Работа всех тепловых анемометров основана на определении скорости потока путем измерений теплового сопротивления Z между нагретым датчиком и окружающим воздухом:
 |
(1) |
где
P – мощность, рассеиваемая датчиком,
T – разность температур между датчиком и окружающей средой.
Для этого существуют две основные схемы.
- Мощность P поддерживается постоянной, и измеряется результирующая разность температур T.
- Температура T поддерживается постоянной, и измеряется необходимая для этого мощность P.
Пример схемы с поддержанием постоянной мощности можно найти в статье «Нелинейности измерителя скорости воздушного потока и ПНЧ компенсируют друг друга» [1]…
…а примеры схем с поддержанием постоянной температуры – в статье «Линеаризованный портативный анемометр с термостатированной парой Дарлингтона» [2]…
…и на Рисунке 1.
 |
|
| Рисунок 1. | Анемометр с поддерживанием постоянной температуры с прямым преобразованием мощности в частоту. |
Анемометр на Рисунке 1 необычен тем, что в нем транзистор датчика находится непосредственно в контуре ПМЧ (преобразователя мощности в частоту).
Чтобы понять, как работает схема на Рисунке 1, рассмотрим случай нулевой скорости воздушного потока. С помощью подстроечного резистора R2 (НОЛЬ) устанавливаются базовые токи покоя транзистора Q1 и опорного транзистора Q2. При правильной настройке повышение температуры Q1 (приблизительно до 50 °C) в неподвижном воздухе, вызванное рассеиванием мощности коллектора, снижает напряжение база-эмиттер транзистора Q1 (примерно на 2 мВ/°C) до уровня, равного или немного меньшего, чем у транзистора Q2. В этом случае напряжение на неинвертирующем входе компаратора U1a немного менее положительно, чем на инвертирующем входе. Поэтому на выходе устанавливается низкий уровень, удерживающий конденсатор C1 в разряженном состоянии и сбрасывающий мультивибратор U1b, уровень выхода которого становится высоким.
Это условие выполняет две функции: принудительно устанавливает FOUT = 0 и удерживает транзистор Q3 выключенным.
Теперь давайте немного обдуем воздухом транзистор Q1. В результате большего охлаждения температура транзистора Q1 снижается, из-за чего его напряжение база-эмиттер увеличивается по сравнению с транзистором Q2. Это приводит к обратному соотношению напряжений на входах компаратора U1a, который перестает удерживать конденсатор C1 в состоянии сброса. После этого конденсатор C1 заряжается через резистор R9 и включает транзистор Q3, подающий импульс длительностью t = 700 мкс в базу транзистора Q1 через подстроечный резистор R3 (КАЛИБРОВКА).
Результирующий импульс тока, проходящего через коллектор транзистора Q1, описывается формулой (2), где hFE обозначает коэффициент передачи тока транзистора Q1 в схеме с общим эмиттером, а RCAL = R3 + R4:
 |
(2) |
Это приводит к выделению некоторого количества тепла на переходе транзистора Q1:
 |
(3) |
которое стремится повысить температуру Q1 до значения, достаточного для восстановления исходного баланса напряжения при нулевом потоке с напряжением датчика окружающей среды Q2. Пока Q1 не нагреется до этой температуры, мультивибратор U1b продолжает генерировать импульсы, периодически включая транзистор Q3 и перекачивая тепло в Q1.
Таким образом, образуется контур обратной связи, который поддерживает постоянную разность температур между транзисторами Q1 и Q2. В результате средняя выходная частота мультивибратора U1b пропорциональна дополнительной мощности, необходимой для нагрева Q1. Максимальная выходная частота для показанных на Рисунке 1 номиналов компонентов составляет 1 кГц. Соответствующая регулировка потенциометра R3 позволяет установить практически любе желаемое значение полной шкалы воздушных потоков. Температурное отслеживание напряжений база-эмиттер транзисторов Q1 и Q2 обеспечивает хорошую компенсацию изменений температуры окружающей среды.
Прямое подключение транзистора Q1 к шине питания обеспечивает хороший КПД (более 90%) использования мощности, поэтому, хотя потребляемая мощность (по определению!) зависит от воздушного потока, как показано на Рисунке 2, обычно она невелика и составляет от 200 до 350 мВт.
 |
|
| Рисунок 2. | Мощность, потребляемая транзистором Q1 в зависимости от потока воздуха, обычно составляет скромные 200-350 мВт. |
На самом деле, потребляемая мощность достаточно мала, чтобы работа от батарей с дешевым мультиметром для считывания частоты выглядела привлекательно. Недорогой стек из четырех щелочных батареек AA обещал десятки часов непрерывной работы, что могло равняться сотням измерений скорости воздуха. Однако, как видно из Рисунка 3, схема с непосредственным питанием от батареи, показанная на Рисунке 1, не будет работать очень хорошо из-за 20-процентного спада напряжения батареи во время разряда.
 |
|
| Рисунок 3. | Типичные кривые разряда элементов AA с нежелательным спадом напряжения батареи на 20 % во время разряда, который приводит к снижению точности калибровки анемометра. |
Результирующее ухудшение точности калибровки анемометра будет огромным, особенно с учетом формулы (4):
 |
(4) |
которая показывает квадратичную зависимость нагрева транзистора Q1 от напряжения питания!
Между тем, казалось бы, очевидное решение – стабилизация напряжения питания – тоже не слишком привлекательно из-за влияния на сложность, КПД и стоимость. К счастью, на Рисунке 4 показано альтернативное простое, дешевое и эффективное решение: компенсация базового смещения.
 |
|
| Рисунок 4. | Анемометр на Рисунке 1, модифицированный с помощью элементов U2, A1 и R11-14 для компенсации токов смещения транзисторов Q1 и Q2, позволяет (в основном) свести на нет влияние спада напряжения батареи. |
На Рисунке 5 представлена результирующая кривая мощности при использовании компенсации (черная кривая) в сравнении с тем, что получилось бы без нее (красная кривая): улучшение более чем на порядок!
Не идеально, но, пожалуй, достаточно хорошо.
 |
|
| Рисунок 5. | Зависимость нагрева от напряжения батареи (в диапазоне 5 ±1 В) при наличии компенсации (черная кривая) и без нее (красная кривая). |
Ссылки
- Stephen Woodward. Нелинейности измерителя скорости воздушного потока и ПНЧ компенсируют друг друга
- Stephen Woodward. Линеаризованный портативный анемометр с термостатированной парой Дарлингтона
Купить LM393 на РадиоЛоцман.Цены
