高温热流热线式风量变送器

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1、2011-2012 德州仪器 C2000 及 MCU 创新设计大赛项目报告题 目： 高温热流热线式风量变送器 学校： 哈尔滨理工大学 组别： 专业组 应用类别： 仪器仪表类 平台： MSP430 题 目：高温热流热线式风量变送器摘要:本设计针对目前垃圾焚烧场、焚化炉中高温气体的流速监测中存在的问题而提出。热流热线式风速传感器是利用放置在流场中具有加热电流的热线式敏感元件的热量转移与空气的流速之间的对应关系求得空气流动速度。传感器采用恒温差控制电路模块，使金属丝的温度差保持不变，消除了由于环境温度的变化对测量精度的影响，扩大了应用范围。关键词：热流热线；传感器；恒温差Abstract: The

2、product is putted forward aiming at resolving the wind speed detecting problems of high temperature of the gas flow in the refuse incineration plant and the incinerator. The heat-flux and hot-line wind speed sensor is used by the hot-line sensor heat transfer of a heating current placed in the flow

3、field and air flow rate of the corresponding relationship, so we obtain the air flow rate. The sensor uses the constant temperature difference control circuit, which keeps the temperature difference of the wire constantly and eliminates the changes due to environmental temperature on measurement acc

4、uracy, expanding the scope of application.Keywords: the heat-flux and hot-line; sensor; constant temperature difference- 1 -1. 引言1.1 系统设计的背景热式测量技术起源于 20 世纪初，曾广泛用于流体速度与方向的测量，并且在 20 世纪 60 年代以后一度是流体测速领域中的主要技术之一。美国、欧洲各国、日本先后以不同的方式投入到热式风速测量仪器的研究当中。国内大部分风速变送器市场被国外厂商垄断，如汽车电喷系统气体质量流量传感器。由于此类产品性价比高、市场广，国内一些高

5、校和公司也致力于这方面的研究，并取得了一定的成果，但国内热式气体流速传感器的研究起步较晚，大多数型号尚未实现国产化。中国海洋大学研究开发的 IFA300 热线/热膜风速仪测量范围达到了 0.03300m/s，可以同时测量六处气流的一维流速或三处二维流速，风速测量精度为测量值的 l2。但是，该系统价格昂贵、体积庞大、不便携带，很难在工业生产中普及推广。在国外，主要有瑞士、荷兰、欧美和日本等技术发达国家，凭借先进半导体技术大力发展热式流量、流速传感器，并已取得重大成果。法国的 KIMO 公司、日本的 KANOMAX 公司、德国的 TESTOAG 公司等等，目前都有成熟的基于热式风速测量原理的智能风

6、速、风量仪表面市。按照风速测量的不同工作原理，风速变送器可分为机械式、动压式、超声式和热式等类别。机械式以风杯式和风轮式为主，由于转轮是可动元件，机械摩擦、泥沙、灰尘堆积等因素使仪器的可靠性不高，误差较大；动压式以皮托管为主，在测量微小风速时，误差也较大；超声波风速变送器价格昂贵，性价比低。热式风速传感器可测量的最低风速为 0.03m/s，最高风速达 300m/s，低风速分辨率为 0.01m/s。它可以用来测量各种风速，尤其在低风速测量中有着不可替代的作用。热式风速变送器以其灵敏度高、压损低、测量范围大、无可动部件以及可用于极低气体流速检测等特点已在气体检测领域得到广泛应用。1.2 系统设计的

7、目的流体参数可谓工业过程、科学计量和进行各种经济核算所必须的重要参数，是能源计量的重要组成部分。流体参数的测量在工业生产和过程控制中占有重要地位，特别是在热电厂、石油、矿山、冶金、航空、机械、医疗器械等领域。由于流体性质、流动状态、流动条件以及感测机理的复杂性，造成了流体参数测量系统的多样性、专用性和价格差异的悬殊性。通过流体流速的测量，人们可以了解流动过程，并且根据流体的流动状态对生产工艺进行自动控制，进而实现能源的有效管理，从而保证产品的质量，提高生产效率，节约能源。风速测量作为流速测量领域一个重要的部分，与人们的日常生产、生活密不可分。当今世界，风速、风量仪表更多的出现在工业生产、日常生

8、活等领域，它 与国民经济、工业生产、科学研究和环境保护息息相关。随着工业自动化的飞速发展，人们对风速、风量的测量要求也日益提高。本设计针对目前垃圾焚烧场、焚化炉中300500高温气体的流速监测中存在的问题而提出，基于热对流理论进行设计。热流热线式风速传感器是利用放置在流场中具有加热电流的热线式敏感元件的热量转移与空气的流速之间的对应关系，根据热平衡原理，通过热量的传递转移求得空气流动速度。经分析表- 2 -明本设计对流场干扰小、适用范围广、热滞后效应小、重复性好。本设计可用于高温腐蚀性气体流速检测。由于被测对象处于多方向的流动状态，为非定常流。流场具有不均匀性，容易受压力、温度变化、湿度大小等

9、环境因素的影响。气流稳定性差，干扰信号多，不易被测量，且测量精度低。本设计采用恒温差控制电路模块，通过改变加热的电流使气体带走的热量得以补充，而使金属丝的温度差保持不变，消除了由于环境温度的变化对测量精度的影响，扩大了应用范围；也大大提高了高温气体中气体流速的测量精度。1.3 设计需要解决的问题由于被测对象的特性存在着一些困难，使满足越来越高的风速测量要求异常艰难，主要有以下几个难点： (1)被测介质处于多方向的流动状态，为非定常流； (2)被测介质受高温、压力、湿度等环境因素影响大； (3)气流稳定性差，对测量信号瞬时捕捉能力、系统反应速度提出了更高的要求；(4)测量结果的线性度不好，可靠性

10、差。本系统设计的热流热线式风量变送器解决了上述问题，实现了：(1)风速测量仪表携带方便，无需繁琐复杂的安装步骤； (2)采用恒温差控制电路和必要的数据处理，使得测量结果不易受到环境参量的影响，抗干扰能力强，应用范围广； (3)测量信号不受流体介质的影响； (4)输出数字信号，便于远传、抗干扰及无线组网； (5)重复性好；测量范围宽，线性好；可靠性高，维护简单，性价比高； (6)用户免校验。本论文设计了一种新型热线式风量变送器。该仪器具备零点校准、满度标定、数据备份、LED 实时显示的能力， 200Hz1000Hz 频率信号等功能。热式风量测量系统的设计，丰富了国内风速测量仪器的种类，改进了国产

11、风速仪体积大、功耗高、不便携带等诸多不足之处，提高了我国风量变送器的设计水平，缩小了风量测量领域我国与发达国家的差距。2. 系统方案 2.1 系统设计总体框架整个变送器总体设计方案都依照优化设计的原则，尽量减少硬件电路的复杂程度，发挥单片机处理功能的优势，提高系统的可靠性。根据探测器及总体功能的要求，我们选用的是 TI 出产的 MSP430F2012，源于 430 的低功耗适于恶劣环境，且 MSP430F2012 仅 14 个引脚内部集成了 A/D 模块，对于 A/D 转换处理功能强大，同时拥有 8 路模拟输入通道，大大的简化了电路设计。高温热流热线式风速测量系统总体方案框图如图 2-1 所示

12、。从图上可知，系统由模拟电路模块、电压转换模块、显示电路模块、输出电路模块、红外遥控电路模块组成。其中模拟电路模块包括传感器供电方式、信号调理电路、- 3 -A/D 转换等部分。模拟信号经 A/D 转换后的风速值由数码管显示电路显示，并通过红外遥控技术进行零点和灵敏度的标定以及报警线的设定。有效地消除了电位器受振动影响而变动产生的产品质量问题，增强了产品的可靠性。风速传感器基准电压放大电路信号调理电路显示电路A D C 1 0G P I O红外遥控器红外接收头滤波电路外部中断T i m e r _ AP W M调试接口M S P 4 3 0F 2 0 1 2输出信号图 2-1 高温热流热线式风

13、速测量系统总体方案框图2.2 热线式传感器的传热分析热流热线式风速传感器利用热传导和热耗散的原理。热线的换热过程基本上是一个强迫对流过程，风吹过热线铂电阻时会带走一定的热量，引起热线电阻温度的变化，从而阻值发生变化。这个变化量与风速、加热电流、热线表面温度等因素有关。从这些关系中可导出热线散失的热量 Q 与风速 v 之间的关系。其中采用金属铂作为热线传感器电阻时，电阻值 与温度的关系为：tR(2-1)01t w由传热学可知，热线式传感器中存在着多种形式的传热，包括强迫对流传热、自然对流传热、导热传热和辐射传热。由于热线式风速传感器是通过测量由风的吹动而造成的温度变化来反映风速的，所以，风吹动产

14、生的强迫对流传热对传感器热线的影响最大，起主要作用。从传感器表面通过强迫对流传热带走的热量可由下式表示：(2-2)fwaQAT其中 为强迫对流传热所产生的换热量； 为强迫对流传热平均系数； 为换fQ A热表面积； 为传感器热膜的表面温度； 为气流的温度。wTa下图为本设计中使用的铂电阻 Pt20 与 Pt1000，其图如下图 2-2 所示。- 4 -图 2-2 铂电阻 Pt20 与 Pt10002.3 传感器的工作方式下面介绍一下传感器的工作方式。传感器探头中的风速传感器的工作原理是基于热对流理论进行设计的。热流热线式风速传感器是利用放置在流场中具有加热电流的热线式敏感元件的热量转移与空气的流

15、速之间的对应关系，根据热平衡原理，通过热量的传递转移求得空气流动速度。传统的风速传感器通常采用恒流工作方式，也就是传感器的工作电流不变，当传感器工作时随着温度的升高，其电阻值发生变化，通过测量两端变化的电压获得风速值。但是由于传感器的温度随着被测风速值的变化而变化，该特性导致被测精度低，灵敏度差，温度漂移等问题，如果不改变检测方法，不可能得到有效克服，所以随着技术的发展，现在测量风速广泛使用的是恒温工作方式。恒温工作方式是检测过程中保持传感器的工作温度不变，即采用恒温检测方法。恒温法一般把热线接到惠斯顿电桥的一个臂上，流动的气体通过热线时，热线温度降低，热线的阻值下降，惠斯顿电桥失去平衡，输出一个不平衡的电压信号。处理电路将不平衡的电压信号放大并反馈到电桥，从而使热线加热电流变 大，提高热线的温度和电阻，使其恢复原来阻值大小，最终使惠斯顿电桥恢复平 衡。但当外界环境温度改变时，外界温度会对铂电阻的阻值产生影响，此时外界环境的温度对系统带来温度漂移问题，需要进行温度补偿。本系统基于上述几种方法的基础上采用了一种新的设计方法，即传感器采用恒温差工作模式。与其他几种控制模式相比，恒温差控制模式是始终保持传感器的工作温度与外界环境温度之间的差值是一个固定值，因此输出和环境温度原理上无关，从而可以更好地解决温漂问题并且有较大的测量范围。