CN105302187A - 恒温式热线风速仪惠斯通电桥匹配电阻温度稳定控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种恒温式热线风速仪惠斯通电桥匹配电阻的温度稳定控制系统，包括恒温岛和恒温岛控制器，其中恒温岛上布置惠斯通电桥的三个匹配电阻，恒温岛由散热装置、半导体制冷片、冷却平台自下而上叠成，工作时，随着风速的增大，风速仪的放大器控制的惠斯通桥路电流会随着增大，导致三个匹配电阻的发热量增加，三个匹配电阻的温度升高，恒温岛控制器采取PWM调制方式控制制冷片的工作电流，控制制冷片的制冷量，通过冷却平台和散热系统将三个匹配电阻散发的热量带走，维持三个匹配电阻的温度不变。优点：克服了风速仪的过热比设定值偏离，测量结果不准确的问题，避免了热线温度过高而烧断的问题，提高了工作可靠性，降低了维护成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种恒温式热线风速仪惠斯通电桥匹配电阻的温度稳定控制系统，属于测试与控制领域。
背景技术
恒温式热线风速仪被广泛用于流体的速度测量，它是利用流体与热线之间的热交换以及控制电路对热线的加热达到一个热平衡状态，以维持热线达到一个恒定的温度，进而由热线工作电流大小间接感知被测流体速度。在恒温式热线风速仪的控制电路中，将热线电阻与另外3个固定阻值的匹配电阻构成惠斯通电桥，由包括热线冷态电阻在内的4个电阻共同决定了热线电阻工作时的过热比，该过热比对应热线的工作温度。恒温式热线风速仪的过热比是在仪器标定时确定的，实际用于测量工作时应保持恒定。理想的惠斯通电桥的匹配电阻的阻值应该是恒定的，但是在热线工作期间，惠斯通桥路上的工作电流会随着风速的增加而增大，必然导致匹配电阻的工作电流增大，于是匹配电阻发热，发热后匹配电阻的阻值也增加，从而导致过热比偏离标定时的数值，这将会严重影响测量精度和测量结果的可信度，甚至会导致热线温度过高而烧毁，因此有必要对匹配电阻的温度进行控制。
从目前国际主流恒温式热线风速仪厂家Dantec或TSI的产品来看，匹配电阻的温度控制方法一般是采用散热片或风冷的方式被动实现的，这样只能抑制匹配电阻温度增大的幅度，而不能维持其温度恒定，于是当匹配电阻温度改变时，必然导致过热比的偏离，从而影响测量精度。以工作电流为200mA为例，一个30欧姆绕线式匹配电阻将产生1.2W的发热功率，如果匹配电阻在常温下的功率耗散能力为0.5W，剩余发热功率将产生热量的聚集而导致电阻温度升高，几分钟时间之内温度可超出环境温度60度以上，以300PPM的温度系数计算，其阻值偏差达到0.54欧姆，对应的过热比误差将偏大1.8%，这一方面导致测量结果的误差，另一方面因过热比偏大，导致热线工作温度升高，进而可能导致热线烧断故障。因此对恒温式热线风速仪惠斯通电桥匹配电阻进行主动温度稳定控制是非常必要的。
发明内容
本发明公开了一种针对恒温式热线风速仪（CTA）惠斯通电桥匹配电阻的温度稳定控制系统及控制方法，目的是维持匹配电阻的阻值不变，从而使风速仪的过热比系数恒定，获得稳定的风速测量值。
本发明的技术解决方案是：恒温式热线风速仪惠斯通电桥匹配电阻的温度稳定控制系统，其结构包括恒温岛和恒温岛控制器，其中恒温岛上布置惠斯通电桥的A、B、C三个匹配电阻（9、10、11），恒温岛（8）是由散热装置（3）、半导体制冷片（2）、冷却平台（1）自下而上叠成，工作时，随着风速的增大，风速仪的放大器（14）控制的惠斯通桥路电流会随着增大，导致A、B、C三个匹配电阻（9、10、11）的发热量增加，A、B、C三个匹配电阻（9、10、11）的温度升高，恒温岛控制器（4）采取PWM调制方式控制制冷片（2）的工作电流，控制制冷片（2）的制冷量，通过冷却平台（1）和散热系统（3）将A、B、C三个匹配电阻（9、10、11）散发的热量带走，从而维持A、B、C三个匹配电阻（9、10、11）的温度不变。
本发明具有的明显优势是：通过对恒温式热线风速仪惠斯通桥路匹配电阻的温度稳定控制，从根本上克服了因风速仪惠斯通桥路工作电流改变引起匹配电阻温度改变，进而导致匹配电阻的阻值改变，最终导致风速仪的过热比设定值偏离，测量结果不准确的问题。同时由于匹配电阻的温度得到控制，过热比不会偏离设定值，从而避免了因过热比偏大时风速仪放大器控制桥路电流过大会导致热线温度过高而烧断的问题，从而极大地提高了风速仪的工作可靠性，降低了维护成本。
附图说明
图1是匹配电阻的温度稳定控制系统结构示意图；
图2是恒温式热线风速仪惠斯通电桥中匹配电阻的示意图；
图3是建立匹配电阻温度模型的试验系统示意图。
具体实施方式
如附图所示，恒温式热线风速仪惠斯通电桥匹配电阻的温度稳定控制系统，其结构包括恒温岛和恒温岛控制器，其中恒温岛上布置惠斯通电桥的A、B、C三个匹配电阻（9、10、11），恒温岛（8）是由散热装置（3）、半导体制冷片（2）、冷却平台（1）自下而上叠成。工作时，随着风速的增大，风速仪的放大器（14）控制的惠斯通桥路电流会随着增大，导致A、B、C三个匹配电阻（9、10、11）的发热量增加，A、B、C三个匹配电阻（9、10、11）的温度升高。恒温岛控制器（4）是一种嵌入式的片上系统处理器，比如采用ARM芯片，它具有模拟量信号采集接口和PWM控制接口。恒温岛控制器（4）采取PWM调制方式控制制冷片（2）的工作电流，控制制冷片（2）的制冷量，通过冷却平台（1）和散热系统（3）将A、B、C三个匹配电阻（9、10、11）散发的热量带走，从而维持A、B、C三个匹配电阻（9、10、11）的温度不变。
所述的惠斯通电桥的A、B、C三个匹配电阻（9、10、11）均采用铝壳封装，用导热胶（5）将电阻铝壳与恒温岛（8）的冷却平台（1）贴合安装，减小A、B、C三个匹配电阻（9、10、11）与冷却平台（1）之间的传导热阻，使A、B、C三个匹配电阻（9、10、11）与冷却平台（1）的温度接近。
所述的冷却平台（1）上贴装一只温度传感器（6）以感受冷却平台（1）的温度，并在A、B、C三个匹配电阻（9、10、11）铝壳的外侧5~10mm处布置一只环境温度传感器（7），由恒温岛控制器（1）测量两个（？）温度并根据预先获得的匹配电阻温度模型换算得到A、B、C三个匹配电阻（9、10、11）的当前温度，作为恒温岛（8）温度闭环反馈控制的依据，从而提高A、B、C三个匹配电阻（9、10、11）的温度控制精度。
所述的匹配电阻温度模型，即将恒温岛（8）置于温度环境试验箱（15）内，温度环境试验箱（15）模拟匹配电阻工作时的环境温度，在不同环境温度下，由恒温岛控制器（4）控制冷却平台（1）的温度，通过外部的高精度电阻测量仪器（16）测量其中的一个如B匹配电阻（10）的阻值，根据B匹配电阻（10）的电阻温度系数可以换算得到B匹配电阻（10）的当前温度。换算方法是用当前温度下的阻值与参考温度下的阻值之差除以该电阻的温度系数，得到当前温度相对于参考温度的增加值，于是得到当前温度值等于参考温度加上温度增加值。在不同的环境温度和不同的冷却平台温度下测量匹配电阻的阻值，建立一系列的由环境试验箱（15）温度、冷却平台（1）温度共同确定的B匹配电阻（10）温度的关系表格，该关系表格即为匹配电阻温度模型。
所述的恒温岛控制器（4）采用前馈加PID的复合控制方案，即一方面通过前馈控制量克服温度控制系统的非线性特性并提高温度调节速度，该非线性特性是通过开环试验获得的一个控制量与实际温度的对应关系，另一方面利用PID闭环反馈调节，克服温度控制回路中的各种干扰，保证温度控制精度。
如图2所示，恒温式热线风速仪惠斯通电桥中匹配电阻在实际工作时，随着风速的增大，风速仪的放大器（14）控制的惠斯通桥路电流会随着增大，导致A、B、C三个匹配电阻（9、10、11）的发热量增加，A、B、C三个匹配电阻（9、10、11）的温度升高，恒温岛控制器（4）控制制冷片（2）的制冷量，将A、B、C三个匹配电阻（9、10、11）散发的热量带走，从而维持A、B、C三个匹配电阻（9、10、11）的温度不变。
如图3所示，匹配电阻温度模型是通过在温度环境试验箱内的试验获得的，具体方法是，将恒温岛（8）置于温度环境试验箱（15）内，由恒温岛控制器（4）通过冷却平台温度传感器（6）测量冷却平台（1）的温度，通过环境温度传感器（7）测量环境箱内的温度，通过外部的高精度电阻测量仪器（16）测量其中的一个匹配电阻的阻值，比如测量B匹配电阻（10）的阻值，根据B匹配电阻（10）的电阻温度系数可以换算得到B匹配电阻（10）的温度，恒温岛控制器（4）对冷却平台（1）的温度进行独立控制，温度环境试验箱（15）由其控制器独立控制。通过上述测量和控制，可以建立一个由环境试验箱温度、冷却平台温度共同确定的匹配电阻温度的关系表格，该关系表格即为匹配电阻温度模型。
考虑到匹配电阻的期望温度一般取恒温式热线风速仪标定时的环境温度，实际工作时冷却平台的温度总是比环境温度低，可以取5~10点的环境温度，在每个环境温度下取5~10点的冷却平台温度。在实际应用时，根据当前的环境温度和冷却平台温度以及前述的温度关系表格，利用二维线性插值的方法可获得当前匹配电阻的温度。
Claims (5)
1.恒温式热线风速仪惠斯通电桥匹配电阻的温度稳定控制系统，其特征是
包括恒温岛和恒温岛控制器，其中恒温岛上布置惠斯通电桥的A、B、C三个匹配电阻（9、10、11），恒温岛（8）是由散热装置（3）、半导体制冷片（2）、冷却平台（1）自下而上叠成，工作时，随着风速的增大，风速仪的放大器（14）控制的惠斯通桥路电流会随着增大，导致A、B、C三个匹配电阻（9、10、11）的发热量增加，A、B、C三个匹配电阻（9、10、11）的温度升高，恒温岛控制器（4）采取PWM调制方式控制制冷片（2）的工作电流，控制制冷片（2）的制冷量，通过冷却平台（1）和散热系统（3）将A、B、C三个匹配电阻（9、10、11）散发的热量带走，从而维持A、B、C三个匹配电阻（9、10、11）的温度不变。
2.根据权利要求1所述的恒温式热线风速仪惠斯通电桥匹配电阻的温度稳定控制系统，其特征是所述的惠斯通电桥的A、B、C三个匹配电阻（9、10、11）均采用铝壳封装，用导热胶（5）将电阻铝壳与恒温岛（8）的冷却平台（1）贴合安装，减小A、B、C三个匹配电阻（9、10、11）与冷却平台（1）之间的传导热阻，使A、B、C三个匹配电阻（9、10、11）与冷却平台（1）的温度接近。
3.根据权利要求1所述的恒温式热线风速仪惠斯通电桥匹配电阻的温度稳定控制系统，其特征是所述的冷却平台（1）上贴装一只温度传感器（6）以感受冷却平台（1）的温度，并在A、B、C三个匹配电阻（9、10、11）铝壳的外侧5~10mm处布置一只环境温度传感器（7），由恒温岛控制器（1）采集冷却平台温度和环境温度并根据预先获得的匹配电阻温度模型换算得到A、B、C三个匹配电阻（9、10、11）的当前温度，作为恒温岛（8）温度闭环反馈控制的依据，从而提高A、B、C三个匹配电阻（9、10、11）的温度控制精度。
4.根据权利要求3所述的恒温式热线风速仪惠斯通电桥匹配电阻的温度稳定控制系统的匹配电阻温度模型，其特征是将恒温岛（8）置于温度环境试验箱（15）内，温度环境试验箱（15）模拟匹配电阻工作时的环境温度，在不同环境温度下，由恒温岛控制器（4）控制冷却平台（1）的温度，通过外部的高精度电阻测量仪器（16）测量其中的一个如B匹配电阻（10）的阻值，根据B匹配电阻（10）的电阻温度系数可以换算得到B匹配电阻（10）的温度，在不同的环境温度和不同的冷却平台温度下测量匹配电阻的阻值，建立一系列的由环境试验箱（15）温度、冷却平台（1）温度共同确定的B匹配电阻（10）温度的关系表格，该关系表格即为匹配电阻温度模型。
5.根据权利要求1所述的恒温式热线风速仪惠斯通电桥匹配电阻的温度稳定控制系统，其特征在于：所述的恒温岛控制器（4）采用前馈加PID的复合控制方案，即一方面通过前馈控制量克服温度控制系统的非线性特性并提高温度调节速度，该非线性特性是通过开环试验获得的一个控制量与实际温度的对应关系，另一方面利用PID闭环反馈调节，克服温度控制回路中的各种干扰，保证温度控制精度。
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