CN106443057A

CN106443057A - 一种流速压感定量测量仪

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Publication number: CN106443057A
Application number: CN201610831230.1A
Authority: CN
Inventors: 王华锋; 刘晓芳
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-09-19
Filing date: 2016-09-19
Publication date: 2017-02-22

Abstract

本发明公开了一种流速压感定量测量仪。目前业界产品还无法准确、定量化地预知流速的方向及强度，为此，本发明提出了一种基于三维场的流速压感测量模型。针对三维场中运动的流体受粘性和旋的作用，该测量仪先构建了一个三维立体场中的压力模型，之后，借助于多点在圆柱形场约束空间相互作用而形成的同向区域矢量叠加实现流速的测量。该测量仪包括流速压感定量监测系统，无线传输系统，圆柱形场约束空间、电源及手持移动终端设备。针对测试环境参数的变化，电源的充放电特性，电源管理模块的精度等因素所造成的供电电压波动情况，本发明采用增加采样电阻的比例测量电路消除波动，从而提高流速矢量测量的精度。利用无线通讯技术实现在手持移动终端设备显示流速。

Description

一种流速压感定量测量仪

技术领域

本发明涉及一种基于单片机的低功耗，便携式，小型化的无线流速压感定量测量仪，可广泛地应用于气象、民航、公路、建筑、能源等行业。

背景技术

流体对我们生活的影响无处不在，而流速作为流体的一个重要参数，因此如何让流速的测量更方便成为了一个迫切的需要。目前，常见的流速测量系统有机械式、速度式、超声式、差压式等多种方式。其中机械式通过流体对转子的作用力实现流速的测量；差压式利用流体流过阻流件产生的压力差与流量之间的关系计算流速；速度式通过测量管道截面上流体的平均流速来测量流速；超声式利用流体中微粒流动的速度计算流体的流速。

综上所述，以上这些测量系统一般都体积大，精度较低，测量流速范围较小，而且需要将其传感部分装在管内，这样不便于安装维修。同时采用有线的方式进行数据的传输，导致观察人员对流速的测量受到环境的限制，尤其对有毒有腐蚀性易爆及带放射性介质流体的测量。因此需要开发一款具有低功耗，小型化，便携式等特点的无线流速压感定量测量仪。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：目前业界产品进行流速测量时还无法准确、定量化地预知流速的方向及强度和针对三维场中运动流体的粘性和旋的作用，本测量仪先构建了一个三维立体场中的压力模型，之后，借助于多点在圆柱形测量空间相互作用而形成的同向区域矢量叠加模型来实现流速的测量。避免由于电源充放电特性，测量环境的不稳定及电源管理模块的精度等因素引起的电压不稳定和流速测量精度等问题。由于采样电阻的激励电压与压阻式传感器的激励电压来源一致，采样电阻的输出电压作为模数转换模块的参考电压源，故利用增加采样电阻的比例测量电路监测串联采样电阻的激励电压和输出电压，并作为流体采样和转化的开关，实现提高流速矢量测量的精度。

本发明为解决上述技术问题，采用如下技术方案：一种流速压感定量测量仪，该测量仪包括流速压感定量监测系统，无线传输系统，圆柱形场约束空间，电源及手持移动终端设备，其中，

所述的圆柱形场约束空间由两块半圆柱形测量空间组成，圆柱形测量空间内部以东西南北方位开四个相互垂直的流体通道，以东西南北四个流体通道的内径线将圆柱形测量空间的表面虚拟分割为四个区域，每个区域以30度的间隔通小圆孔，每个方位(区域)分别利用多列小圆孔实现多点叠加测量同一区域流速；

所述的流速压感定量监测系统包括主控单元，压阻式传感器，电平转换模块，模数转换模块和通讯模块，利用压阻式传感器采集流体的压强，模数转换模块实现流体压强到电压信号的转换，主控单元完成流速的计算。通过电平转换模块实现流速压感定量测量仪与带有串口的其它终端设备通讯时电平和逻辑关系的转换，通讯模块提供与其它设备通讯的接口，实现信息的传输；

所述的无线传输系统包括无线蓝牙模块和电源管理单元，利用无线低功耗蓝牙模块实现流速压感定量测量仪与手持移动终端设备的数据通讯；

电源为该测量仪各部件提供电源，对压阻式传感器分别选用恒压源与恒流源供电对比发现采用恒压源给压阻式传感器供电时压阻式传感器的输出信号容易受测试环境温度的影响，故采用恒流源对压阻式传感器供电。

更进一步的，圆柱形场测量空间包括两个半圆柱形外壳，每个外壳具有两个流体通道，其两个半圆柱形外壳合并以后形成一个圆柱形，其内置的流体通道分别指向东西南北四个方位，以东西南北四个方位流速通道的内径线将圆柱形外壳虚拟分割为四个区域，每个区域以30度的间隔通3列小圆孔感知流体的压强，实现针对同一区域多点采集流体的压强。

更进一步的，流速压感定量监测系统内置于圆柱形场测量空间的内部，利用圆柱形场测量空间表面的多列小圆孔叠加采集同一区域不同方向的多点流体，通过东西南北四个流体通道将流体传递到压阻式传感器的感知面，模数转换模块将流体压强的模拟信号转换为数字信号，利用主控单元实现流速信号的转换和计算，电平转换模块实现与带有串口的其它终端设备通讯时电平和逻辑关系的转换，通讯模块提供与无线传输系统传输的接口。

更进一步的，无线传输系统中采用蓝牙协议为BLE 4.0的低功耗蓝牙模块搭建无线通讯平台，利用蓝牙配对手持移动终端设备实现无线通讯线路的连接，完成数据的无线传输。

更进一步的，对压阻式传感器采用恒压源供电与恒流源供电作对比，发现采用恒压源给压阻式传感器供电时压阻式传感器的输出信号受测试环境温度的影响，因此采用恒流源为压阻式传感器供电，利用增加采样电阻的比例测量电路实现减小或忽视激励电压对流速测量的影响，提高流速的测量精度，降低电源的要求，降低整个流速压感定量测量仪的成本。

本发明的原理在于：

1.流速测量模型

目前业界产品进行流速测量时还无法准确、定量化地预知流体的方向及强度，为解决这个问题，依据流体的伯努利方程原理和流体力学中流体与压力的关系，提出了一种基于三维场的流体压感测量模型。

流体力学中，流体绕圆柱的运动相当于沿着径向的方向由源点和汇点叠加形成的无限靠拢的流场。假设圆柱形的半径为R，圆柱的圆心位于XOY平面坐标系的原点，对圆柱体俯视观察，流体绕圆柱在二维场投影的流动示意图如图1所示，其中前驻点A位于x＝-R，B点位于y＝+R，C位于下游区，后驻点D位于x＝+R处。根据流体流动的对称性，位于x轴上的那条流线在到达前驻点A时出现分岔的现象，沿着圆柱形的前后两个表面继续流动到后驻点D处汇合，再沿着x轴向下方流动。

采用均流与偶流叠加表示流体绕圆柱流动形成的流场，均匀来流绕半径为R的圆柱形流动的势函数Φ和流函数Ψ分别为：

其中V_∞为流速度，(r，θ)为流体质点的极经和极角。由于势函数、流函数都满足拉普拉斯方程和圆柱的边界条件，对其进行求偏导可知与圆柱形表面垂直的径向速度V_r和与圆柱形表面平行的切向速度V_θ：

根据公式(2)可知，当r＝R时，圆柱形表面上切向速度V_θ＝-2V_∞sinθ，径向速度为0。即前驻点A(θ＝π)后驻点D(θ＝0)处切向速度V_θ＝0，圆柱形表面上只有切向速度V_θ，圆柱形表面上任意一质点的流速：

V＝V_θ＝-2V_∞sinθ (3)

依据伯努利方程可得流体绕圆柱流动时圆柱形表面上任意流体质点受到压力P为：

其中P_∞为静压，ρ为流体密度，V为流体速度，P为流体压强，由公式(4)知圆柱表面上任一点的流速可由此流体质点受到的压力求得。

由公式(3)和公式(4)知圆柱形表面上任一流体质点的压力为：

由公式(5)知圆柱表面无量纲的压力系数为：

理想的流体绕圆柱形在二维场投影的流动模型如图1(a)所示，流体质点作用于圆柱形表面的压力合力为零。由于流体的粘性，导致流体质点作用于圆柱形的表面摩擦作用不能忽略，绕圆柱流动时在圆柱表面形成边界层。流体质点在前驻点A时流速为0，压力最大，此时边界层厚度近似为0。随着流体质点绕圆柱的表面流动，流体质点的流速逐渐变大，压力逐渐减小，对应的边界层厚度逐渐加厚；流体质点由A点到B点的运动过程中，由于流体的摩擦力作用将消耗部分能量，导致流体质点的速度逐渐减小。到达B点后，边界层外边的流体质点受到的压力增加，流速不断减小，此时边界层外的流体质点已不能给边界层内的流体提供额外的能量以减缓流速的减小，此现象导致边界层内的流体需要将能量转换为压力和克服摩擦阻力。经过C点后，圆柱表面附近的流体质点出现倒流现象。C点到D点的过程中，由于流体有旋，导致在粘性作用下的流体质点在圆柱形表面的下游处发生分离并形成尾迹区，不断形成旋涡如图1(b)所示。在圆柱形表面的某些区域内，圆柱形表面的流速与压力不再满足公式(5)的关系，导致不能按照公式(5)计算得到正确的流速。

实际测量中由于三维场中运动流体受流体的粘性和旋的作用引起流体作用于圆柱形表面的压力不同，而引起流速的不同，为解决此问题，本发明借助于多点在圆柱形场测量空间相互作用而形成的同向区域矢量叠加模型来实现流速的测量。

2.供电电压的高精度实现

压阻式传感器分别选用恒压源供电与恒流源供电，发现采用恒压源给压力传感器供电时存在受测试环境温度参数的影响。

恒压源U给压阻式传感器供电时，其输出信号为：

公式(7)中V代表压阻式传感器的输出电压，U₁、U₂代表随温度变化前后传感器两端的电压，R代表电阻，△R代表受到力的作用时电阻的变化，△R_T代表由于温度的变化引起电阻的变化。公式(7)表明压阻式传感器的输出电压V与测试环境的温度有关且为非线性关系。恒流源I给压阻式传感器供电时，其输出信号为：

公式(8)中V代表压阻式传感器的输出电压，U₁、U₂代表随温度变化前后传感器两端的电压，R代表电阻，△R代表受到力的作用时电阻的变化，△R_T代表由于温度的变化引起电阻的变化。通过公式(8)表明压阻式传感器的输出电压V与测试环境的温度无关。采用恒流源给压阻式传感器供电可消除测试环境的温度对传感器输出信号的影响，减小对电源性能的要求。

考虑到测试环境的变化、电源的充放电特性、电源管理模块稳定性的精度等因素，造成加载在压阻式传感器两端的电压会出现波动现象，造成测量的流速精度不高。由于压阻式传感器采用惠斯通电桥的原理，且其内阻一定。其激励电压V_in与输出电压V_out存在比例关系。为保证流速的测量精度，简化硬件电路的设计，采用增加采样电阻的比例测量电路实现减小或忽视激励电压对流速的影响。由于模数转换模块的参考电压源和压阻式传感器的激励电压由同一电源提供，意味着对模数转换模块转换的模拟输入和参考电压源来说，噪声的来源基本一样。通过利用采样电阻的比例测量电路，可消除激励电压对压力传感器输出信号的影响，同样简化了模数转换模块参考电压的电压源和压力传感器激励电压源的设计。

3.圆柱形场约束空间设计

圆柱形场约束空间的设计，按照发明中提出的流速测量模型，同时结合美学的眼光，秉着“简单、便携、小型化”的的原则进行设计。圆柱形场约束空间外观由两个半圆柱形场约束空间组成，内部设置东南西北四个相互垂直的流体通道，以东南西北四个流体通道的内径线将外壳虚拟分割为四个区域，每个区域以30度的间隔通小圆孔。圆柱形场约束空间的内部区域放置流速压感定量监测系统的电路板，东西南北四个相互垂直的流体通道与感知元件作用面相接触。

4.低功耗的实现

硬件上，采用分时供电，设计了“电源控制”电路；选用低功耗、小型化的元器件。软件设计时，尽可能采用间断唤醒的工作方式，实现元器件的间歇工作；使元器件处于低功耗或者关闭状态，然后通过开关信号将其唤醒进入工作状态。通过以上的方式，降低流速压感定量监测仪的功耗。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)、目前流速测量产品对流速测量时具有无法准确、定量化地预知流体的方向及强度。本发明提出基于三维场的流体压感测量模型，借助多点在圆柱形场测量空间相互作用而形成的同向区域矢量叠加以实现流速的测量。

(2)、本发明采用输入范围大的压阻式传感器多次感知同一方位不同流线上的流体，实现高精准、宽范围的流速测量。电源供电方面，通过增加采样电阻的测量电路，消除对电源的高要求，减小整个系统的成本和简化电路设计，同时提高流速的测量精度。采用恒流源供电，降低测试环境参数对电源和流速的干扰。

(3)、本发明硬件平台选择低功耗元器件，硬件电路设计采用“电源控制”电路实现间歇式供电；软件程序设计采用间断唤醒的工作方式实现外围模块的间歇工作。通过以上的方式，降低流速压感定量测量仪的功耗，实现设备的低功耗。

(4)、分析三维场的流体压感测量模型，同时结合设备的小型化和便携式的要求，设计流速压感定量测量仪的圆柱形场约束空间外壳，实现流速压感定量测量仪具有小型化、便携式、流速测量模型清晰、外壳美观的特点。

(5)、本发明的流速压感定量测量仪利用蓝牙配对手持移动终端设备，实现数据的无线传输，方便观察员及时观察，便携式携带测量仪。

(6)、本发明的流速压感定量测量仪可以应用于其它应用领域，如：军工实验，风速的测量，风能发电，天气预报，可见该系统具有非常大的潜在市场应用需求。

附图说明

图1为理想流体和实际流体绕圆柱在二维场投影的模型示意图，其中，图1(a)为理想流体绕圆柱在二维场投影模型示意图，图1(b)为实际流体绕圆柱在二维场投影模型示意图；

图2为本发明的流速压感定量测量仪原理框图，图中201为电源，202为流速压感定量监测系统，203为无线传输系统，204为移动设备，205为压阻式传感器，206为主控单元，207为模数转换模块，208为通讯模块，209为电平转换模块；

图3为本发明的部分电路框图，图中301为电源，302为电源管理芯片，303为电源管理芯片，304为主控单元，305为压阻式传感器，306为采样电阻；

图4为本发明的外壳示意图，其中，图4(a)为圆柱形场约束空间外壳示意图，图4(b)为圆柱形场约束空间外壳示意图，图4(c)为圆柱形场约束空间外壳的固定装置示意图；图中401为固定桩，402为顶部圆盘，403为螺丝，404为流速监测圆孔，405为小圆孔，406为侧面固定螺丝，407为流体通道，408为压阻式传感器，409为流速压感定量监测系统，410为圆柱形场约束空间外壳；

图5为风速感知仪与流速压感定量测量仪测量的风速比对的结果示意图，其中，图5(a)为方位为东风速感知仪与流速压感定量测量仪测量的风速对比图，图5(b)为方位为西风速感知仪与流速压感定量测量仪测量的风速对比图，图5(c)为方位为南风速感知仪与流速压感定量测量仪测量的风速对比图，图5(d)为方位为北风速感知仪与流速压感定量测量仪测量的风速对比图；

图6为风速感知仪与流速压感定量测量仪测量的风速拟合曲线示意图，其中，图6(a)为方位为东风速感知仪与流速压感定量测量仪测量的风速拟合图，图6(b)为方位为西风速感知仪与流速压感定量测量仪测量的风速拟合图，图6(c)为方位为南风速感知仪与流速压感定量测量仪测量的风速拟合图，图6(d)为方位为北风速感知仪与流速压感定量测量仪测量的风速拟合图。

具体实施方式

经过多次实验验证，结合附图对本发明采用的技术方案详细说明如下：

如图2、4所示，本发明一种流速压感定量测量仪，包括电源201，流速压感定量监测系统202，无线传输系统203，移动设备204及圆柱形场约束空间(外壳)410。流速压感定量监测系统202包括压阻式传感器205，主控单元206，模数转换模块207，电平转换模块209和通讯模块208。圆柱形场约束空间(外壳)410按照圆柱形场约束空间(外壳)410内部的四个流体通道407将其表面虚拟分割为东南西北四个互相垂直的区域，每个流体通道407对应圆柱形场约束空间表面的三列小圆孔405，同一方位不同流线上的流体通过圆柱形场约束空间(外壳)410表面的多列的圆形小圆孔405传递到对应方位的流体通道407。压阻式传感器205的作用面与四个方位的流体通道407相连接，实现对同一区域的多点叠加感知流体压强。将压阻式传感器205感知的流体压强输入模数转换模块207的模拟输入端，利用主控单元206对压强信号处理和计算，完成流速工程量的转换，实现流速测量。无线传输系统203采用蓝牙配对的方式搭建流速压感定量监测系统202与移动设备204之间的通讯桥梁，方便观察者的携带和及时查看流速的测量结果。

如图3所示，电源301通过电源管理芯片302将电压转换为主控单元304的供电电压。通过软件控制主控单元304引脚的电平实现控制电源管理元件303的使能端，实现控制电源管理元件303的间歇工作，实现压阻式传感器305的间歇供电，实现“电源控制”电路，降低流速压感定量测量仪的功耗。采样电阻306的电压经过分压作为模数转换模块的参考电压，而采样电阻306与压阻式传感器305的感知元件为同一电源供电。采集采样电阻306的激励电压和输出电压分别输入到主控单元304的模拟输入端，通过量化转化以后，将该数据作为流速采样和开始转换的标志，提高流速的测量精度。

考虑到测试环境参数的变化，电源的充放电特性，电源管理模块的精度等因素，造成加载在压阻式传感器感知元件两端的电压出现波动，流速测量的精度较低等问题。本发明采用采样电阻的比例测量电路实现减小或忽略由于电源的稳定性造成的流速测量精度问题。采样电阻的一端连接压阻式传感器的输出端，另一端经分压后连接模数转换模块的参考电压端。由于感知元件采用惠斯通电桥的原理，且内阻一定。惠斯通电桥的激励电压V_in与输出电压V_out存在比例关系V_out＝V_in×k₁，采样电阻的输出电压V₁₀与激励电压V_in存在比例关系V₁₀＝V_in×k₂，模数转换模块的参考电源V_ref来源于V₁₀的分压，V_ref＝V₁₀×k₃＝V_in×k₄。将V_OUT与V_ref两个电压进行相比：

因此，通过同时采集采样电阻的激励电压和输出电压，实现模数转换结果与激励电压与参考电压无关，而只与压阻式传感器桥臂的电阻变化量有关。利用增加采样电阻的比例测量电路的方法实现消除激励电压波动的成分，保证压阻式传感器供电电压精度，降低整个电路对电源的要求，并将其作为控制流速采样和转化的开关，提高流速测量的精度。

如图4所示，本发明提供的流速压感定量测量仪的圆柱形场约束空间示意图，其中，图4(a)为圆柱形场约束空间外壳示意图，图4(b)为圆柱形场约束空间外壳示意图，图4(c)为圆柱形场约束空间外壳的固定装置示意图；其包括一个圆柱形场约束空间(外壳)410，由两个半圆柱形外壳组成，内部以东南西北四个流体通道407的内径线将外壳虚拟分割为四个区域，每个区域以30度的间隔通小圆孔405。通过小圆孔405实现多点叠加采集，圆柱形外壳的内部区域放置流速压感定量监测系统409，南西北四个相互垂直的流体通道407与压阻式传感器408感知作用面相接触，实现流体的采样。

在相同的测试环境下，根据图5风速感知仪与流速压感定量测量仪测量的风速比对的结果示意图，其中，图5(a)为方位为东风速感知仪与流速压感定量测量仪测量的风速对比图，图5(b)为方位为西风速感知仪与流速压感定量测量仪测量的风速对比图，图5(c)为方位为南风速感知仪与流速压感定量测量仪测量的风速对比图，图5(d)为方位为北风速感知仪与流速压感定量测量仪测量的风速对比图，可知流速压感定量测量仪测试的风速可以在0-30m/s及时合理变化，同时流速压感定量测量仪可以测试更大范围的风速；风速感知仪测试的风速和流速压感定量测量仪测试的风速的变化趋势一致，测试的风速可以达到0.1m/s的分辨率。通过对测量风速和实际风速应用最小二乘法一元拟合画出拟合曲线图6，图6(a)为方位为东风速感知仪与流速压感定量测量仪测量的风速拟合图，图6(b)为方位为西风速感知仪与流速压感定量测量仪测量的风速拟合图，图6(c)为方位为南风速感知仪与流速压感定量测量仪测量的风速拟合图，图6(d)为方位为北风速感知仪与流速压感定量测量仪的测量风速拟合图。其中方位为北的拟合方程为：y＝-0.8533x-0.0734，R²＝0.9555；方位为南的拟合方程为：y＝1.118x-0.1286，R²＝0.9885；方位为东的拟合方程为：y＝0.6935x+1.0769，R²＝0.9907；方位为西的拟合方程为：y＝-0.8896x-0.2339，R²＝0.9743，其中R²为判定系数。由东西南北四个方位的拟合曲线可看出流速压感定量测量仪测量的风速与风速感知仪测量的风速线性程度非常高，斜率近似接近1，判定系数接近1，即流速压感定量测量仪测量的风速和实际风速之间线性相关程度较高，流速压感定量测量仪测量的精确性高。

Claims

1.一种流速压感定量测量仪，其特征在于：该测量仪包括流速压感定量监测系统，无线传输系统，圆柱形场约束空间，电源及手持移动终端设备，其中，

所述的流速压感定量监测系统包括主控单元，压阻式传感器，电平转换模块，模数转换模块和通讯模块，利用压阻式传感器采集流体的压力，模数转换模块实现流体压力到电压信号的转换，主控单元实现流速的计算，通过电平转换模块实现流速压感定量测量仪与带有串口的其它终端设备通讯时电平和逻辑关系的转换，通讯模块提供与其它设备通讯的接口，实现信息的传输；

所述的无线传输系统包括无线蓝牙模块和电源管理单元，利用无线蓝牙模块实现流速压感定量测量仪与手持移动终端设备的数据通讯；

电源为该测量仪各部件提供电源，分别选用恒压源与恒流源对压阻式传感器供电对比发现采用恒压源给压阻式传感器供电时压阻式传感器的输出信号容易受测试环境温度的影响，故采用恒流源作为激励电源对压阻式传感器供电。

2.根据权利要求1所述的一种流速压感定量测量仪，其特征在于：圆柱形场测量空间包括两个半圆柱形外壳，内部设置东西南北四个相互垂直的流体通道，以东西南北四个方位的流速通道的内径线虚拟将圆柱形外壳分割为四个区域，每个区域采用以30度的间隔开多列小圆孔感知流体的压强。

3.根据权利要求1所述的一种流速压感定量测量仪，其特征在于：流速压感定量监测系统置于圆柱形场测量空间的内部，其感知元件作用面与圆柱形场测量空间内部的东西南北四个相互垂直的流体通道相接触，利用圆柱形场测量空间表面的多列小圆孔采集同一方位(区域)的流体，考虑到三维场中运动流体受粘性和旋的作用，先构建了一个三维立体场中的压力模型，之后，借助圆柱形场测量空间表面的小圆孔实现同向区域矢量叠加多点测量流速。

4.根据权利要求1所述的一种流速压感定量测量仪，其特征在于：无线传输系统中采用蓝牙协议为BLE 4.0的低功耗蓝牙模块完成数据的无线通讯，利用蓝牙配对实现无线通讯线路的连接，手持移动终端设备通过蓝牙完成命令语句的发送和答复语句信息的接收。

5.根据权利要求1所述的一种流速压感定量测量仪，其特征在于：考虑到流速测试环境参数的变化、电源的充放电特性、电源管理模块的稳定性精度因素，造成加载在压阻式传感器的电压出现波动现象，流速的测量精度不高，利用增加采样电阻的比例测量电路实现减小或忽略电源对流速测量的影响，提高流速的测量精度，简化硬件电路的设计，降低整个设备的成本。