Простой анемометр на основе последовательной пары транзисторов

Среди разнообразных методов измерения скорости воздушного потока тепловые расходомеры привлекают своей простотой. Они также отличаются несложной конструкцией, низкой стоимостью и превосходной чувствительностью к слабым потокам менее 1000 fpm (fpm – фут в минуту). Во всех термоанемометрах используется взаимосвязь между скоростью потока воздуха AF и тепловым сопротивлением ZT нагреваемого датчика. Одним из практических примеров такой взаимосвязи является эта модель теплового сопротивления корпуса ТО-92:

Светодиодные драйверы MEAN WELL для систем внутреннего освещения

где:

ZJ = 44 °C/Вт – тепловое сопротивление переход-корпус,
SC = 6.4 мВт/°C – тепловое сопротивление корпус-окружающая среда при неподвижном воздухе,
KT = 75 мкВт/°C·√fpm – коэффициент термодиффузии в формуле Кинга,
AF – скорость потока воздуха в футах в минуту.

В этой модели необработанный выходной сигнал датчика по своей природе нелинеен относительно скорости потока, что является общей проблемой для всех термоанемометров. Для компенсации этой нелинейности в схеме должны быть предусмотрены средства линеаризации. Схема на Рисунке 1 объединяет идеи двух более ранних статей [1] и [2]. Она представляет собой простой линеаризованный (с точностью ±5%) термоанемометр с компенсацией температуры окружающей среды. Это надежное и энергоэффективное устройство, потребляющее менее 1 Вт общей мощности от одной шины стабилизированного питания 5 В.

В схеме, объединившей идеи, предложенные в двух более ранних статьях, реализован простой линеаризованный термоанемометр. Это надежное и энергоэффективное устройство с компенсацией температуры окружающей среды.
Рисунок 1. В схеме, объединившей идеи, предложенные в двух более ранних статьях, реализован
простой линеаризованный термоанемометр. Это надежное и энергоэффективное
устройство с компенсацией температуры окружающей среды.

В процессе работы усилитель A1 стабилизирует разность температур (около 25 °C) между транзисторами Q1 и Q2, независимо от изменений теплового сопротивления и температуры окружающей среды. Для этого A1 поддерживает постоянное соотношение напряжений база-эмиттер двух транзисторов. Это может быть сделано путем управления токами коллекторов и, соответственно, рассеиваемой мощностью последовательно соединенных устройств.

Поскольку через оба транзистора проходит один и тот же ток IQ, их относительная рассеиваемая мощность определяется исключительно соответствующими напряжениями коллектор-эмиттер VQ1 и VQ2. Для всех допустимых режимов работы VQ1 > VQ2 (за этим следит транзистор Q3). Таким образом, для любого заданного тока IQ транзистор Q1 всегда будет рассеивать больше мощности и выделять больше тепла, а значит, при работе он будет более горячим, чем включенный диодом транзистор Q2. Следовательно, по мере увеличения скорости воздушного потока и уменьшения теплового сопротивления усилитель A1 может поддерживать любое выбранное соотношение температур транзисторов Q1/Q2 за счет увеличения IQ. Результирующий ток IQ, зависящий от воздушного потока, создает падение напряжения на резисторе R1, которое затем смещается и усиливается усилителем A2. В свою очередь, он становится выходным сигналом анемометра VO с диапазоном напряжений от 0 до 2.5 В, масштабом 10 мВ = 1 fpm (примерно 2.5 kts – навигационных миль в час) и полной шкалой 0 … 250 fpm.

При этом Q3 совместно с A2 стремятся ограничить максимальное напряжение на R1 примерно до 2 В. Это сделано, чтобы избежать риска защелкивания, которое могло бы произойти, если бы выходному напряжению A1 было позволено слишком приблизиться к напряжению шины 5 В. В этом случае VQ1 приблизится к VQ2. Тогда было бы невозможно достичь запрограммированной разности температур и отношения напряжений база-эмиттер транзисторов Q1 и Q2, независимо от того, насколько мог бы увеличиться ток IQ. Аналогично, резисторы R7 и R8 защищают от защелкивания при первом включении схемы.

А как насчет линеаризации измерений? Как видно из Рисунка 2, внутренняя квадратичная зависимость между IQ и относительной рассеиваемой мощностью Q1/Q2 неплохо справляется с компенсацией нелинейности. За счет нее устраняются все ошибки линейности во всем диапазоне скоростей, за исключением погрешности полной шкалы ±5%. Кроме того, калибровка анемометра выполняется быстро и просто. Для этого пара транзисторных датчиков просто помещается в поток медленно движущегося воздуха (почти, но не совсем неподвижного; идеально подходит значение AF от 5 до 7 футов в минуту). Затем с помощью подстроечного резистора R6 устанавливают ноль выходного напряжения (VO = 0).

Квадратичная зависимость между IQ и относительной мощностью, рассеиваемой транзисторами Q1/Q2, неплохо устраняет все ошибки линейности во всем диапазоне скоростей, кроме ±5% погрешности полной шкалы.
Рисунок 2. Квадратичная зависимость между IQ и относительной мощностью,
рассеиваемой транзисторами Q1/Q2, неплохо устраняет все ошибки
линейности во всем диапазоне скоростей, кроме ±5% погрешности
полной шкалы.

«Транемометр» («tranemometer» – термин, придуманный автором статьи, прим. ред.) характеризуется константами схемы, которые масштабируют его выходной сигнал для VO = 0.01 В/fpm = 1 В/kts. Впрочем, при соответствующем выборе сопротивлений R1, R2 и R3 схема может быть адаптирована практически для любого диапазона скоростей воздушного потока.

  1. Datasheet Texas Instruments LMC662
  2. Datasheet Analog Devices LT1013
  3. Datasheet onsemi 2N4401

ООО «Мегател», ИНН 3666086782, ОГРН 1033600037020

Добавить свое объявление

* заполните обязательные данные

Статистика eFaster:

посетило сегодня 1820
сейчас смотрят 16
представлено поставщиков 1573
загружено
позиций
25 067 862