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热线风速仪
阅读:9459时间:2011-03-10 21:20:58

热线风速仪,英文为Hot wire Anemometer(HWA),是一种以一根通电而被加热的细金属丝为感测元件,将流速信号转变为电信号的测速仪器,也可用于测量流体温度或密度。

概述

  热线风速仪发明于20世纪20年代,需要将一根细的金属丝放在流体中,通电流加热金属丝,使其温度高于流体的温度,因此将金属丝称为“热线”。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。若以一片很薄(厚度小于0.1微米)的金属膜代替金属丝,即为热膜风速仪,功能与热丝相似,但多用于测量液体流速。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

原理

  热线风速仪的基本原理是,将一根通电加热的细金属丝(称热线)置于气流中,热线在气流中的散热量与流速有关,而散热量导致热线温度变化而引起电阻变化,流速信号即转变成电信号。当流体沿垂直方向流过金属丝时,将带走金属丝的一部分热量,使金属丝温度下降。根据强迫对流热交换理论,可导出热线散失的热量Q与流体的速度v之间存在关系式(D3.4.4a)。

  上式称为金(L.V.King,1914)公式,R、I分别为热线的电阻和流过的电流强度,ΔT为热线与流体的温度差,A、B为与流体和热线有关的物理常数。考虑到热线材料的电阻温度特性,(D3.4.4a)式可化为(D3.4.4b)。

  上式中U为热线的输出电压,A’,B’为与热线的电阻温度系数有关的物理常数,由实验确定。这样通过测量热线两端的电压,即可确定流速。

热线风速仪

特点

  1.体积小,对流场干扰小。

  2.适用范围广,可用于气体、液体,在气体的亚声速、跨声速和超声速流动中均可使用;除了测量平均速度外,还可测量脉动值和湍流量;除了测量单方向运动外还可同时测量多个方向的速度分量。

  3.频率响应高,可高达1 MH z。

  4.测量精度高,重复性好。

  5.缺点是探头对流场有一定干扰,热线容易断裂。

工作模式

  热线风速仪有两种工作模式:

  1.恒流式,亦称定电流法,即加热金属丝的电流保持不变,气体带走一部分热量后金属丝的温度就降低,流速愈大温度降低得就愈多;温度变化时,热线电阻改变,两端电压变化,因而测得金属丝的温度则可得知流速的大小。

  2.恒温式,亦称定电阻法(即定温度法),改变加热的电流使气体带走的热量得以补充,而使金属丝的温度保持不变(也称金属丝的电阻值不变)如保持150℃,;这时流速愈大则所需加热的电流也愈大,根据所需施加的电流(加热电流值)则可得知流速的大小。

  恒温式比恒流式应用更广泛。

热线风速仪

用途

  热线风速仪的主要用途有以下几点:

  1.测量平均流动的速度和方向。

  2.测量来流的脉动速度及其频谱。

  3.测量湍流中的雷诺应力及两点的速度相关性、时间相关性。

  4.测量壁面切应力(通常是采用与壁面平齐放置的热膜探头来进行的,原理与热线测速相似)。

  5.测量流体温度(事先测出探头电阻随流体温度的变化曲线,然后根据测得的探头电阻就可确定温度。除此以外还开发出许多用途。

选型指南

     风速(流速)测试有平均风速的测试和紊流成分(风的乱流1~150KHz、与变动不同)的测试。热式风速计是测试平均风速的。测试平均风速的方法有热式、超音波式、叶轮式、及皮拖管式等,但在这些方式中,热线式风速计是利用热耗散的原理。下面,对这些风速的测定方法做一下说明。
     热式风速计
     该方式是测试处于通电状态下传感器因风而冷却时产生的电阻变化,由此测试风速。不能得出风向的信息。
     除携带容易方便外,成本性能比高,作为风速计的标准产品广泛地被采用。
     热式风速计的素子有使用白金线、电热偶、半导体的。白金线的材质在物质上最稳定。因此,长期安定性、以及在温度补偿方面都具有优势。
     价格带:10~50万円 适用范围:0.05~50m/s 显示分辨率:0.01m/s 占有率:80%
     超音波式
     该方式是测试传送一定距离的超音波时间,因风的影响而使到达时间延迟,由此测试风速。
     3次方时,可以知道风向。
     传感器部较大,在测试部周围,有可能发生紊流,使流动不规则。用途受到限定。
     普及度低。
     适用范围:0~10m/s 显示分辨率:0.01m/s 占有率:10%
     叶轮式
     该方式是应用风车的原理,通过测试叶轮的转数,测试风速。
     用于气象观测等。
     原理比较简单,价格便宜,但测试精度较低,所以不适合微风速的测试和细小风速变化的测试。
     普及度低。
     适用范围:1~50m/s 显示分辨率:0.1m/s 市场占有率:10%
     皮拖管式
     在流动面的正面有与之形成直角方向的小孔,内部藏有从各自孔里分别提取压力的细管。通过测试其压力差(前者为全压、后者为静压),就可知道风速。
     原理比较简单,风速仪价格便宜,但与流动面必须设置成直角,否则不能进行正确的测试。不适合一般用。
     不是作为风速计,而是作为高速域的风速校正来使用。
     适用范围:5~100m/s 显示分辨率:0.01m/s 占有率:很少

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