热式风速传感器设计

发布时间：2020-02-27 09:07

【摘要】：风速是气象要素的重要组成部分,不仅对社会经济的发展起着重要作用,还与人们的生活息息相关。目前风速按测量形式主要分为机械式测量、超声波式测量和热式测量。机械式风速计启动风速通常在0.3～0.5 m/s范围内,这给低风速测量带来困难。超声波式风速传感器可实现0.01 m/s量级的分辨率,但其体积较大、价格较昂贵。传统热式风速传感器在中低风速范围内灵敏度较高,但易受环境温度的影响,其温度漂移是最主要的误差来源之一。为修正传感器的温漂误差,通常采用桥式电路补偿和利用单片机进行线性公式补偿等方法,但对于温漂特性呈非线性的传感器,则采用上述方法难以获得较好的补偿效果。0.3 m/s以下微小风速的精确测量和温漂修正,是风速测量领域的一个难题。本文提出了一种热式风速传感器设计。传感器系统由恒功率加热的传感器探头、信号采集电路、恒功率控制电路、温漂修正算法及上位机等部分构成。该系统选用STM32作为微处理器芯片,PT100作为测温元件,采用24位高精度AD7794进行模数转换,运用PID算法和脉宽调制对传感器进行恒功率加热控制,利用遗传算法作为传感器的温漂修正算法。系统采集的数据可通过串口发送给C#语言编写的上位机显示并存储数据。利用计算流体动力学方法对传感器探头进行了仿真分析,为硬件设计提供理论基础。实验结果表明,该传感器的温度漂移得到了很好的抑制。在-20～40℃的环境温度和0.03～0.3m/s的风速量程范围内,该风速传感器的满量程精度可达5.19%,在低风速测量领域具有一定的应用潜力。
【图文】：

风速计

机械式风速计具有操作简单、抗干扰能力较强、风速测量范围广等优点，但其逡逑磨损会造成轴承性能变化，引起测量误差［７４］。机械式风速计启动风速通常在逡逑０．３？０．５ｍ／ｓ范围内，图１．１所示为长春气象仪器研究所ＦＣ－１风速计，它由３个逡逑半球形或抛物锥形的空心杯壳组成，杯壳固定在两两互成１２０。的三叉型支架逡逑上，启动风速为0．５ｍ／ｓ，这给低风速测量带来困难。逡逑Ｉ逡逑图１．１ＦＣ－１风速计逡逑１．２．２皮托管测量法逡逑皮托管测量法是利用流体流动时引起的气流总压与静压来确定流速的一种逡逑检测方法。皮托管主要由测头、管柱、外管、内管及静压、全压引出管路构成【９］。逡逑在管路设计时，要确保测量的全压、静压及相应压力的管路之间互不相通。对逡逑于较高风速的测量，皮托管式风速仪测量的精度和分辨率都相对较高，且其结逡逑构简单，成本较低。但对于低风速的测量适应性较差，且通常要求在全压测控逡逑处的雷诺数不低于２００＾。其实物图如图１．２所示。逡逑２逡逑

风速计,法国,超声波

风场干扰、无压力损失、不存在阻塞、机械磨损等并且使用时间长，对低风速逡逑测量也具有较高的灵敏度。超声波风速计可实现Ｏ．Ｏｌｍ／ｓ量级的分辨率，但其逡逑体积较大、价格较昂贵［｜２］，，图１．３所示为英国ＧＩＬＬ的专业级超声波风速仪逡逑ＷｉｎｄＯｂｓｅｒｖｅｒｌｌ，启动风速低于Ｏ．ｌｍ／ｓ，但其单价高达数千美元，给此类传感逡逑器的广泛应用带来限制。逡逑３逡逑
【学位授予单位】：南京信息工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TP212

【参考文献】