風速測定儀熱線風速儀

熱線風速儀(Hot wire Anemometer，簡稱HWA)，發(fā)明于20世紀20年代。其基本原理是將一根細的金屬絲放在流體中，通電流加熱金屬絲，使其溫度高于流體的溫度，因此將金屬絲稱為"熱線"。當流體沿垂直方向流過金屬絲時，將帶走金屬絲的一部分熱量，使金屬絲溫度下降。根據(jù)強迫對流熱交換理論，可導出熱線散失的熱量Q與流體的速度v之間存在關(guān)系式(D3.4.4a)

上式稱為金(L.V.King,1914)公式，R、I分別為熱線的電阻和流過的電流強度，ΔT為熱線與流體的溫度差，A、B為與流體和熱線有關(guān)的物理常數(shù)?？紤]到熱線材料的電阻溫度特性，(D3.4.4a)式可化為(D3.4.4b)

上式中U為熱線的輸出電壓，A'，B'為與熱線的電阻溫度系數(shù)有關(guān)的物理常數(shù)，由實驗確定。這樣通過測量熱線兩端的電壓，即可確定流速。

標準的熱線探頭由兩根支架張緊一根短而細的金屬絲組成，如圖2.1所示。金屬絲通常用鉑、銠、鎢等熔點高、延展性好的金屬制成。常用的絲直徑為5μm，長為2 mm;最小的探頭直徑僅1μm，長為0.2 mm。根據(jù)不同的用途，熱線探頭還做成雙絲、三絲、斜絲及V形、X形等。為了增加強度，有時用金屬膜代替金屬絲，通常在一熱絕緣的基體上噴鍍一層薄金屬膜，稱為熱膜探頭，如圖2.2所示。 熱線探頭在使用前必須進行校準。靜態(tài)校準是在專門的標準風洞里進行的，測量流速與輸出電壓之間的關(guān)系并畫成標準曲線;動態(tài)校準是在已知的脈動流場中進行的，或在風速儀加熱電路中加上一脈動電信號，校驗熱線風速儀的頻率響應(yīng)，若頻率響應(yīng)不佳可用相應(yīng)的補償線路加以改善。

(1)體積小，對流場干擾小;

(2)適用范圍廣。不僅可用于氣體也可用于液體，在氣體的亞聲速、跨聲速和超聲速流動中均可使用;除了測量平均速度外，還可測量脈動值和湍流量;除了測量單方向運動外還可同時測量多個方向的速度分量。

(3)頻率響應(yīng)高，可高達1 MH z。

(4)測量精度高，重復性好。熱線風速儀的缺點是探頭對流場有一定干擾，熱線容易斷裂。

(1)測量平均流動的速度和方向。

(2)測量來流的脈動速度及其頻譜。

(3)測量湍流中的雷諾應(yīng)力及兩點的速度相關(guān)性、時間相關(guān)性。

(4)測量壁面切應(yīng)力(通常是采用與壁面平齊放置的熱膜探頭來進行的，原理與熱線測速相似)。

(5)測量流體溫度(事先測出探頭電阻隨流體溫度的變化曲線，然后根據(jù)測得的探頭電阻就可確定溫度。除此以外還開發(fā)出許多專業(yè)用途。

本儀器主要與本實驗室實驗風洞配套使用。在老師的指導下，學生了解儀器的原理、性能和操作方法，對風洞實驗段進行實際測量;經(jīng)報名參加部分科研項目的測試。

熱線風速儀hot-wire anemometer

將流速信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕囊环N測速儀器，也可測量流體溫度或密度。其原理是，將一根通電加熱的細金屬絲(稱熱線)置于氣流中，熱線在氣流中的散熱量與流速有關(guān)，而散熱量導致熱線溫度變化而引起電阻變化，流速信號即轉(zhuǎn)變成電信號。它有兩種工作模式:

①恒流式。通過熱線的電流保持不變，溫度變化時，熱線電阻改變，因而兩端電壓變化，由此測量流速;

②恒溫式。熱線的溫度保持不變，如保持150℃，根據(jù)所需施加的電流可度量流速。恒溫式比恒流式應(yīng)用更廣泛。熱線長度一般在0.5~2毫米范圍，直徑在1~10微米范圍，材料為鉑、鎢或鉑銠合金等。若以一片很薄(厚度小于0.1微米)的金屬膜代替金屬絲，即為熱膜風速儀，功能與熱絲相似，但多用于測量液體流速。熱線除普通的單線式外，還可以是組合的雙線式或三線式，用以測量各個方向的速度分量。從熱線輸出的電信號，經(jīng)放大、補償和數(shù)字化后輸入計算機，可提高測量精度，自動完成數(shù)據(jù)后處理過程，擴大測速功能，如同時完成瞬時值和時均值、合速度和分速度、湍流度和其他湍流參數(shù)的測量。熱線風速儀與皮托管相比，具有探頭體積小，對流場干擾小;響應(yīng)快，能測量非定常流速;能測量很低速(如低達0.3米/秒)等優(yōu)點。

多功能風速表AM4836C

參數(shù)

1一般參數(shù)

顯 示 器: 13 mm 4位液晶

測量單位: 速度:米/秒,千米/時,呎/分,節(jié)

流 量: CMM(米³/分)

CFM(呎³/分)

風 級: 蒲福氏風級

浪 高: 米

風 向: °以正北方向為基準

溫 度: ℃ & ℉

數(shù)據(jù)保持: 最大值

記 憶: 24 組

采樣速率: 約1秒

傳 感 器: 風速/流量:3杯

風 向: 低摩擦方向指針

溫 度: 熱敏電阻

自動關(guān)機: 0-9 分鐘之間任意設(shè)定

數(shù)據(jù)輸出: RS 232 C 數(shù)據(jù)接口

操作溫度: 0℃ - 50℃(32℉ ~ 122℉)

操作濕度: 最大80%RH

電 源: 4節(jié)7號電池

重 量: 約260克.包括電池和傳感器

尺 寸: 3杯傳感器: 65x65x115mm

方向指針: 86x69x115mm

主 機: 156x67x28mm

(6.1x2.6x1.1")

2量程參數(shù)

風速 量程 分辨率 準確度

m/s (米/秒) 0.4-45.0 0.1 m/s ± (2%n+0.1)m/s

km/h (千米/時) 1.4-162.0 0.1 km/hr ±(2%n +0.1km/h)

ft/min (呎/分) 80-8860 0.1 ft/min ±(2%n +1ft/min)

knots (節(jié)) 0.8-88.0 0.1 knots ±(2%n +0.1nots)

流量

CMM (米³/分) 0-9999 0.001~1 ±(2% n+0.1m³/min)

CFM (呎³/分) 0-9999 0.001~1 ±(2% n+0.1ft³/min)

蒲福氏風級 0-12 0.1 ±0.5

風向 0-360° 22.5° ±22.5°

浪高(米) 0-14 0.1 ±0.1

溫度 32 - 140℉ 0.1 ℉ 0.9 ℉

0-60 ℃ 0.1 ℃ 0.5 ℃

0至100m/s的流速測量范圍可以分為三個區(qū)段:低速:0至5m/s;中速:5至40m/s;高速:40至100m/s。風速儀的熱敏式探頭用于0至5m/s的精確測量;風速儀的轉(zhuǎn)輪式探頭測量5至40m/s的流速效果最理想;而利用皮托管則可在高速范圍內(nèi)得到最佳結(jié)果。正確選擇風速儀的流速探頭的一個附加標準是溫度，通常風速儀的熱敏式傳感器的使用溫度約達+-70C。特制風速儀的轉(zhuǎn)輪探頭可達350C。皮托管用于+350C以上。具體細節(jié)如下:

1 風速儀的熱敏式探頭

風速儀的熱敏式探頭的工作原理是基于冷沖擊氣流帶走熱元件上的熱量，借助一個調(diào)節(jié)開關(guān)，保持溫度恒定，則調(diào)節(jié)電流和流速成正比關(guān)系。當在湍流中使用熱敏式探頭時，來自各個方向的氣流同時沖擊熱元件，從而會影響到測量結(jié)果的準確性。在湍流中測量時，熱敏式風速儀流速傳感器的示值往往高于轉(zhuǎn)輪式探頭。以上現(xiàn)象可以在管道測量過程中觀察到。根據(jù)管理管道紊流的不同設(shè)計，甚至在低速時也會出現(xiàn)。因此，風速儀測量過程應(yīng)在管道的直線部分進行。直線部分的起點應(yīng)至少在測量點前10×D(D=管道直徑，單位為CM)外;終點至少在測量點后4×D處。流體截面不得有任何遮擋。(棱角，重懸，物等)

2 風速儀的轉(zhuǎn)輪式探頭

風速儀的轉(zhuǎn)輪式探頭的工作原理是基于把轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換成電信號，先經(jīng)過一個臨近感應(yīng)開頭，對轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)動進行"計數(shù)"并產(chǎn)生一個脈沖系列，再經(jīng)檢測儀轉(zhuǎn)換處理，即可得到轉(zhuǎn)速值。風速儀的大口徑探頭(60mm,100mm)適合于測量中、小流速的紊流(如在管道出口)。風速儀的小口徑探頭更適于測量管道橫截面大于探險頭橫截面貌一新100倍以上的氣流。

整個感應(yīng)部分安裝在一根垂直旋轉(zhuǎn)軸上，在風力的作用下，風杯繞軸以正比于風速的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。另一種旋轉(zhuǎn)式風速計為旋槳式風速計，由一個三葉或四葉螺旋槳組成感應(yīng)部分，將其安裝在一個風向標的前端，使它隨時對準風的來向。槳葉繞水平軸以正比于風速的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。常用的風速計類型還有:利用被加熱物體的散熱率與風速相關(guān)原理制成的熱線風速計;利用聲波傳布速度受風速影響因而增加和減低原理制成的超聲波風速表。

廣泛應(yīng)用于鍋爐、制冷、暖通、通風管道、環(huán)境監(jiān)測、航海測量中的數(shù)據(jù)采集，以及天氣預報、野外作業(yè)和消防部門的數(shù)據(jù)采集。