台灣科大自控所&鎰田科技-熱線式風速傳感器自動線性校正系統研製-2013

熱線式風速傳感器自動線性校正系統之研製

蔡明忠1 邱瑞慶1 關玉蘋1 周佳德1 朱仁誠2 朱信燁2
1國立臺灣科技大學 自動化及控制研究所
2鎰田科技股份有限公司



摘要: 本研究目的在建構熱線式風速傳感器的自動線性校正系統。系統由PC 主機與人機界面、高速風洞測試腔體與風速控制模組、通訊介面、資料擷取模組、線性校正模型和微控制器之線性補償模組等所組成。本研究為了實現熱線式風速傳感器自動線性校正與品管檢測,完成之系統包括三個不同功能模式,並將其整合於同一人機介面供使用者選用,使得操控人員可以依照要求,選擇所要執行之功能模式。此三個功能模式分別為校正功能模式、品管功能模式與先校正後品管功能模式。三個功能模式皆整合傳感器的微控制器晶片(MSP430)分別處理校正與品管之電壓訊號。以先校正後品管為例,首先將完成溫度補償的風速感測器安裝於可控制風速之實驗腔體風洞中後,即自動進行風速計校正處理,透過資料擷取模組量測不同量程下風速之原始電壓訊號,並傳至PC 端之校正系統自動檢測與計算出多項式係數,再藉由通訊模組載入至微控制器中,完成線性化校正。完成線性校正後可接著利用自動品管檢測功能,自動擷取風速計品管電壓去驗證線性化後的品質改善,縮短生產時間。本系統亦可作為一般風速計之自動化品管檢測與產品分級用途。


關鍵字:熱線式風速感測、風洞、品管檢測、資料擷取、線性化校正、溫度補償。


一、前言
在農、工業、民生等諸多生產設備或系統中,流量或風速是一個很重要的感測項目。而熱線式風速計在各行業具有廣泛的應用。例如在(1)汽車工業,用於檢測進入發動機的空氣量,為汽車發動機提供準確的噴油量;控制噴油氣的噴油量,以得到較準確的油氣比,充分發揮發動機的效能。同時,可以減少對環境的污染以及節約燃油。(2)電廠鍋爐空氣給入量與煤的比例控制。(3)空調室內空氣質量與通風節能的最佳控制。(4)民生、工業現場的天然氣、液化氣、煤氣等可燃性氣體的流量檢測。(5)醫學的臨床診斷和治療,呼吸功能測量儀通過測量受測者的中期、峰值呼吸流速和呼吸容量等靜態、動態肺功能參數,為呼吸疾病診斷、治療提供醫學依據[1]。

熱線式質量流量計的基本原理是利用外部熱源對管道內的熱電偶加熱,熱能被流體帶走,透過測量因流體流動而造成的熱量(溫度)變化來反映出流量體的質量流量。熱線式流量計亦可用於量測氣體流速,或稱風速計[2]。

由於熱線式風速計使用的熱敏電阻大小有些微差異,導致風速計的非線性特徵曲線都有些微的差異。使用人工校正風速計不但耗費時間與金錢,且準確性與精確度都不一致。因此,若能藉由自動化感測系統取代人工記錄,將可以提高量測的準確性與精準度,提高生產效率、使品質穩定並且降低成本。

二、熱線式風速計原理及校正模型

2.1 熱線式風速計

其熱線式風速計的基本原理是將一根細的金屬線絲放在流體中,通過電流加熱金屬線絲(即熱線),使其溫度高於流體的溫度,當流體沿垂直方向流過金屬線絲時,將帶走金屬線絲的一部分熱量,使金屬線絲溫度下降,熱線在氣流中的散熱量與流速有關,散熱量導致熱線溫度變化而引起電阻變化,使流速信號轉變成電氣信號,典型熱線式風速計工作原理如圖3 所示[3]。

本研究之熱線式風速計內部含有惠斯頓電橋(Wheatstone Bridge)和一個電源控制器,使熱線式風速計的電路保持恆溫。熱線與周圍流體的熱傳作用形成一流速的函數,但溫度和壓力的變量會影響它。溫度補償電路自動增加供給熱線的電流使其恢復原來的溫度和阻值,直到電橋重新平衡。

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