台湾科大自控所&镒田科技-热线式风速传感器自动线性校正系统研制-2013

热线式风速传感器自动线性校正系统之研制

蔡明忠1 邱瑞庆1 关玉苹1 周佳德1 朱仁诚2 朱信烨2
1国立台湾科技大学 自动化及控制研究所
2镒田科技股份有限公司



摘要: 本研究目的在建构热线式风速传感器的自动线性校正系统。系统由PC 主机与人机界面、高速风洞测试腔体与风速控制模组、通讯介面、资料撷取模组、线性校正模型和微控制器之线性补偿模组等所组成。本研究为了实现热线式风速传感器自动线性校正与品管检测,完成之系统包括三个不同功能模式,并将其整合于同一人机介面供使用者选用,使得操控人员可以依照要求,选择所要执行之功能模式。此三个功能模式分别为校正功能模式、品管功能模式与先校正后品管功能模式。三个功能模式皆整合传感器的微控制器晶片(MSP430)分别处理校正与品管之电压讯号。以先校正后品管为例,首先将完成温度补偿的风速感测器安装于可控制风速之实验腔体风洞中后,即自动进行风速计校正处理,透过资料撷取模组量测不同量程下风速之原始电压讯号,并传至PC 端之校正系统自动检测与计算出多项式系數,再藉由通讯模组载入至微控制器中,完成线性化校正。完成线性校正后可接着利用自动品管检测功能,自动撷取风速计品管电压去验证线性化后的品质改善,缩短生产时间。本系统亦可作为一般风速计之自动化品管检测与产品分级用途。


关键字:热线式风速感测、风洞、品管检测、资料撷取、线性化校正、温度补偿。


一、前言
在农、工业、民生等諸多生产设备或系统中,流量或风速是一个很重要的感测项目。而热线式风速计在各行业具有广泛的应用。例如在(1)汽車工业,用于检测进入发动机的空气量,为汽車发动机提供准确的喷油量;控制喷油气的喷油量,以得到较准确的油气比,充分发挥发动机的效能。同时,可以减少对环境的污染以及节约燃油。 (2)电厂锅爐空气给入量与煤的比例控制。 (3)空调室内空气质量与通风节能的最佳控制。 (4)民生、工业现场的天然气、液化气、煤气等可燃性气体的流量检测。 (5)医学的臨床诊断和治療,呼吸功能测量仪通过测量受测者的中期、峰值呼吸流速和呼吸容量等静态、动态肺功能參數,为呼吸疾病诊断、治療提供医学依据[1]。

热线式质量流量计的基本原理是利用外部热源对管道内的热电偶加热,热能被流体带走,透过测量因流体流动而造成的热量(温度)变化來反映出流量体的质量流量。热线式流量计亦可用于量测气体流速,或称风速计[2]。

由于热线式风速计使用的热敏电阻大小有些微差異,导致风速计的非线性特征曲线都有些微的差異。使用人工校正风速计不但耗费时间与金钱,且准确性与精确度都不一致。因此,若能藉由自动化感测系统取代人工记錄,将可以提高量测的准确性与精准度,提高生产效率、使品质稳定并且降低成本。

二、热线式风速计原理及校正模型

2.1 热线式风速计

其热线式风速计的基本原理是将一根细的金属线丝放在流体中,通过电流加热金属线丝(即热线),使其温度高于流体的温度,当流体沿垂直方向流过金属线丝时,将带走金属线丝的一部分热量,使金属线丝温度下降,热线在气流中的散热量与流速有关,散热量导致热线温度变化而引起电阻变化,使流速信号转变成电气信号,典型热线式风速计工作原理如图3 所示[3]。

本研究之热线式风速计内部含有惠斯顿电桥(Wheatstone Bridge)和一个电源控制器,使热线式风速计的电路保持恒温。热线与周围流体的热传作用形成一流速的函數,但温度和压力的变量会影响它。温度补偿电路自动增加供给热线的电流使其恢復原來的温度和阻值,直到电桥重新平衡。


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