Линейный измеритель энергии ветра с температурной компенсацией

Журнал РАДИОЛОЦМАН, ноябрь 2017

Растущий интерес к возобновляемым источникам энергии, вызванный ростом цен на ископаемое топливо и опасениями глобального потепления, привлекает внимание к соответствующим демонстрационным инструментам. Предлагаемая схема измерения энергии ветра вносит свой вклад в поддержание интереса к этой теме. Удобная для быстрой и легкой предварительной оценки энергетического потенциала ветроэлектростанций, она включает в себя датчик скорости ветра, состоящий из анемометра и отражательного оптрона, а также датчик температуры, основанный на транзисторе в диодном включении (Рисунок 1). Эти компоненты связаны с гибридной цифроаналоговой вычислительной схемой. В сочетании они обеспечивают отображение в реальном времени плотности ветровой энергии.

Рисунок 1.	Для измерения доступной энергии ветра в этой схеме используются свободновращающийся анемометр и датчик температуры на основе включенного диодом транзистора.

Потенциал энергогенерации ветра равен

½×плотность воздуха [кг/м³] × скорость потока [м/с]³.

Чтобы рассчитать его, требуется оценить плотность воздуха, которая обратно пропорциональна абсолютной температуре, измерить скорость потока воздуха и возвести ее в куб.

Вот как это делает счетчик ветровой энергии. Через включенный диодом транзистор Q₁ при температуре 25 °C (298K) проходит ток смещения 550 мкА, напряжение между его базой и эмиттером (V_Q1) равно примерно 600 мВ, а температурный коэффициент этого напряжения равен –2 мВ/°C. Таким образом, Q₁ представляет собой источник опорного напряжения, отслеживающий приблизительную зависимость плотности воздуха от температуры, которая подчиняется закону идеального газа, то есть имеет крутизну –0.3%/°C. При этом частота выходных импульсов оптического датчика O₁, работающего со свободновращающимся анемометром, пропорциональна скорости ветра:

F_W = 10 Гц/м/с.

Преобразование V_Q1 и F_W в сигнал, масштаб которого соответствует 1 мВ = 1 В/м², реализуется функцией третьего порядка X×Y×Z, выполняемой тремя включенными каскадно преобразователями частота-напряжение (ПЧН), основанными на зарядовых насосах, собранных на КМОП коммутаторах S₁, S₂ и S₃.

Выходное напряжение ПЧН S₁/IC_1A отрицательно и равно

напряжение на выходе ПЧН S₂/IC_1B

и на выходе ПЧН S₃/IC_1D напряжение равно

В конце дифференциальный инвертор IC_1C масштабирует и сдвигает –V₃ до выходного напряжения

Вы можете удобно откалибровать измеритель энергии ветра, двигаясь в безветренный день на автомобиле с постоянной скоростью 18.6 м/с = 41.5 миль/час = 66.8 км/час. При воздействии на анемометр внешнего воздушного потока установите подстроечным потенциометром выходное напряжение 4 В, или, для лучшей точности, напряжение, получающееся из формулы, учитывающей истинную плотность воздуха:

Материалы по теме