是提供一种热线式风速传感器，解决现有热线式风速仪、热式气体流量计存在的相关不足，通过本发明实现响应速度快，测量精度高。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的，一种热线式风速传感器，包括陶瓷管，其特征是，在陶瓷管内贯穿两根相间的金属电阻丝，各根金属电阻丝连接各自的直流加热电源，各根金属电阻丝的测温点上分别焊接微细热电偶，两个热电偶反相串联组成温差热电偶，两热电偶的温差信号放大电路接自身的直流电源、且热端共地，前测温点距进风口的距离与后测温点距出风口的距离相等。
所述两根相间的金属电阻丝交叉设置，其两端分别固定在陶瓷管管口。
所述金属电阻丝采用直径0.05-0.1mm 的镍镉电阻丝。
所述金属电阻丝上测温点距相应口15-20mm。
所述陶瓷管直径为20-30mm，陶瓷管长度为80-120mm。
所述陶瓷管的两端口呈喇叭形导流口。
本发明与目前国内外市场上流行的热式流量测量仪相比，直接用热电偶测量金属电阻丝温度，具有响应速度快，测量精度高的特点，本发明实测的响应速度比现有技术快0.1 秒以上，测量精度由0.5% 提高到0.25%，因为现有技术测量的是细陶瓷管温度，本发明直接测量金属电阻丝温度，反应速度快，金属电阻丝可以与热电偶热端良好接触，而陶瓷与热电偶热端不能良好接触传热。金属电阻丝直径越细，热电偶丝直径越细，两者直接焊接成的热节点体积越小，响应速度越快。
附图说明
图1 为本发明结构示意图；大陶瓷管中气流速度横向分布与管内元件安装位置；
图2 为本发明中风速越大，温度分布越不对称，温差越大的示意图；
图3 为本发明在风速为零时，电阻丝周围空气的横向自然对流示意图；
图4 为本发明在风速为零时，电阻丝周围空气的纵向自然对流示意图；
图5 为本发明中两根电阻丝结构示意图；
图中，1 陶瓷管，2 电阻丝，3 电阻丝，4 直流电源，5 直流电源，6 热电偶，7 热电偶，8 放大电路，9 直流电源，10 进风口，11 出风口。
具体实施方式
结合附图和实施例进一步说明本发明，如图1、5 所示，本发明在陶瓷管1 内贯穿两根相间的金属电阻丝2、3，各根金属电阻丝2、3 连接各自的直流电源4、5，各根金属电阻丝2、3 的测温点上分别接触热电偶6、7，两热电偶6、7 的信号放大电路8 接自身的直流电源9、且热端共地，前测温点距进风口10 的距离测温点与后测温点距出风口11 的距离相等。
本发明部分借鉴了现有热式气体流量计和热线式风速仪原理，但又与现有技术不同，本发明采用的陶瓷管1 内直径达到26mm，比市场上流行的热式传感器中的细陶瓷管直径大了5 倍多，因此能够感受的风速量程下限更低。并且在两端的进风口10、出风口11 设置了喇叭形导流口，如图1、5 所示，便于引导气流进入管内或排出管外，减少管口垂直切断引起的气流扰动，保证管内气流在低速时为平稳的层流流动，高速时虽然是湍流状态，但是风速沿半径分布平滑。采用两根金属电阻丝2、3 分别用2 个独立直流加热电源5、6 加热，金属电阻丝2、3 为直径0.1mm 的镍镉电阻丝，采用两个独立直流加热电源5、6，以减少交流干扰。直接测量两根无公共点的电阻丝上，两个点之间的温差t2-t1，这两个点分别位于距离进、出风口15mm 的地方，陶瓷管中点对称。只要保证温差热电偶两个热端共地，就能使两根金属电阻丝2、3 在这两个测温点强制等电位。因此用来对金属电阻丝2、3 进行加热的直流电压对温差热电势没有影响，这就实现了用直接接触的热电偶6、7 对两根带电的金属电阻丝2、3 进行直接的温差测量，这样一来就需要3 个独立电源，即两根金属电阻丝分别用两个直流电源加热，对温差热电势进行信号放大需要另一个直流电源。
大陶瓷管1 内流过的风速越大，温度沿着管子长度方向的分布越不对称，温差t2-t1越大，3 种风速下的温度分布曲线如附图2 所示（图中V1 ﹤ V2 ﹤ V3），可见加热功率恒定情况下，风速越低，总体温度水平越高，曲线关于陶瓷管中点越对称。图3 为本发明在风速为零时，电阻丝周围空气的横向自然对流示意图；图4 为本发明在风速为零时，电阻丝周围空气的纵向自然对流示意图。
本发明中，放大电路和直流电源均可采用现有成熟电路。
Claims (5)
1.一种热线式风速传感器，包括陶瓷管，其特征是，在陶瓷管内贯穿两根相间的金属电阻丝，各根金属电阻丝连接各自的直流加热电源，各根金属电阻丝的测温点上分别焊接微细热电偶，两热电偶反相串联组成温差热电偶，两热电偶的温差信号放大电路接自身的直流电源、且热端共地，前测温点距进风口的距离与后测温点距出风口的距离相等；所述金属电阻丝采用直径0.05-0.1mm 的镍镉电阻丝；两根相间的金属电阻丝两端分别固定在陶瓷管管口。
2.根据权利要求1 所述的热线式风速传感器，其特征是，所述两根相间的金属电阻丝交叉设置。
3.根据权利要求1 或2 所述的热线式风速传感器，其特征是，所述金属电阻丝上测温点距相应口15-20mm。
4.根据权利要求1 所述的热线式风速传感器，其特征是，所述陶瓷管直径为20-30mm，陶瓷管长度为80-120mm。
5.根据权利要求1所述的热线式风速传感器，其特征是，所述陶瓷管的两端口呈喇叭形导流口。
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