气流检测电路

在许多应用或系统中，通常都需要进行气流检测，以便对系统的正常运行情况进行描述。例如，我们需要检测发动机中的空气流量，以估算发动机的燃料添加量；我们需要检测空气流量，以检查污染量或使用空气等化学介质的污染转移情况。对于高功率密度的电子设备，我们需要空气流量检测来确保设备不会过热。

气流检测器电路的原理：

这里开发的是一个简单的气流检测器电路，使用电阻温度检测器作为基本元件。该电路基于两个原理：a) 电阻随温度变化；b) 空气是绝缘体。 当电流流过电阻时，电阻会被加热。当空气流经热电阻时，作为绝缘体的空气会使电阻器冷却。因此电阻开始减小，热电阻上的电压也随之降低。使用定时器电路可检测到这种压降变化，从而提供空气流量指示。

空气流量检测器电路图：

电路元件：

V1 = 12 V

R1 = 38 欧姆

D1= 4.7 V 齐纳二极管，1N4732

R2 = 100 欧姆

Rx = HEL-700 铂热电阻

R3 = 10K

C2= 1uF

C1= 0.01uF

LED = 5V，绿色 LED

IC = 555 定时器

气流检测电路设计：

该电路旨在为热电阻提供恒定电流输入，使其在开始时轻微加热。这里选用的热电阻是 HEL-700 铂热电阻，其最大工作电流为 2 mA。在这里，我们使用齐纳二极管作为稳压器，为热电阻提供恒定电流。

要设计齐纳稳压器，我们首先需要选择齐纳二极管。这里选择了一个 Vz = 4.7V 的齐纳二极管。由于输入电压为 12V，所需的输出电流为 2mA，因此我们选择 100 欧姆的负载电阻，以便最大电流流过负载，而只有少量电流流过热电阻。所选输入电阻由 (Vin-Vz)/(Iz+IL) 得出，等于 38 欧姆。此处使用 38 欧姆电阻作为输入电阻。

下一步需要设计定时器单稳态多振动器。定时器为 LED 提供约 5V 的偏置电压。当热电阻两端的电压降低时，LED 需要发光。这里我们选择一个 10K 电阻和一个 1uF 的电解质电容器。 一个 0.01uF 的陶瓷电容器用于将控制引脚连接到地。

气流探测器电路操作：

该电路使用 12V 电池供电。电池电压通过齐纳二极管调节，从而产生恒定电压。最初，电流流过热电阻时，热电阻会发热，温度升高，从而电阻增大。 现在，由于电流恒定，电阻两端的电压也趋于增加。 当该电压加到定时器的触发引脚时，无法触发定时器，LED 处于关闭状态。现在，当空气流过热电阻时，它开始冷却。这就降低了设备的温度。随着温度的降低，电阻也随之减小，器件上的电压也随之降低。当电压降低到某一点以下时，定时器被触发，LED 指示灯开始闪烁。随着电压的进一步下降，表明温度下降，LED 开始全亮。这表明空气在流动。

空气流量检测器电路背后的理论：

该电路背后的基本理论涉及三个基本部分的知识：使用齐纳二极管的稳压器、电阻温度检测器和定时器电路。

使用齐纳二极管的稳压器：

齐纳二极管是一种在反向偏置条件下工作的简单 PN 结二极管。它的基本工作原理是击穿--雪崩和齐纳。齐纳击穿发生在 2V 至 8V 的反向偏置电压下，此时高强度的电场会使电子脱离原子，形成自由电子空穴对。雪崩击穿发生在 8V 以上，此时高速电荷载流子因碰撞而导致共价键断裂，形成自由电子。

从特性中可以看出，当通过二极管的电流变化很大时，二极管两端的电压保持很小或恒定不变。在许多应用中，使用齐纳二极管作为电压调节器，就可以利用这一独特功能。

电阻温度检测器：

电阻温度检测器或 RTD 是一种金属电阻器，其电阻随温度变化而变化。其原理是，随着温度的升高，金属晶格的振动也会增加。这些振动会引起电子之间的碰撞。随着碰撞的增加，电子的能量降低，导致自由电子流减少，从而导致低导电率。因此，随着温度的升高，电阻也会增加。热电阻基本上是用铂制成的。在 0 摄氏度时，热电阻的电阻约为 100 欧姆。

555 定时多谐器：

多谐器电路用于产生脉冲输出信号。当低电平信号施加到集成电路的触发引脚时，它就会被触发。555 定时器集成电路是一个 8 引脚集成电路，输出信号的定时由 T=1.1 RC 给定。

气流检测器电路的应用：

该电路可用于检测汽车发动机等部位的气流，以估算发动机所需的燃料量。除了用作空气流量检测器外，该电路还可用作温度检测器电路。只要稍加改动，该电路就能根据温度感应来控制风扇等负载。

气流检测器电路的局限性：

由于使用了齐纳二极管，电路的效率会受到影响。这是因为在重负载情况下，串联电阻的损耗会导致效率下降。

所使用的电阻温度检测器价格昂贵，容易受到冲击和振动的影响。