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熱線風速儀原理和使用

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發布人:奔普儀器   瀏覽   次【字號 】 發布時間:2012年6月20日 打印本頁
熱線風速儀原理和使用
熱線風速儀的原理
熱線風速儀hot-wire anemometer
將流速信號轉變為電信號的一種測速儀器,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,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℃,根據所需施加的電流可度量流速。恒溫式比恒流式應用更廣泛。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,經放大、補償和數字化后輸入計算機,可提高測量精度,自動完成數據后處理過程,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;響應快,能測量非定常流速;能測量很低速(如低達0.3米/秒)等優點。
熱線風速儀介紹
熱線風速儀(Hot wire Anemometer,簡稱HWA),發明于20世紀20年代。熱線風速儀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的物理常數。考慮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有關的物理常數,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系并畫成標準曲線;動態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,若頻率響應不佳可用相應的補償線路加以改善。
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