范文一:热线风速仪测量原理简介
热线风速仪测量原理简介
李敏毅甘妙昌马思龙
广东省计量科学研究所广州510405
摘要本文简单地阐述了热线风速仪的工作原理。并介绍了其自校准和修正的一些方法。关键词热线风速仪流速测量
0引言
为了进一步对换热器换热效果进行更深层次的研究,人们对换热器换热表面的气体或液体的流场越来越重视.因为流场对换热器总的换热系数有极其重要的影响,现在场协同原理也已经应用到对流换热的研究中。并逐渐成为一个新的研究方向,而在进行对流换热场协同研究的同时,更需要对流体在换热表面附近的流场分布,只有在准确的测量流体流场的基础之上。才可能通过实验来准确的验证流场与对流换热之间的关系.到目前为止,人们根据光学、力学以及热力学等领域的研究成果开发了很多测量流体流场的测量仪器,比如有早期的比托管和风速计。后来的热线热膜风速仪mwrA),以及近期出现的激光流速计(LDV)等等.比托管的结构简单,使用方便,坚实可靠,价格低廉,但是其测速的范围比较窄,一般用来测量旺盛湍流的平均流速。所以测量的速度一般比较高.而且其仅能测量二维流场,不能敏感反向流动,不能测量湍流流动的流场分布.热线风速仪能够实现连续测量,信噪比好,而且能够分离和测量三维流场,测量的范圈比较大.而且能够非常准确地测量微风速。其灵敏度非常高.鉴于热线风速仪的这些优点,现在被广泛地应用与各种埙域.比如测量模拟风洞的速度场,换热管肋片周围的速度场。内燃机的流动特性等.
1热线风速仪的基本工作原理
1.1基本原理
热线测速技术是一种非常重要的测量流体速度与方向的技术,已经有近一百年的历史,它为流体速度的测量作出了巨大的贡献.并且在20世纪∞年代以后几乎垄断了溜流脉动测速领域.按照热线热平衡原理可以将热线分为恒流风速计和恒温风速计.由于恒温风速计热滞后效应报小,频率响应很宽,反应快速,而恒流风速计则不具备上述特点,因此,恒温风速计的出现成为热线技术进一步发展的重要标志.热线风速仪嚣测量速度的基本熏理是热平衡原理。利用放置在流场中的具有加热电流的细金属丝来测量流场中的流速,风速的变化会使金属丝的沮度产生变化,从而产生电信号而获得风速。
根据热平衡原理,当热线置于介质(流场)中井通以电流时.热线中产生的热量应与之耗散的热量相等.换言之.在热线没有其他形式的热交换条件下,加热电流在热线中产生的热量应等于热线与周围介质的热交换.根据rang公式,我们可以近似的得到换热表面的努谢尔数与霄诺数之间的关系,也就是说,只要知道换热系数,就可以得到通过热线处流速的大小和方向.上一S
King公式可以表示为:
Nu=A+BRco5(1)
其中,M=竺≠——努谢尔数^
Re:竺兰——雷诺数
口——对流换热系数,W/(K?m2)
三——定性尺寸,ITI
A,B——为常数,根据不同的热线而定
由热平衡原理,在不考虑热辐射的前提下,热线的热耗散应该等于电流流过热线所产生的热量。热耗散可用下式得出:
Q耗敞=硝帆一弓)
其中,口——热线的对流换热系数,W/gO.?m2)
F——热线表面换热面积,m2
瓦——热线表面温度,℃(2)
弓——主流温度,℃
电流流过热线产生的热量为:
Qk=,和。
其中,,。——电流,A
R。——电阻,0
于是可以得出:(3)
,:R。.=亦(T。一0)
1.2热线风速仪静态响应(4)
只要测量出热线的对流换热系数,那么就可以根据其基本原理来计算测量点的风速.如果流场是稳定的,那么利用热线风速仪测得就是静态数据,即成为热线风速仪静态响应.对于静态响应,其流场不随时间的变化而变化,同样温度场也不随时间变化而变化.这样就可以根据King公式得到:取。叫h:(?+再?q
0?占(5)式中,0——流体的导热系数?W/(m。℃)
p——流体的密度。kg,m3
c。——定压比热,kJ/(kg‘℃)
d——热线直径,m
D——流速,m/s
,———热线的长度,m
当—Pf_c—ood>0.08时式(5)可表示为^’
E兰丛&;彳+B石一R。一R,……(6)
或:u=[.口/RfR.212(7)
式中,R,——为对流换热热阻,m2?K/w
如果保持热线的温度不变,那么通过热线的电流就随通过热线处的速度场的变化而变化,通过分析电流的变化就可以准确地分析速度场的变化.
1.3热线风速仪动态响应
在很多的生产过程中要求我们对某流场要进行连续的测量,要反映出流场的瞬时值,以便对换热过程有更深的认识.这就要求我们能够进行动态测量,实时地反映出流场随时间的变化过程。换热面附近流体的速度场、温度场以及通过热线的电流发生变化都会导致热线热平衡的失衡。于是必定会有某个常数发生变化减缓这种热的不平衡,比如速度场随电流的变化而变化。根据动态响应的工程.我们可以得到
警=,扭。一k一巧勋+曰石)c,,
式中:E——絮I线内能的增量
而热线内能的增量由可表示为
E=mc帆一0)(8)
式中,肌——热线的质量,kg
c——热线的比热容。J/(kg.℃)
,——时间.s
于是可得:上口7
警=mc鲁=,:尺。一k一弓n+B卅
2热线风速仪的应用
2.1紊流参数测量(9)
在实际生产中遇到最多的就是紊流情况,而现在人们对紊流的研究还是停留在实验的基础之上,在理论上的研究还不够深入,特别是对紊流流场的分析和计算以及紊流状态下对流换热系数的确定都还不能从理论上得到完全满意的答案,或多或少存在误差.而且很多的计算流场的公式都是在实验的基础之上进行一定的假设和简化,使之在数学上可解。也就是说,目前人们对紊流的研究还不够深入,这其中主要的原因是因为没有办法准确地描述紊流的流场和准确地求解紊流的流场,而且很多关于紊流流场的假设都不能够得到很好的实验验证,因此就要求能够对紊流常数进行一定的测量,以便为理论研究提供可靠的实验数据。对于恒流式热线风速仪有:
瓦:氅瞳.:些一.:些毛2可嵋2了峨2可
式中,占。,s,,占。——分别为三维坐标中三个方向的紊流强度
U,矿。矽——分别为三个方向流速脉动值的平均值,m/s
“,v,w——分别为三个方向流速的瞬时值,m/s
根据热平衡原理瓯匿瓯(10)‘1∞
耻一考雠岛
而上盥:!丛:訾dUAU㈨,(12)
√-2
因此就有矗一面戒茚铲~凳笠!:冬(13)¨”
其中.【,——任何一个方向上的流速平均指.m/s
一——常数
我们可以看到。只要能测得流场中的某点的瞬时流速就可以得到该流场的紊流参数.
2.2雷诺数的测量
很多情况下要求得出流体的霄诺数.因为一般的对流换热都直接与霄诺数有关,对于紊流的雷诺数,一般可以表示为山8
气,2一puv(14)
式中,“,v——紊流中某点两个不同方向的流速,m/s
如果利用x型探头来测量流场的参数时,可以分析得到
fw=一puv=-pE钇,’E。D-(15)
而E,.ED∞钇2而
因此,利用热线风速仪可以比较准确地测量紊流的雷诺数。
3热线风速仪的自校准与修正
3.1热线风速仪的自校准
利用热线风速仪可以非常准确地测量流速.特别是对于微风速的情况,可以很准确地测量出其流速,这些都是比托管等其它的测量流速的仪器所不能达到的。这就要求热线的灵敏度要高。空间分辨率要大,同时要能够承受一定的冲击负荷.只有这样,热线风速仪才可以很灵敏地测量出微风速,而且不会对流场有很大的影响.由于热线风速仪一般都比较昂贵,要求的精度也比较高,所以应用起来受到一定的限止,为了保证其灵敏度和准确度,有必要在使用前对热线风速仪进行自校准(标定)。
测非纯净气体时,一般刚焊接好的热线探头较清洁,而在捧气管流场测量中的熟线探头将受到混在捧气中润滑油和水蒸气的污染.为了使标定前热线探头的工作特性尽量和实测状态的工作特性一致.将焊接好的热线探头置于实测的捧气流场中,经试验约4小时之后.热线探头的特性可基本稳定,经以上预处理之后再进行标定可提高热线风速仪的准确度.
热线风速仪的自校准也是根据king公式的原理:
E2=4-I-Bu。(16)
利用标准风洞。标准测速装置等浏速设备求出3种稳态流动时的E(Eo、EI、E2)和蚝、“2?然后根据式(17)求出H值。
n=———;_———一:.1nEEl72-.EEoi2E、‘一E0(17)
ln生
“2
3.2热线风速仪使用注意事项
在标定完后使用时,要注意以下问题:
a)线倾角的修正;
Jp9
b)固体壁面影响及其修正:
C1流体温度变化影响;
d)污染影响。
如果热线风速仪受到污染,一定要清洗完才可继续使用,一般清洗的方法有超声波、酒精、化学、加热等。
4.结束语
热线风速仪是一种先进的专门用于流速测量的新仪器,我们可以利用它比较精确地测量和研究复杂的流动,使得研究由实验测得的速度信号(包括~维、二维、三维)成为可能,也方便进行数据处理与分析。.占,D
热线风速仪测量原理简介
作者:
作者单位:李敏毅, 甘妙昌, 马思龙广东省计量科学研究所(广州)
1. 于宁. 狄洪发. 赵荣义 热线风速仪在动态热舒适性研究中的应用及测量的影响因素[会议论文]-2008
2. 周春平. 梁彬 热线风速仪测试系统完善及应用[期刊论文]-大电机技术2002(3)
3. 陆青松. 王元 热线风速仪制作的初步研究[会议论文]-2002
4. 魏中磊. 魏庆鼎. 王凯建. 徐诚 热线风速仪及其探针的发以及湍流实验研究上的贡献[会议论文]-2001
5. 於娟. 顾伯勤. 陈晔 现代流动测量与分析技术[会议论文]-2006
6. 张万路 热线风速仪在线测量的修正模型[期刊论文]-计量技术2004(5)
7. 吴卫星 论环境基本国策[会议论文]-2006
8. 皇甫凯林. 徐璋. 张雪梅. 任建莉. 钟英杰 热线风速仪在测量电站风量中的实验研究[期刊论文]-电站系统工程2009,25(3)
9. 侯云鹏 视知觉理论在环境艺术设计中的应用[会议论文]-1999
10. 朱孝业 测量轴流风扇小风量的方法[会议论文]-1998
本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Conference_4886210.aspx
范文二:热线风速仪的传热学原理研究
热线风速仪的传热学原理研究
沈欢
北京大学工学院,北京100871
2012年5月24日
摘要
本文深入讨论了热线风速仪的传热学原理,给出了具体的工程实现方案。
1热线风速仪简介
热线风速仪是一种利用传热学原理准确测量风速的仪器,己经有近一百年的历史, 它为流体速度的测量作出了巨大的贡献, 并且在20世纪60年代以后几乎垄断了湍流脉动测速领域。按照热线热平衡原理可以将热线分为恒流风速计和恒温风速计。由于恒温风速计热滞后效应很小, 频率响应很宽, 反应快速, 而恒流风速计则不具备上述特点, 因此, 恒温风速计的出现成为热线技术进一步发展的重要标志。热线风速仪器测量速度的基本原理是热平衡原理, 利用放置在流场中的具有加热电流的细金属丝来测量流场中的流速。图一是法国的KTMO-CTV210
型热线测速仪。
图1:热线测速仪
热线长度一般在0.5~2毫米范围,直径在1~10微米范围,材料为铂、钨或铂铑合金等。热线除普通的单线式外,还可以是组合的双线式或三线式,用以测量各个方向的速度分量。从热线输出的电信号,经放大、补偿和数字化后输入计算机,可提高测量精度,自动完成数据后处理过程,扩大测速功能,如同时完成瞬时值和时均值、合速度和分速度、湍流度和其他湍流参数的测量。热线风速仪与皮托管相比,具有探头体积小,对流场干扰小;响
1
应快,能测量非定常流速;能测量很低速(如低达0.3米/秒) 等优点。
可测量的最低风速能达到0.05m/s,最高风速可达到30m/s以上,低风速时分辨率可以达到0.01m/s,所以它可以用来测量各种风速,尤其在低风速测量中有着不可替代的作用。
现在生产的热式风速仪样式更加简洁,准确度更高,携带使用也更加方便。广泛应用于采暖、通风、空气调节、环境保护、节能监测、气象、农业、冷藏、干燥、劳动卫生调查、洁净车间、化纤纺织、各种风速实验室等方面。
2热线风速仪的传热学基本原理
本文仅讨论现在流行的恒温式热线风速仪用于测量普通流场(室温、低速、稳定) 流速的情况,不涉及变温流场和高速流场。图二显示了一个热线风速仪的探头。
首先,对讨论的模
图2:恒温式热线测速仪探头
型作一些假设。
假设一:测量的流场恒温,维持在20摄氏度左右。这样的假设是由于本文讨论的仅是用于测量恒温流场的热线风速仪而并不讨论变温流场的问题。
假设二:流场稳定。本文讨论的热线风速仪是用于测量稳态流场流速的,不能用于测量变速流场的流速。
假设三:流场Ma 较低。本文讨论的热线风速仪用于测量普通流场流速,即自然界流场的流速,见表一。这样的流速不会超过0.2Ma ,属于低速流动。如果是高速流动,风速仪的热线将发生振动、应力变化等问题、绕流流场性质将发生改变。本文不涉及这些问题。
于是,在测速头的热线处,问题被抽象成为图三所示的流体横掠单管模型。下面讨论该模型的原理。
2.1Re 数的估算
由表一知我们所测量的流场的流动范围在0-40m/s。所以取特征速度U ∞=40m/s。流体横掠单管的特征长度为单管直径取d =20um 。在室温20o C ,标准大气压时,空气的动力粘性
2
表1:自然界风速表风力等级012345
风速(m/s)0-0.20.3-1.51.6-3.33.4-5.45.5-7.98.0-10.7
风力等级678910
风速(m/s)10.8-13.813.9-17.117.2-20.720.8-24.424.5-28.4
d=20um
U ?
tf=20C
tw
图3:流体横掠单管模型
系数为ν=15. 06?10?6m 2/s所以Re 的为:
?6
Re =U ∞d 40?20?10
ν=15. 06?10=53. 12
所以在我们讨论的问题范围内,Re 数的量级为Re–O (101) 。
2.2实验关联式
King 公式的一般形式为:
Nu =A +BRe n
由参考文献[2]当1
Nu =0. 43+0. 48√Re
所以:
h =λ
d (0. 43+0. 48U ∞d
ν)
3(1)(2)(3)(4)
2.3电阻随温度的变化
dR =βRdt
R t =R 0e β(t ?t 0) (5)电阻随温度的变化关系式为:积分得到:(6)
(7)通常情况下使用平均式:R t =R 0(1+β(t ?t 0))
其中,R 0、R t 是该电阻在t 0、t 温度下的阻值。β是材料的平均电阻温度系数,它反映材料电阻的温度敏感程度,值越大说明温敏特性越好。图四显示了常见材料的平均电阻温度系
数。
图4:常见金属的电阻温度系数
由图中可以看出,在常见材料中钨Wu 的电阻温度系数相对较大为0.0052/K,且容易获得,所以热线选用Wu 丝作为热线是较好的选择,如果对仪器的精度有更高的要求可以选用铂丝或者特制材料。
2.4热平衡原理
使用热线风速仪测速的基本原理为热平衡原理。是建立在以下几个假设的基础上进行的。假设四:整个热线的温度是均匀的为t w .
假设五:热平衡时,电阻的热功率等于通过对流与空气的换热功率。(实际上是忽略了热线焊接处电阻以及热线的热辐射) 。
假设六:热线的温度能保持一个定值t w , 这是恒温热线风速仪的关键点,本文第三部分将给出保持热线恒温的方案
在本文的第四部分中会讨论这样的假设是否具有工程意义。
由假设五:
U ∞d λI 2R w =hA (t w ?t f ) =(0. 43+0. 48) ?πdL?(t w ?t f ) (8)d ν
4
所以:
其中: I R w =(A +B U ∞)(t w ?t f ) 2(9) A =0. 43πLλ; B =0. 48πLλd
ν(10)
在本文第四部分对热线温度给出估计值之后,会就本热线仪热线给出A 、B 的值。又有(7)式得到:R w ?R f t w ?t f =(11)R f β
其中R w 、R f 是该电阻在t w 、t f 温度下的阻值。
将(11)代入(9)得到:
I 2R w 0. 5=A +BU ∞R w ?R f (12)
由(12)式得到了流场流速U ∞和通过热线的电流I 的关系式。当t w 、t f 恒定时,(12)式中的A 、B 、R w 、R f 是常数。由此关系式从理论上保证了可以用热平衡方法测定流场流速。具体的工程实现方案在第四部分中讨论。
3恒温热线风速仪的控制电路
在恒温热线风速仪中保持热线的温度t w (阻值) 是常数是关键技术所在。本文采用最简单的一种反馈电路实现恒温, 一些较为复杂但是精度更高的控制电路见参考文献(3)、(4)。电路图如图五所示。E
i1
-
F
+K
C 图5:恒温热线风速仪的控制电路
5
3.1电路的简单说明
控制电路为简单的电桥电路。把探头接在风速计电路中电桥的一臂,探头的电阻记为R w , 其他三臂的电阻分别为R1,R2和Rb 。其中R 1=R 2,Rb 为一可调的十进制精密电阻。此时,要求热线探头的电阻温度系数很高(热敏) ,而相反的却要求R1,R2和Rb 的电阻温度系数很小(可以假设温度变化不影响R1、R2) 。
在电桥AC 两端加上电压E ,当电桥平衡时,BD 间无电位差,此时,放大器没有信号输出。当探头没有加热时,探头的电阻值R f 叫做冷电阻,不同的探头有其不同的冷电阻值。测试时,把一个未知电阻值的探头接入桥路中,调节Rb 使电桥平衡。这时Rb 上的数值就是冷电阻的数值,即为Rf 。定义过热比(或称加热比) 为:
α=R w
R f (13)
一般取过热比为1.4-1.5(文献2) 给定过热比也就给定了热线的工作温度,也就是其恒温值t w 。按照所选定的过热比调节Rb, 使得:
R b =α?R f (14)
这时,仪器中的电路能自动回零反馈,使i 1增加,从而使热线探头的温度升高、电阻增大,一直达到Rw=Rb为止,这时热线上的温度已升高到t w ,t w 高于流体介质的温度t f 。在本文中取定过热比为1.5来讨论,即令:
α=
则由(6)式得:
e β(t ?t f ) =1. 5
前文已述,取t f =20o C , β=0. 0052. 计算得到:
t w =97. 974o C
所以本文设计的热线仪工作温度约在97o C 左右。(17)(16)R w =1. 5R f (15)
3.2电路反馈性质的定性讨论
图五所示的反馈控制电路具有自动调节,维持R w 不变,即使得t w 不变的良好性质。是本设计采用的即简单又精确的控制电路。以来流风速U ∞增大为例定性讨论反馈过程,风速减小同样分析。当来流风速增大时,传热量增大,使得热线温度下降,阻值减小。于是i 1增大,B 点电势下降。而D 点的电势暂时不变。于是经过放大器输出了一个经过放大后的正的电势,叠加到电源E 上。于是点A 的电势教原来而言升高。所以使得i 1增大从而使热线发热功率增加,温度上升,电阻增大。不断重复这样的瞬态过程,直至使得R w 回到平衡状态即R w ≈R b 为止。电路的稳态电流应为热平衡时的电流,满足(12)式,
即:I stable =(R w ?R f
w )(A +BU ∞0. 5). 稳态时电路的功率约为P stable =2?I stable ?E .
6
下面进行一个简单的计算来说明此过程,并讨论在工程中放大器增益K 的取值范围, 计算中E 代表电势。
考虑R w 减小的某一瞬时:E A R w E B =i 1R w =(18)R 1+R w
E D =i 2R b =E A R b
R 2+R b (19)
E F =K (E D ?E B ) =KE A (R b R w R 1(R b ?R w ) ?) =KE A R 2+R b R 1+R w (R 1+R w )(R 2+R b )
R 1(R b ?R w ) +E (R 1+R w )(R 2+R b )
E
1?1(R b ?R w ) K 1R w 2b (20)E A =E F +E =KE A 所以:E A =此时:
i 1=(21)(22)E A E =b w R 1+R w (R 1+R w ) ?K 1
2b
E
w . (23)由(23)可见当R w 减小,小于了R b 时会使得i 1增大,大于原来的i 01=为了维持电流方向为正需要使得:
(R 1+R w ) ?K
即:
K <(r 1+r="" w="" )(r="" 2+r="" b="">(r>
R 1(R b ?R w ) R 1(R b ?R w ) >0R 2+R b (24)(25)
为K 的取值范围,在第四部分会给出具体的电阻值的量级,由(25)式再确定K 的可能值。4热线风速仪工程实现的讨论
在本文第二、三部分中讨论了热线风速仪的一些理论问题,由于笔者不具备实验条件,所以需要将这些理论付诸实践只能通过大量的讨论以期考虑到问题的方方面面。图六和图七分别是两种型号的热线风速仪的技术参数表,以供参考。
4.1假设五:热平衡原理的讨论
援引本文假设五如下:热平衡时,电阻的热功率等于通过对流与空气的换热功率。(实际上是忽略了热线焊接处电阻以及热线的热辐射) 。热平衡假设是恒温热线风速仪的理论基石。它成立的主要条件是:1、热线的热辐射可以忽略;2、热线焊接处的电阻相对于热线电阻
7
图6:热线风速仪1
的技术参数表
图7:热线风速仪2的技术参数表
可以忽略;
A) 先讨论热辐射的问题。
8
由辐射定律, 单位面积的辐射热为:
E radiation ?per ?S =εσT4
由(17)式得T=97.974+273K=370.974K,σ=5. 67?10?8, ε约为0.8. 则
E radiation =859. 07W/m2?π?d ?L =859. 07?3. 14?20?10?6?2?10?3W =1. 07?10?4W (27)这个量级比起电阻丝的热功率(在下一小节讨论) 而言可以忽略。
B) 讨论焊接电阻的问题。
焊接电阻是影响热平衡假设的重要因素,必须严格控制,否则会严重影响到热线仪的精度。焊接电阻必须比热线电阻小两个数量级以上,才能认为其发热不影响总的热功率。下面计算热线电阻阻值。由:l R =ρ(28)S
2?102如上所述,取l=2mm,S =π?(D m , 查得ρ=5. 3?10?8?.m 计算得室温下) =3. 14?10
的电阻值:
R f =0. 34?(29)
由(15)式,取定过热比为1.5,所以在工作状态下的热线电阻为
R w =1. 5?0. 34=0. 51?(30)(26)
也就是说,阻值在10?1量级,必须使用精确的焊接计算控制焊接电阻在O(10?3) 这个量级,才能认为热平衡假设成立。所以焊接技术上的挑战是巨大的。
4.2电路参数的选择、测量精度的讨论
A) 考察图5,在电路中已知R w =0. 51?、t w =97. 974o C , 由图7知取定电源电压E=9V是合理的,剩下的就是R 1=R 2的合理取值。
由(12)式:
I 2R w 0. 5=A +BU ∞(31)R w ?R f
先估算下式中常数的量级。由于定性温度为w
f =20+97=58. 5o C . 所以查表得到此时空气的物性参数为:λ=2. 90?10?2W/m.K, ν=18. 97?10?6m 2s . 由(10)式计算得:
d A =0. 43πLλ=7. 84?10?5; B =0. 48πLλ=8. 98?10?5(32)ν
w 有R f =1. 5取U ∞为30m/s讨论,将这些数据代入(31)式得到:t +t I 2~(1?所以:√1) ?(7. 84?10?5+8. 98?10?5?=1. 9?10?41. 5
I ~√1. 9?10=0. 014A
9(33)(34)
所以加热电流的量级为几十毫安。所以R 1的量级为:
R 1~9E ?R w =?0. 51=642. 3?I 0. 014(35)
所以R 1的量级为几百欧姆级。
B) 下面讨论热线仪测量的精度。
从图六和图七看出工业热线仪的精度在0.01m/s量级,本文讨论的设计将以此作为设计标准。假设风速有微小变化?V , 引起了加热电流的微小变化?I 。则它们满足:
(I +?I ) 2R w =A +B (U ∞+?V ) 0. 5
R w ?R f
泰勒展开:
(I 2+2I ?I ) R w B 0. 5=A +BU ∞+?V R w ?R f 2∞
?I BU ∞?V =I 4(A ∞+BU ∞) U ∞
?V ?I =0. 22?I U ∞(36)(37)整理得到:(38)将A 、B 、U ∞的值代入得到:(39)
E
-
K F
+C
图8:加上测量装置的电路图
由于加热电流的量级为几十毫安,一方面不易测量,另一方面容易受到干扰,所以选择测量R 1两端的电压为测量量比较合适。取定:
R 1=500?
. 则由欧姆定律不难得到:?U R 1?I =U R 1I
10(40)
所以:
?U R 1=
?I ?V R 1
?U R 1=0. 22???9I U ∞R w +R 1
(41)
. 01
由于精度是0.01m/s,所以最小的速度变化0=3. 3?10?4要能被辨别。则:
500
?U R 1=0. 22?3. 3?10?4??9=6. 5?10?4V
500+0. 51
(42)
也就是只有选用能够测到10?4V 的电压表,才能使测量精度达到0.01m/s.加上了测量装置的电路图如图8所示。
4.3整个系统的工程搭建
步骤一:选择热线,热线材料为钨丝,参数如表二所示:并且将热线焊接、组装到探测头
表2:选择的热线参数表电阻率长度L 5.3*10E-8欧姆. 米2m m
材料钨电阻温度系数0.0052/K底面直径d 20um 常温电阻值0.34欧姆
上,搭成探测头系统。步骤二:搭建电路系统。
A) 使变阻器阻值R b =1. 5R f =1. 5?0. 34?=0. 51?
B) 选择合适的R 1=R 2,由上述讨论并结合工程实际取整的惯例,取定:R 1=R 2=500?.C) 由(25)式限制了放大器增益的取值范围,但是由于分子量级比分母大得多,可以容易的看出其上界可以非常大,并且K 越大,静稳定性越强,所以,本设计中取定K=1000.D) 选择合适的电压表,按照图八所示搭成电路系统。
本设计电路的基本参数如下,所有参数均由上文讨论计算得到:
表3:本文设计的热线风速仪电路参数表Rb 放大器增益电源数字电压计精度0.51欧姆5009V 0.1mV
R1
500欧姆R2500欧姆通过热线的最大电流
0.014A
步骤三:通过理论和实验得到准确的计算公式,形成热线仪的内核。通过(12)式进一步变形可以得到:
2U 1
=(A +
2
0. 5R 1(R w BU ∞)
?R f )
R w
(43)
整理为:
20. 5U 1=(A 1+B 1U ∞)
(44)
其中U 1为测量量即R 1两端的电压。用本文之前的数据理论计算得A 1=7. 48、B 1=15. 83。
为了得到更准确的数据,必须用风洞标定,拟合得到A 1、B 1
11
并以此作为热线仪内核。
步骤四:搭建热线仪整体系统。热线仪的整体系统框图如下:
图9:热线仪的系统框图
至此,整个系统搭建完毕。
4.4假设四讨论
在本设计中,假设四起到重要的作用。援引假设四如下:整个热线的温度是均匀的为t w 。在整个计算的过程中都将热线视为一个温度处理。这样的处理在是否具有工程意义?考虑图十所示的一根热线,将其视为一个具有内热源的圆柱稳态导热模型。由温度分布(
文
L=2mm
图10:将热线视为具有内热源的圆柱稳态导热模型
献1) :
t =t w +
q 2
(r w ?r 2) 4λ
(45)
12
所以:
t o ?t w =t w t w
qr 2
(46)
用上之前得到的物理量量级计算得到:
t o ?t w
=t w
0. 0142?0. 51(10?10?6) 2
97+273
=2. 3?10?16
(47)
所以,可以看出中心温度与外表面温度的差值非常小,可以认为假设四成立,从而将整个热线视为温度均匀。
总结
本文结合当前的科技水平发展趋势,使用最先进的实验关联式深入讨论了热线风速仪的传热学理论问题。并且结合工程实际提出了一种合理的工程实现方案。
参考文献
[1]杨世铭陶文铨,传热学,高等教育出版社,第四版. [2]梅自省,热线风速仪的研制小结,1965年8月
[3]李敏毅甘妙昌马思龙,热线风速仪测量原理简介,广东省计量科学研究所[4]周春平梁彬, 热线风速仪测试系统完善及应用, 哈尔滨哈电实业开发总公司[5]陆青松王元, 热线风速仪制作的初步研究, 南京建筑工程学院学报,2002钲第3期
13
范文三:热线风速仪原理与使用
热线风速仪是将流速信号转变为电信号的一种测速仪器,也可测量流体温度或密度。通
常与A/D板、相应的分析软件组成一整套完整系统,可参见下图。
一、基本原理:
将直径d只有5~10μ、长度l为几mm的铂钨丝的两头焊在支架上制作成热线探头。当
通电时,铂钨丝发热,温度高于周围介质的温度,介质流过探头时带走一部分热量,于是热
线的温度随流速的大小而变化。
除去极小的流速(即与由于温度差引起的自然对流流速相当的流速)外,可以认为热线
的热损失主要是与强迫对流有关,也即损失的热量主要是被气流所带走。
King氏研究了在强迫对流的情况下,流过无限长圆柱的热损失方程,这个方程用无量
纲参数形式写出为
NuABRe,, 一般说来,热线的长径比l/d总超过200,因此可以应用King氏公式。式中的Re即为
雷诺数,A,B为校正常数,Nu为努赛尔特数,这里定义为
Q,Nu,,,,l,()w 其中λ为流体的热传导系数,θ为温度,Q为热量,下标w表示属于热线探头的参数。
如写成有量纲的形式,则为
QABRe,,,,,,,l,,,,w 对于已知的流体介质和探头,λ和l都是常数,可以放到常数A,B中去,于是
QABRe,,,,,,,,,w 电流通过探头所提供的热量为
2QIR,1ww
其中R为探头的电阻,I为通过探头的电流。根据热平衡原理,当达到平衡状态时,气流ww
带走的热量应等于电流对金属丝所加的热量,即Q=Q,于是有 1
2IRABRe,,,,,,,,,www 金属丝的电阻与温度之间有下列关系
RR[1],,,,,,,,wffwf 其中α是温度为θ时热线材料的电阻温度系数,下标f表示属于流体介质的参数。因此 ff
RR,wf,,,,wfR,ff 所以
2IR1ww(ABRe),,RRR,,wfff 同样,若给定探头和流体介质,则许多参数为常数可以归并到常数A、B中去,上式为
2IR.05wwAB,,v,RR,wf
上式就是用热线风速仪测量风速的基本关系式。当保持热线电阻R恒定时,电流I和风ww
速υ有一一对应的关系,这就是恒温式热线风速仪的测速原理。把上式化成电压E与风速?
υ之间的关系有 ?22EAB,,v,
二、一般热线风速仪有两种工作模式:
(1) 恒流式
通过热线的电流保持不变,温度变化时,热线电阻改变,因而两端电压变化,由此测量
流速。
利用风速探头进行测量。风速探头为一敏感部件。当有一恒定电流通过其加热线圈时,
探头内的温度升高并于静止空气中达到一定数值。此时,其内测量元件热电偶产生相应的热
电势,并被传送到测量指示系统,此热电势与电路中产生的基准反电势相互抵消,使输出信
号为零,仪表指针也能相应指于零点或显示零值。若风速探头端部的热敏感部件暴露于外部
空气流中时,由于进行热交换,此时将引起热电偶热电势变化,并与基准反电势比较后产生
微弱差值信号,此信号被测量仪表系统放大并推动电表指针变化从而指示当前风速或经过单
片机处理后通过显示屏显示当前风速数值。
(2)恒温式
热线的温度保持不变,给风速敏感元件电流可调,在不同风速下使处于不同热平衡状态
的风速敏感元件的工作温度基本维持不便,即阻值基本恒定,该敏感元件所消耗的功率为风
速的函数。
恒温风速仪则是利用反馈电路使风速敏感元件的温度和电阻保持恒定。当风速变化时热
敏感元件温度发生变化,电阻也随之变化,从而造成热敏感元件两端电压发生变化,此时反
馈电路发挥作用,使流过热敏感元件的电流发生相应的变化,而使系统恢复平衡。上述过程
是瞬时发生的,所以速度的增加就好像是电桥输出电压的增加,而速度的降低也等于是电桥
输出电压的降低。
三、电路工作原理
现以恒温式热线风速仪为例来说明它的工作原理(如图1)。把探头接在风速仪电路中
电桥的一臂,探头的电阻记为
R,其他三臂的电阻分别为R,R和R。其中R= R,Rp12b12b
为一可调的十进制精密电阻。此时,要求热线探头的电阻温度系数很高,而相反的却要求
R,R和R的电阻温度系数很小。 12b
图 1- 1 热线风速仪电路原理图 R叫做冷电阻,各个探头有其不同的冷电阻值。测试时,f在电桥AC两端加上电压E,当电桥平衡时,BD间无电位差,此时,没有信号输出。把一个未知电阻值的探头接入桥路中,调节R使电桥平衡,这时十进位电阻器R上的数bb当探头没有加热时,探头的电阻值值就是冷电阻的数值,即为R。按照所选定的过热比调节R,使它的数值高出R,一般推fbf荐值为1.5R。这是,仪器中的电路能自动回零反馈,使I增加,从而使热线探头的温度fw
升高、电阻增大,一直达到R=R为止,这时热线上的温度已升高到θ,θ高于流体介wbww质的温度θ。 f
由于气流流过探头带走了热量,因而热线温度θ降低,流速越大,探头热损失就越大。f
系统为了维持热线温度不变,即电阻值不变,流经热线探头的电流I就将自动增大,因而w电压E增大,这样,就可建立起电压E与流速υ之间的关系。 ?
四、探头:
1. 探头结构:
标准的热线探头由两根支架张紧一根短而细的金属丝组成。金属丝通常用铂、铑、钨等
熔点高、延展性好的金属制成。常用的丝直径为5μm,长为2 mm;最小的探头直径仅1μm,长为0.2 mm。
根据不同的用途,热线探头还做成双丝、三丝、斜丝及V形、X形等。为了增加强度,有时用金属膜代替金属丝,通常在一热绝缘的基体上喷镀一层薄金属膜,称为热膜探头。
2. 测量原理:
主要考虑探头与被测流体之间的混合对流换热作用,确定相应的换热系数,即Nu数。
换热量:Qc = Nu? A ? (Tw -Ta)
其中,Tw为流体温度;Ta为探头温度
Nu数: Nu = hd/kf = f (Re, Pr, M, Gr,~, ,
可以看到,任何可能改变换热系数的因素都会引起测量误差。这其中包括系统因素,如,
环境温度的改变,墙体等边界条件的改变以及探头周围涡的耗散;非系统因素,如,流体中
的污染物粒子,水中的空气泡,探头的震动等。
范文四:风速仪的工作原理
风速仪的工作原理:www.ytnyq.com www.bjytn18.com
风速的测定常用的仪器有杯状风速计、翼状风速计、卡他温度计和热球式电风速计。翼状和杯状风速计使用简便,但其惰性和机械磨擦阻力较大,只适用于测定较大的风速。
热球式电风速计
1.构造原理是一种能测低风速的仪器,其测定范围为0.05-10m/s。它是由热球式测杆探和测量仪表两部分组成。探头有一个直径0.6mm的玻璃球,球内绕有加热玻璃球用的镍铬丝圈和两个串联的热电偶。热电偶的冷端连接在磷铜质的支柱上,直接暴露在气流中。当一定大小的电流通过加热圈后,玻璃球的温度升高。升高的程度和风速有关,风速小时升高的程度大;反之,升高的程度小。升高程度的大小通过热电偶在电表上指示出来。根据电表的读数,查校正曲线,即可查出所的风速(m/s)。
2.使用方法
? 使用前观察电表的指针是否指于零点,如有偏移,可轻轻调整电表的机械调整螺丝,使指针回到零点;
?将校正开关置于断的位置;
?将测杆插头插在插座上,测杆垂直向上放置,螺塞压紧使探头密封,“校正开关”置于满度位置,慢慢调整“满度调节”旋纽,使电表指针指在满度位置;
?将“校正开关”置于“零位”,慢慢调整“粗调”、“细调”两个旋纽,使电表指针指在零点的位置;
?经以上步骤后,轻轻拉动螺塞,使测杆探头露出(长短可根据需要选择),并使探头上的红点面对对着风向,根据电表度读数,查阅校正曲线,即可查出被测风速;
?在测定若干分后(10min左右),必须重复以上?、?步骤一次,使仪表内的电流得到标准化;?测毕,应将“校正开关”置于断的位置。
风速仪的工作原理:www.ytnyq.com www.bjytn18.com
3.注意事项
?本仪器为一较精密的仪器,严防碰撞振动,不可在含尘量过多或有腐蚀性的场所使用。
?仪器内装有4节电池,分为两组一组是三节串联的,一组是单节的。在调整“满度调节”旋纽时,如果电表不能达到满刻度,说明单节电池已耗竭;在调整“粗调”、“细调”旋纽时,如果电表电表指针不能回到零点,说明三节电池已耗竭;更换电池时将仪器底部的小门打开,按正确的方向接上。
?仪器维修后,必须重新校正。
范文五:KA23热线风速仪的特点
KA23热线风速仪的特点:
?kA23热式风速仪 与 KA22/31相比,体积缩小 30%,电池寿命延长 25%
?Kanomax kA23热线风速仪 .5inch 彩色大屏幕,风速、风温同时显示
?Kanomax kA23热线风速仪 数字、模拟双视图显示、具备
三级亮度背光选择功能
?Kanomax kA23热线风速仪 具备风速判定测试模式, 任意
设置上下限
?Kanomax kA23热线风速仪 具备风速统计计算功能
?Kanomax kA23热线风速仪 热式风速仪市场上探头最坚
固耐用的便携式风速仪。
?Kanomax kA23热线风速仪 风速仪多参数测试:风速、风温同时检测
?Kanomax kA23热线风速仪 超高精度:±2%FS
?Kanomax kA23热线风速仪 同热式风速仪相比,探头坚固耐用,测试精度更高
?Kanomax kA23热线风速仪 同叶轮风速计相比,测试精度高,更易于测试狭小空间的气流 ?Kanomax kA23热线风速仪 风速两档切换,设计更合理,测试更方便
?Kanomax kA23热线风速仪 同 KA22相比,增加了风压测试功能
KA23热线风速仪的技术参数:
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