CN203745483U - 一种实验室气流系统变风量通风柜面风速传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种实验室气流系统变风量通风柜面风速传感器，包括：在不同的PN结温度下输出不同正向电压的检测二极管探头；与检测二极管探头相连，用于给所述检测二极管探头加热以使所述检测二极管探头处于不同的PN结温度的加热电阻；用于输出恒定正向电压的参考二极管探头；分别与检测二极管探头和参考二极管探头相连，用于获取所述检测二极管探头输出的正向电压和所述参考二极管探头输出的正向电压的压差并输出压差信号的差分比较放大电路。所述检测二极管探头的输入端和所述参考二极管探头的输入端分别连有用于提高输入阻抗的第一电阻和第二电阻。本实用新型在使用时无需依赖调节窗位移传感器，而且具有成本可控、控制可靠的优势。

Description

一种实验室气流系统变风量通风柜面风速传感器

技术领域

本实用新型涉及面风速传感器领域，特别是涉及一种实验室气流系统变风量通风柜面风速传感器。

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。通风柜的性能好环，主要取决于通过通风柜空气移动的速度。使用通风柜的最大目的是排出实验中产生的有害气体，保护实验人员的健康，也就是说要有高度的安全性和优越的操作性。由于通风柜在生化实验室中占有非常重要的位置，从改善实验室环境、改善劳动卫生条件，提高工作效率等方面考虑，通风柜的使用台数飞跃地增加。随之而来的是通风管道，配管、配线、排风等都成为实验室建设的重要课题。实验室气流系统中变风量通风柜为保持安全的面风速进行变风量控制。

传统的面风速传感器类型主要有压差式面风速传感器和热线式面风速传感器。压差式面风速传感器利用测量通风柜内外之间的压差间接测量面风速，这种测量方式离不开通风柜调节窗高度传感器。热线式面风速传感器是将通电加热的细金属丝（称热线）置于气流中，热线在气流中的散热量与流速有关，而散热量导致热线温度变化而引起电阻变化。这种测量方式存在探头易损坏且成本较高的特点。

实用新型内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种实验室气流系统变风量通风柜面风速传感器，用于解决现有技术中的面风速传感器或测量繁琐或易损坏且成本较高的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种实验室气流系统变风量通风柜面风速传感器，所述面风速传感器包括：在不同的PN结温度下输出不同正向电压的检测二极管探头；与所述检测二极管探头相连，用于给所述检测二极管探头加热以使所述检测二极管探头处于不同的PN结温度的加热电阻；用于输出恒定正向电压的参考二极管探头；分别与所述检测二极管探头和所述参考二极管探头相连，用于获取所述检测二极管探头输出的正向电压和所述参考二极管探头输出的正向电压的压差并输出压差信号的差分比较放大电路。

优选地，所述检测二极管探头的输入端连有用于提高输入阻抗的第一电阻；所述参考二极管探头的输入端连有用于提高输入阻抗的第二电阻。

优选地，所述检测二极管探头和所述第一电阻之间连接有一个偏置电阻。

优选地，所述差分比较放大电路的输出端连有负载电阻。

优选地，所述差分比较放大电路由两个双运算放大器构成。

优选地，每一个双运算放大器的电压正端连有输出正电压的正电源电路，每一个双运算放大器的电压负端连有输出负电压的负电源电路。

优选地，所述双运算放大器为TL082双运算放大器。

优选地，所述差分比较放大电路的输出端连有信号输出处理电路。

如上所述，本实用新型的一种实验室气流系统变风量通风柜面风速传感器，具有以下有益效果：

本实用新型的面风速传感器利用一个加热电阻持续给一个在气流中的二极管探头恒功率加热，流动的气流带走二极管上的热量，二极管表面的温度会与气流的流速相关，此二极管在不同的PN结温度下，正向电压呈线性变化，考虑到环境温度及气流温度的影响，利用另一个同质二极管以及两个双运算放大器形形成的一个差分比较放大电路，最终输出模拟信号用于变风量通风柜控制，而经过二极管探头的空气流速可以通过测量两个二极管正向电压的差可以换算得到，所以通过本实用新型可以有效获取空气流速，此外，本实用新型在使用时无需依赖调节窗位移传感器，而且具有成本可控、控制可靠的优势。

附图说明

图1显示为二极管电流、电压及温度特性示意图。

图2显示为本实用新型的一种实验室气流系统变风量通风柜面风速传感器的结构示意图。

图3显示为本实用新型的一种实验室气流系统变风量通风柜面风速传感器中正电源电路的电路图。

图4显示为本实用新型的一种实验室气流系统变风量通风柜面风速传感器中负电源电路的电路图。

图5显示为本实用新型的一种实验室气流系统变风量通风柜面风速传感器中差分比较放大电路的电路图。

图6和图7分别显示为本实用新型的一种实验室气流系统变风量通风柜面风速传感器中双运算放大器与正、负电源电路的连接示意图。

元件标号说明

1       面风速传感器

11      差分比较放大电路

12      正电源电路

13      负电源电路

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，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实用新型的其他优点与功效。本实用新型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，在没有背离本实用新型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，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，遂图式中仅显示与本实用新型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。

本实用新型的目的在于提供一种实验室气流系统变风量通风柜面风速传感器，用于解决现有技术中的面风速传感器或测量繁琐或易损坏且成本较高的问题。以下将详细描述本实用新型的一种实验室气流系统变风量通风柜面风速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用新型的一种实验室气流系统变风量通风柜面风速传感器。

在详细阐述本实用新型的具体方案以前，首先说明本实用新型的原理。

参考图1，在保持的正向电流I_F不变的情况下二极管的正向电压V_f随PN结温度升高而呈线性降低，可表示为：

V_f＝C₀+C₁t_s   （1）

其中，V_f为二极管的正向电压，t_s为二极管PN结温度，C₀和C₁为常数系数。

传感器探头在气流中的对流换热可以按照相似理论，近似为空气横掠单圆管的强迫对流换热。

Q＝I²R   （2）

式（2）中Q为加热电阻的发热量，I是经过电阻的电流，R是电阻的阻值。

$h=\frac{Q}{A(t_s-t_a)}---\left(3\right)$

式（3）中h为换热系数(W/m²℃)，A是探头表面面积（m2），Q是换热量(W)，t_s为探头表面温度，t_a为空气温度。

$\mathrm{Nu}=h\frac{D}{\mathrm{\λ}}---\left(4\right)$

式(4)中Nu为努谢尔准则数，实质上是对流换热能力与传导换热的对比无量纲数值，其中h为换热系数（W/m℃），D为当量长度（m），对于传感器探头来说约为传感器直径，λ为传导换热系数（W/m²℃）。

Nu＝CReⁿ  （5）

根据相似理论，努谢尔准则数Nu可用雷诺数Re来表示，C为常数（对于传感器探头来说一般范围为0.3～2)，n为指数（对于传感器探头来说一般范围为0.3～0.6）。

$\mathrm{Re}=\mathrm{\μ}\frac{D}{\mathrm{\υ}}---\left(6\right)$

雷诺数Re是可用来表征流体流动情况的无量纲数，主要包括几何特征D（当量长度，对于传感器探头来说即为直径），μ为空气流动速度（m/s），υ为空气流动黏度（m²/s）。

当经过电阻的电流恒定，阻值恒定，空气运动黏度恒定，传导热系数恒定，以及几何特征不变的情况下，经过推导，可以得出：

$(t_s-t_a)=\frac{\mathrm{\ξ}}{{\mathrm{\μ}}^n}---\left(7\right)$

其中ξ为简化后的常数，μ为空气流动速度（m/s），n为指数（对于传感器探头来说一般范围0.3～0.6）。

根据式（1）和（7）可以得出：

$\mathrm{\μ}={\left(\frac{\mathrm{\ξ}{C}_1}{\mathrm{Vs}-\mathrm{Vr}}\right)}^{\frac{1}{n}}={\left(\frac{k}{\mathrm{Vs}-\mathrm{Vr}}\right)}^{\frac{1}{n}}---\left(8\right)$

式（8）中k为简化后的常数，Vs为二极管探头的正向电压，Vr为参考二极管的正向电压，n为指数（对于二极管探头约为0.3～0.6）。由此可见经过二极管探头的空气流速可以通过测量两个二极管正向电压的差可以换算得到。

请参阅图2，显示为本实用新型的一种实验室气流系统变风量通风柜面风速传感器的结构示意图。如图2所示，本实用新型提供一种实验室气流系统变风量通风柜面风速传感器，所述面风速传感器1包括：检测二极管探头、加热电阻、参考二极管探头、差分比较放大电路11、第一电阻、第二电阻、偏置电阻以及负载电阻。

检测二极管探头在不同的PN结温度下输出不同正向电压；加热电阻与所述检测二极管探头相连，用于给所述检测二极管探头加热以使所述检测二极管探头处于不同的PN结温度；参考二极管探头用于输出恒定正向电压；差分比较放大电路11分别与所述检测二极管探头和所述参考二极管探头相连，用于获取所述检测二极管探头输出的正向电压和所述参考二极管探头输出的正向电压的压差并输出压差信号；所述检测二极管探头的输入端连有用于提高输入阻抗的第一电阻；所述参考二极管探头的输入端连有用于提高输入阻抗的第二电阻；所述检测二极管探头和所述第一电阻之间连接有一个偏置电阻；所述差分比较放大电路11的输出端连有负载电阻。所述差分比较放大电路11由两个双运算放大器构成。每一个双运算放大器的电压正端连有输出正电压的正电源电路，每一个双运算放大器的电压负端连有输出负电压的负电源电路。

在本实施例中，正电源电路的具体电路图如图3所示。正电源电路12包括控制芯片U4（图3中的MC34063），控制芯片U4的IS引脚连接电阻R20，VCC引脚依次连接电容C17，电容EC2，电容C13，电感L5，电感L5的两端连接电容C12，电阻R16和二极管D5串联后与电容C12和二极管D3并联。控制芯片U4的DC引脚和SC引脚相连，SE引脚连接二极管D7和电感L6，其中二极管D7的另一端接地，电感L6的另一端连接电容EC3和电阻R24，电容EC3的另一端接地，电阻R24的另一端输出+12V电源，电感L6和电阻R24之间引出线依次连接有电阻R21和电阻R22，其中控制芯片U4的CII引脚连接入电阻R21和电阻R22之间，电阻R22另一端接地。

在本实施例中，负电源电路的具体电路图如图4所示。负电源电路13包括控制芯片U3，控制芯片U3的IS引脚连接电阻R17，电阻R17的另一端连接电容C15，控制芯片U3的VCC引脚连接在电阻R17和电容C15之间之后连接电感L7，电感L7的另一端接+12V电源。控制芯片U3的DC引脚和SC引脚相连，控制芯片U3的SE引脚连接二极管D6和电感L8，其中电感L8的另一端接地，二极管D6另一端分别连接电容EC4和电感L9，电容EC4的另一端接地，电感L9的另一端连接电阻R25，电容C19，电阻R19，其中电阻R25的另一端输出-12V电源，电容C19的另一端接地，电阻R19与电阻R18相连，电阻R18的另一端接地，控制芯片U3的CII引脚连接在电阻R19电阻R18之间。

在本实施例中，所述双运算放大器为TL082双运算放大器。其中，检测二极管探头、加热电阻、参考二极管探头、差分比较放大电路11、第一电阻、第二电阻、偏置电阻以及负载电阻之间的具体连接关系如图5所示。

加热电阻R15一端与+12V电源相连，一端接地，+12V电源和GND之间连有电容C11。检测二极管探头D4的阴极接地，阳极与偏置电阻相连，在本实施例中，偏置电阻由串联的电阻R13和电阻R14组成，电阻R13串联用于提高输入阻抗的第一电阻（即电阻R12），电阻R12的另一端连接+12V电源，参考二极管探头的阴极接地，阳极连接用于提高输入阻抗的第二电阻（即电阻R11）。

所述双运算放大器为TL082双运算放大器，TL082双运算放大器是一款通用的J-FET双运算放大器，其特点有：较低的输入偏置电压和偏移电流；输出设有短路保护；输入级具有较高的输入阻抗；内建频率补偿电路；较高的压摆率。

如图5所示，一个双运算放大器包括运算放大器U1A和运算放大器U2A，另外一个双运算放大器包括运算放大器U1B和运算放大器U2B，具体连接关系为：运算放大器U1A的正极输入端连接在参考二极管探头和电阻R11之间，运算放大器U1B的正极输入端连接在电阻R13和电阻R12之间，运算放大器U1A的输出端和运算放大器U1B的输入端之间依次连接有电阻R1，电阻R23和电阻R9，运算放大器U1A的负极输入端连接于电阻R1和电阻R23之间，运算放大器U1B的负极输入端连接于电阻R9和电阻R23之间，运算放大器U1A的输出端经电阻R8和电阻R10后与运算放大器U2A的输出端相连，运算放大器U1B的输出端经电阻R2和电阻R6后接地，运算放大器U2A的正极输入端连接在电阻R2和电阻R6之间。

具体地，运算放大器U2A的输出端依次连接电感L1，电感L3和电感L2后与运算放大器U2B的正极输入端相连，运算放大器U2B的负极输入端与输出端经电容C3后相连，电感L1和电感L2之间的引出线连接电容C7后依次经电阻R5和电容C3与运算放大器U2B的输出端相连，电感L3和电感L2之间的引出线连接电容C8后经电容C3与运算放大器U2B的输出端相连。所述差分比较放大电路11的输出端连有信号输出处理电路，具体地，运算放大器U2B的输出端还依次连接有电阻R7和电阻R4，电阻R4的另一端连接电阻R3，电阻R3的另一端连接在电容C3和电阻R5之间；此外电阻R4和电阻R3的公共端的引出线依次连接电感L4和熔断器F1后输出压差信号。此外，电感L4的一端连有电容C9，另一端依次连接电容C10和二极管D1，其中电容C7、电阻R5、电容C9、电容C10和二极管D1的另一端均接地。

此外，如图6和图7所示，在本实施例中，双运算放大器与正电源电路12和负电源电路13的连接关系如下：因为两个双运算放大器与正电源电路12和负电源电路13的连接相同，现仅以其中一个双运算放大器的电源输入端U1C与正电源电路12和负电源电路13的连接为例进行说明，另外一个双运算放大器的电源输入端U2C与正电源电路12和负电源电路13的连接不再赘述。双运算放大器的电源输入端U1C中的VCC+引脚连接正电源电路12的输出端，VCC-引脚连接负电源电路13的输出端，电源输入端U1C中的VCC+引脚和VCC-引脚分别连接电容C1和电容C4后接地。

综上所述，本实用新型的一种实验室气流系统变风量通风柜面风速传感器，达到了以下有益效果：本实用新型的面风速传感器利用一个加热电阻持续给一个在气流中的二极管探头恒功率加热，流动的气流带走二极管上的热量，二极管表面的温度会与气流的流速相关，此二极管在不同的PN结温度下，正向电压呈线性变化，考虑到环境温度及气流温度的影响，利用另一个同质二极管以及两个双运算放大器形形成的一个差分比较放大电路，最终输出模拟信号用于变风量通风柜控制，而经过二极管探头的空气流速可以通过测量两个二极管正向电压的差可以换算得到，所以通过本实用新型可以有效获取空气流速，此外，本实用新型在使用时无需依赖调节窗位移传感器，而且具有成本可控、控制可靠的优势。所以，本实用新型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实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，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实用新型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，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种实验室气流系统变风量通风柜面风速传感器，其特征在于，所述面风速传感器包括：

在不同的PN结温度下输出不同正向电压的检测二极管探头；

与所述检测二极管探头相连，用于给所述检测二极管探头加热以使所述检测二极管探头处于不同的PN结温度的加热电阻；

用于输出恒定正向电压的参考二极管探头；

分别与所述检测二极管探头和所述参考二极管探头相连，用于获取所述检测二极管探头输出的正向电压和所述参考二极管探头输出的正向电压的压差并输出压差信号的差分比较放大电路。

2.根据权利要求1所述的实验室气流系统变风量通风柜面风速传感器，其特征在于，所述检测二极管探头的输入端连有用于提高输入阻抗的第一电阻；所述参考二极管探头的输入端连有用于提高输入阻抗的第二电阻。

3.根据权利要求2所述的实验室气流系统变风量通风柜面风速传感器，其特征在于，所述检测二极管探头和所述第一电阻之间连接有一个偏置电阻。

4.根据权利要求1所述的实验室气流系统变风量通风柜面风速传感器，其特征在于，所述差分比较放大电路的输出端连有负载电阻。

5.根据权利要求1所述的实验室气流系统变风量通风柜面风速传感器，其特征在于，所述差分比较放大电路由两个双运算放大器构成。

6.根据权利要求5所述的实验室气流系统变风量通风柜面风速传感器，其特征在于，每一个双运算放大器的电压正端连有输出正电压的正电源电路，每一个双运算放大器的电压负端连有输出负电压的负电源电路。

7.根据权利要求5或6所述的实验室气流系统变风量通风柜面风速传感器，其特征在于，所述双运算放大器为TL082双运算放大器。

8.根据权利要求1所述的实验室气流系统变风量通风柜面风速传感器，其特征在于，所述差分比较放大电路的输出端连有信号输出处理电路。