CN109959801A - 用于风速检测的ntc检测电路和风速测量传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于风速检测的NTC检测电路和风速测量传感器，所述NTC检测电路包括：桥电路，包括并联的第一桥臂和第二桥臂；其中，第一桥臂串联有NTC电阻；放大反馈电路，第一输入端和第二输入端分别与桥电路的所述第一桥臂和第二桥臂相连，用于对第一桥臂和所述第二桥臂的电压进行比较和放大；调节电路，分别与桥电路和放大反馈电路相连，用于在第一桥臂和第二桥臂的电压不相等时，向第一桥臂加压使得NTC电阻的阻值不断变化直至第一桥臂和第二桥臂的电压相等形成恒温电路，以供控制元件通过采集第一桥臂和第二桥臂的电压相等时桥电路的输出电压获取对应的风速。本发明探头的温度基本恒定，有效应用NTC电阻测量风速。

Description

用于风速检测的NTC检测电路和风速测量传感器

技术领域

本发明涉及测量技术领域，特别是涉及风速测量技术领域，具体为一种用于风速检测的NTC检测电路和一种风速测量传感器。

背景技术

实验室通风是实验室设计中不可缺少的一个组成部分。为了使实验室工作人员不吸入或咽入一些有毒的、可致病的或毒性不明的化学物质和有机体、实验室中应有良好的通风。为阻止一些蒸气、气体和微粒(烟雾、煤烟、灰尘和气悬体)的吸收，污染物质须用通风柜、通风罩或局部通风的方法除去。通风柜是实验室中最常用的一种局部排风设备，种类繁多，由于其结构不同，使用的条件不同，其排风效果也不相同。

实验室通风柜主要作用是抑制柜内产生的危害性化学气体防止其泄露，并尽快将其排除实验室，保证实验室员工的安全。进入通风柜以及通风柜内的气体不应出现紊流；通风柜的进口风速应保持在一个合适的范围(通常0.3-0.5m/s)。工业通风—美国政府工业卫生专家协会(ACGIH)—P.10—40。

面风速的安装方式为在通风柜的侧面打开一个孔，再用管道拉到通风柜的侧壁上，面风速的风速比窗下风速要小，一般来说都是为线性，此关系由各个通风柜样式、开孔大小、管道共同决定。所以作为热敏式的风速检测方式非常适用于此微风速的检测。

NTC(Negative Temperature Coefficient)，中文为“负温度系数热敏电阻”。自1960年研制出NTC热敏电阻器后，NTC得到迅猛发展。一般市面专门上用于检测风速的NTC探头都是做的比较轻薄，与空气接触面积大，热交换速度快，所以对于风速的响应很快，可以做到毫秒级别，但是在面风速的使用上，不需要那么高的响应速度。并且这种专用的探头也很难做好一致性，并不能批量化的复制，还是需要人为的标定，且成本较高，在还没成熟的中国实验室市场很难推进。

另一方面市面上常见的NTC都为二极管式的玻璃管封装，且都具有较高的阻值精度，较大的工作温度范围，且耐腐蚀耐老化。缺点是常用的NTC耗散系数偏大，导致并不能对风速做到毫秒级别的响应，但是成本较低，利于推广。环境温度会对热式风速仪造成影响，一般来说都是采用的是硬件补偿办法，优点是一旦确定下来，处理简单，缺点是太依赖硬件。

现有技术中一种恒温式风速计的设计方式，来自《便携式热敏电阻恒温风速计》陈克明著，该设计方式中采用的原理图如图1所示，根据该电路原理图：

式中Rt：当温度为t时热敏电阻的阻值；t、t1：分别为探头工作温度和气流温度；i＝R2/R3＝Rt/R4f(v)＝A+Bvⁿ；Rt//Ra＝Rt*Ra/(Rt+Ra)；在他的论文中，最后取了硬件补偿，即找到Rt满足：

上述技术方案的优点是这种补偿方法的精度仅由探头的工作温度、风温变化范围以及补偿元器件的温度特性决定，和探头的温度特性无关。所以对于不同特性的探头都可以采用这种方法。采用这种方法具有通用性和灵活性，便于实验探头的互换。缺点是此补偿NTC Rt的温度特性不满足一般性，需要定制化制作，成本高，难实现。

但是在上述技术方案虽然U与T并不是一种线性的关系，但是在实验室的环境中温度一般都不会超过10-30℃这个范围。由理论计算上通过改变这个i值，就可以找出在所需要的风速以及温度范围内，U与T成接近线性的关系。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于风速检测的NTC检测电路和一种风速测量传感器，用于解决现有技术中无法有效应用NTC电阻测量风速的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种用于风速检测的NTC检测电路，所述用于风速检测的NTC检测电路包括：桥电路，包括并联的第一桥臂和第二桥臂；其中，所述第一桥臂串联有NTC电阻；放大反馈电路，第一输入端和第二输入端分别与所述桥电路的所述第一桥臂和所述第二桥臂相连，用于对所述第一桥臂和所述第二桥臂的电压进行比较和放大；调节电路，分别与所述桥电路和所述放大反馈电路相连，用于在所述第一桥臂和所述第二桥臂的电压不相等时，向所述第一桥臂加压使得所述NTC电阻的阻值不断变化直至所述第一桥臂和所述第二桥臂的电压相等形成恒温电路，以供控制元件通过采集所述第一桥臂和所述第二桥臂的电压相等时所述桥电路的输出电压获取对应的风速。

于本发明的一实施例中，所述第一桥臂和所述第二桥臂的一端形成有电压采集端，用于与所述控制元件相连。

于本发明的一实施例中，所述第一桥臂包括串联的第一电阻和所述NTC电阻；所述第二桥臂包括串联的第二电阻和第三电阻。

于本发明的一实施例中，所述第一桥臂和所述第二桥臂分别连接有滤波电容。

于本发明的一实施例中，所述放大反馈电路包括一比较放大器。

于本发明的一实施例中，所述调节电路包括：开关电路，一端与所述第一桥臂相连，另一端与所述比较放大器的输出引脚相连，在所述比较放大器的输出引脚有压差时打开，无压差时关闭；外接电源，与所述开关电路相连，用于在所述开关电路打开时，向所述第一桥臂加压。

于本发明的一实施例中，所述开关电路包括一晶体管。

于本发明的一实施例中，所述调节电路还包括连接于所述外接电源和所述第一桥臂之间的偏置电阻。

于本发明的一实施例中，所述用于风速检测的NTC检测电路还包括：与所述外接电源相连，用于检测环境温度的环境温度检测电路。

本发明还提供一种风速测量传感器，所述风速测量传感器包括如上所述的用于风速检测的NTC检测电路。

如上所述，本发明的一种用于风速检测的NTC检测电路和一种风速测量传感器，具有以下有益效果：

1、本发明与同热式传感器相比，对风速有较好的频率响应，因为在恒温电路中，探头的温度基本恒定，而不是出于变温状态，而且恒温式不会由于冷热交替造成的探头损坏，有效应用NTC电阻测量风速。

2、本发明与专业的探头相比，专业的探头极薄容易损坏，安装难度大，涂层太薄也容易腐蚀，本发明安装方便可靠且成本低，易批量化。

3、本发明与硬件补偿相比，更容易实现，比较灵活，成本低，无需任何定制化器件，且能有效的降低由于硬件的一致性造成的温度漂移情况。

附图说明

图1显示为现有技术中的一种用于风速检测的NTC检测电路的原理示意图。

图2显示为本发明的一种用于风速检测的NTC检测电路的原理示意图。

图3显示为本发明的一种用于风速检测的NTC检测电路的电路示意图。

图4显示为本发明的一种用于风速检测的NTC检测电路中0风速下检测电压与温度之间的关系图。

元件标号说明

100 用于风速检测的NTC检测电路

110 桥电路

120 放大反馈电路

130 调节电路

140 环境温度检测电路

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，如图1至图4所示，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本实施例的目的在于提供一种风速检测电路和一种风速测量传感器，用于解决现有技术中无法有效应用NTC电阻测量风速的问题。以下将详细描述本实施例的一种风速检测电路和一种风速测量传感器的原理和实施方式，使本领域技术人员不需要创造性劳动即可理解本实施例的一种风速检测电路和一种风速测量传感器。

背景技术的技术方案中，U与T并不是一种线性的关系，但是在实验室的环境中温度一般都不会超过10-30℃这个范围。由理论计算上通过改变这个i值，就可以找出在所需要的风速以及温度范围内，U与T成接近线性的关系，具体电路原理如图2所示。桥电路保持不变，利用NTC Rt1与固定阻值的R5串联在恒压电路中测量环境的温度，由mcu计算实时温度，以软件的方式来补偿温度造成的影响。

具体地，如图1所示，本实施例提供一种用于风速检测的NTC检测电路100，所述用于风速检测的NTC检测电路100包括：桥电路110，放大反馈电路120和调节电路130。

于本实施例中，所述桥电路110包括并联的第一桥臂和第二桥臂；其中，所述第一桥臂串联有NTC电阻R11。其中，NTC电阻R11通过放大反馈电路120和调节电路130自加热，用于风速的检测。

具体地，于本实施例中，所述第一桥臂包括串联的第一电阻R7和所述NTC电阻R11；所述第二桥臂包括串联的第二电阻R8和第三电阻R19。第一电阻R7、NTC电阻R11、第二电阻R8和第三电阻R19组成一个桥电路110，其中间的电压通过放大反馈电路120进行比较和开环放大。

其中，于本实施例中，所述第一桥臂和所述第二桥臂分别连接有滤波电容：所述第一桥臂连接有第一滤波电容C8，所述第二桥臂连接有第二滤波电容C7。由于NTC电阻R11材质的原因，NTC电阻R11发热会不均匀，所以当阻值变化时，电压采集端VAV的电压会有震荡，所以第一滤波电容C8和第二滤波电容C7的作用就是改善输出的平滑性。

于本实施例中，所述第一桥臂和所述第二桥臂的一端形成有电压采集端(图3中所示的VAV)，可简单分压后直接与所述控制元件(例如单片机)相连。

于本实施例中，所述放大反馈电路120的第一输入端和第二输入端分别与所述桥电路110的所述第一桥臂和所述第二桥臂相连，用于对所述第一桥臂和所述第二桥臂的电压进行比较和放大。

具体地，于本实施例中，所述放大反馈电路120包括一比较放大器U1。

如图3所示，所述比较放大器U1的同相输入端(图3中所示的引脚3即1-IN+)与所述第一桥臂相连，反相输入端(图3中所示的引脚2即1-IN-)与所述第二桥臂相连，理想运算放大器认为开环放大倍数很高，近似认为为无穷大，所以一旦比较放大器U1的同相输入端(图3中所示的引脚3即1-IN+)和反向输入端(图3中所示的引脚2即1-IN-)电压有压差即2脚和3脚上有电压差，则输出端(图3中所示的引脚1即1-OUT)上会有电压，将该电压反馈至所述调节电路130。

于本实施例中，所述调节电路130分别与所述桥电路110和所述放大反馈电路120相连，用于在所述第一桥臂和所述第二桥臂的电压不相等时，向所述第一桥臂加压使得所述NTC电阻R11的阻值不断变化直至所述第一桥臂和所述第二桥臂的电压相等形成恒温电路，以供控制元件通过采集所述第一桥臂和所述第二桥臂的电压相等时所述桥电路110的输出电压获取对应的风速。

具体地，于本实施例中，所述调节电路130包括：开关电路，外接电源和偏置电阻。

所述开关电路一端与所述第一桥臂相连，另一端与所述比较放大器U1的输出引脚(图3中所示的引脚1即1-OUT)相连，在所述比较放大器U1的输出引脚有压差时打开，无压差时关闭。

具体地，于本实施例中，所述开关电路包括一晶体管Q1。

其中，于本实施例中，所述晶体管Q1的基极连接所述比较放大器U1的输出引脚，所述晶体管Q1的发射级连接至电压采集端(图3中所示的VAV)导线上，集电极连接所述外接电源。所述晶体管Q1的基极与所述比较放大器U1的引脚之间的线路上可连接限流电阻R9。

即比较放大器U1的同相输入端(图3中所示的1-IN+)和反向输入端(图3中所示的引脚2即1-IN-)电压有压差即2脚和3脚上有电压差，则输出端(即图3中的引脚1)上会有电压，此时，晶体管Q1在有电压输入时基级与发射极导通，即晶体管Q1打开。

于本实施例中，所述偏置电阻R46连接于所述外接电源和所述第一桥臂之间。所述偏置电阻R46可以给所述比较放大器U1的同相输入端(图3中所示的1-IN+)(即3引脚)一个起始的偏置电压，保持一上电电路正常工作。

所述外接电源与所述开关电路、所述比较放大器U1的供电端引脚VCC相连，用于在所述开关电路打开时向所述第一桥臂加压。其中，所述外接电源例如为12V，24V等。

在晶体管Q1的基级与发射极导通时，所述外接电源电压，例如12V会减去发射极与集电极之间的压降直接加压到电压采集端(VAV处)。

VAV处电压升高时，NTC电阻R11发热加大，电阻值减小，从而降低比较放大器U1中同相输入端(图3中所示的1-IN+)(3引脚)电压。然后所述比较放大器U1继续比较同相输入端(图3中所示的1-IN+)和反向输入端之间的电压，一旦有压差，即通过晶体管Q1和外接电源向桥电路110加压，改变NTC电阻R11，比较放大器U1中同相输入端(图3中所示的1-IN+)(3引脚)电压，直至比较放大器U1的同相输入端(图3中所示的1-IN+)和反向输入端电压有压差即2脚和3脚上无电压差，最终平衡下来，形成恒温电路。

平衡状态下，必然的有NTC电阻R11与第一电阻R7与的比值等于第三电阻R19与第二电阻R8的比值，即R11/R7＝R19/R8。

于本实施例中，所述第三电阻R19与所述第二电阻R8的比值不大于五，优选为2，即例如所述第二电阻R8为7.5KΩ，所述第二电阻R8为15KΩ，所述NTC的初始阻值比所述第一电阻R7大，所述NTC电阻R11的阻值例如选为1K，所述第一电阻R7例如选为100Ω，则由于所述NTC电阻R11在调节过程中，阻值会不断减小，当所述第一电阻R7的阻值为100Ω时，所述NTC电阻R11的阻值为200欧姆时平衡。

所以在此处NTC电阻R11最终阻值为200Ω，对照阻值表温度在80℃左右，并不会超过使用范围。VAV处的电压稳定可通过简单的分压直接接到单片机的引脚上，由单片机根据输出电压获取对应的风速。

于本实施例中，所述用于风速检测的NTC检测电路100还包括：与所述外接电源相连，用于检测环境温度的环境温度检测电路140。如图3所示，所述环境温度检测电路140包括也包括一NTC电阻R26，所述NTC电阻R26可通过一分压电阻R25连接至所述外接电源(12V)，其中，所述NTC电阻R26和所述分压电阻R25之间可以连接一用于电路保护的晶闸管，所述NTC电阻R26还可以并联一保护电阻R12。

本实施例还提供一种风速测量传感器，所述风速测量传感器包括如上所述的用于风速检测的NTC检测电路100。上述已对所述用于风速检测的NTC检测电路100进行了详细说明，在此不再赘述。

由于NTC电阻R11的阻值随温度变化的特性曲线是非线性变化的，并且不同的通风柜其面风速和窗下实际风速是不一样的，需要现场调试人员进行标定。而温度引起的电压漂移由公式计算，理论上可以找到一个i值，在0-35℃以内，温度和采样点的压差变化是成比例的，经过多组的实验数据，可以获取0风速下VAV处电压在不同的温度下的曲线图。图4为0风速下，VAV电压与温度之间的关系图。同样的风速在不同的温度下，电压的增长是以一个线性的关系，也就是上图散点图的斜率K值。K由多次实验取平均值0.0749。调试人员在现场将风速和电压的关系标定好值后，通过加入K值将增加/减小后的电压值代入风速的计算中，即可得出实际的风速。

综上所述，本发明与同热式传感器相比，对风速有较好的频率响应，因为在恒温电路中，探头的温度基本恒定，而不是出于变温状态，而且恒温式不会由于冷热交替造成探头的损坏；本发明与专业的探头相比，专业的探头极薄容易损坏，安装难度大，涂层太薄也容易腐蚀，本发明安装方便可靠且成本低，易批量化；本发明与硬件补偿相比，更容易实现，比较灵活，成本低，无需任何定制化器件，且能有效的降低由于硬件的一致性造成的温度漂移情况。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种用于风速检测的NTC检测电路，其特征在于，所述用于风速检测的NTC检测电路包括：

桥电路，包括并联的第一桥臂和第二桥臂；其中，所述第一桥臂串联有NTC电阻；

放大反馈电路，第一输入端和第二输入端分别与所述桥电路的所述第一桥臂和所述第二桥臂相连，用于对所述第一桥臂和所述第二桥臂的电压进行比较和放大；

调节电路，分别与所述桥电路和所述放大反馈电路相连，用于在所述第一桥臂和所述第二桥臂的电压不相等时，向所述第一桥臂加压使得所述NTC电阻的阻值不断变化直至所述第一桥臂和所述第二桥臂的电压相等形成恒温电路，以供控制元件通过采集所述第一桥臂和所述第二桥臂的电压相等时所述桥电路的输出电压获取对应的风速。

2.根据权利要求1所述的用于风速检测的NTC检测电路，其特征在于，所述第一桥臂和所述第二桥臂的一端形成有电压采集端，用于与所述控制元件相连。

3.根据权利要求1所述的用于风速检测的NTC检测电路，其特征在于，所述第一桥臂包括串联的第一电阻和所述NTC电阻；所述第二桥臂包括串联的第二电阻和第三电阻。

4.根据权利要求1或3所述的用于风速检测的NTC检测电路，其特征在于，所述第一桥臂和所述第二桥臂分别连接有滤波电容。

5.根据权利要求1所述的用于风速检测的NTC检测电路，其特征在于，所述放大反馈电路包括一比较放大器。

6.根据权利要求5所述的用于风速检测的NTC检测电路，其特征在于，所述调节电路包括：

开关电路，一端与所述第一桥臂相连，另一端与所述比较放大器的输出引脚相连，在所述比较放大器的输出引脚有压差时打开，无压差时关闭；

外接电源，与所述开关电路相连，用于在所述开关电路打开时，向所述第一桥臂加压。

7.根据权利要求6所述的用于风速检测的NTC检测电路，其特征在于，所述开关电路包括一晶体管。

8.根据权利要求6所述的用于风速检测的NTC检测电路，其特征在于，所述调节电路还包括连接于所述外接电源和所述第一桥臂之间的偏置电阻。

9.根据权利要求6所述的用于风速检测的NTC检测电路，其特征在于，所述用于风速检测的NTC检测电路还包括：

与所述外接电源相连，用于检测环境温度的环境温度检测电路。

10.一种风速测量传感器，其特征在于，所述风速测量传感器包括如权利要求1至权利要求9任一权利要求所述的用于风速检测的NTC检测电路。