Транзистор линейно оцифровывает скорость воздушного потока

Журнал РАДИОЛОЦМАН, август 2016

В основе чувствительного и надежного способа измерения воздушного потока лежит известная взаимосвязь между тепловыделением и скоростью воздуха. Принцип тепловой анемометрии базируется на законе Кинга, согласно которому мощность, необходимая для поддержания фиксированной разности между температурой нагреваемой поверхности датчика и температурой окружающего воздуха, увеличивается пропорционально квадратному корню из скорости потока. Именно на этот принцип опирается работа теплового анемометра, однако ему присущ недостаток, связанный с использованием в качестве датчика воздушного потока специальной и очень ломкой металлической нити – «горячей струны». Этого недостатка лишена схема, изображенная на Рисунке 1, в которой для измерения скорости потока вместо ненадежной проволоки используется пара прочных и недорогих транзисторов. Входная цепь схемы на транзисторах Q₁ и Q₂ позаимствована из предыдущей публикации [1]. Так же, как и в статье 1996 года, схема на Рисунке 1 постоянно поддерживает соотношение V_Q1 = V_Q2. Для решения этой задачи температура Q₁ должна стабилизироваться на уровне, превышающем температуру Q₂ примерно не 50 °C.

Рисунок 1.	Используя в качестве датчиков простые транзисторы, эта схема выполняет линейные цифровые измерения скорости воздушного потока.

Эта разница температур необходима для баланса напряжений база-эмиттер, так ток коллектора I_Q1 транзистора Q₁ в 100 раз превышает коллекторный ток I_Q2 транзистора Q₂. Если бы Q₁ и Q₂ имели одинаковую температуру, это соотношение приводило бы к тому, что напряжение V_Q1 на 100 мВ превышало V_Q2. При надлежащем управлении током I_Q1 можно обеспечить дифференциальный нагрев, делающий транзистор Q₁ горячее Q₂. Таким образом, для управления балансом V_Q в этом методе используется аппроксимация –2 мВ/°C температурного коэффициента напряжения база-эмиттер. Результирующий средний ток I_Q1, пропорциональный средней мощности, рассеиваемой транзистором Q₁, создает основу для температурного измерения скорости воздуха. Калибровка датчика начинается с установки нуля резистором R₁. Сопротивление R₁ вы должны выставить так, чтобы при обдувании схемы воздушном потоком без помощи Q₃ выполнялось равенство V_Q1 = V_Q2. Затем, когда движущийся воздух нагревает транзисторы и увеличивает рассеяние тепла, напряжение V_Q1 возрастает, и переключившийся компаратор I_C1 перестает разряжать конденсатор C₁. Теперь конденсатор C₁ заряжается до тех пор, пока не включится микросхема I_C2, формируя через Q₃ импульс подогрева Q₁.

Результирующий всплеск коллекторного тока генерирует импульс подогрева Q₁, увеличивая температуру транзистора и возвращая напряжение база-эмиттер обратно к состоянию баланса. Регулировкой R₂ калибруют величину теплового импульса, создаваемого током I_Q1, чтобы добиться точного соответствия между частотой импульсов и скоростью воздушного потока.

Теперь рассмотрим линеаризацию измерений. Квадратный корень в законе Кинга, связывающий мощность нагрева со скоростью потока, делает зависимость нелинейной. Вы должны сгладить неровности на калибровочной кривой скорости воздуха. Конечно же, выполнить линеаризацию вы можете программно. Однако, в зависимости от системы обработки данных, с которой работает анемометр, программная коррекция иногда бывает неудобной. В еще одной ранней статье [2] был представлен аналоговый способ линеаризации. Но если вы хотите иметь все преимущества, предоставляемые импульсным цифровым выходом, в частности, возможность помехозащищенной передачи по длинным кабелям, вам требуется другое решение.

Схема на Рисунке 1 обеспечивает как линеаризацию измерений, так и цифровое представление результатов. Среднее количество тепла, выделяемого транзистором Q₁ под действием импульсов тока, равно

где

I – амплитуда импульсов тока транзистора Q₁ (установленная резистором R₂);
F – частота выходных импульсов;
W – ширина импульсов.

Ширина W обратно пропорциональна току I_D разряда конденсатора C₁, линейно спадающее напряжение V_C1 на котором определяет время включения микросхемы I_C2. Q₄ и Q₇ усредняют выходные импульсы, превращая их в управляющее напряжение для транзистора Q₅, пропорциональное коэффициенту заполнения, и, таким образом, делают W функцией F. Фактически, обратная связь неявно делает эту функцию такой:

где K – коэффициент преобразования, зависящий от номиналов использованных компонентов. Следовательно,

и

Из этого выражения получаем

что делает F требуемой функцией от H², линеаризуя, таким образом, зависимость частоты от скорости потока.

Ссылки

Материалы по теме