熱線風速儀

熱線風速儀

熱線風速儀是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。

科技名詞定義

中文名稱:熱線風速儀

英文名稱:hot-wire anemometer

簡介

其原理是,將一根通電加熱的細金屬絲(稱熱線)置於氣流中,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恆流式。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恆溫式。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。恆溫式比恆流式套用更廣泛。

熱線特點

熱線長度一般在0.5~2毫米範圍,直徑在1~10微米範圍,材料為鉑、鎢或鉑銠合金等。若以一片很薄(厚度小於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,但多用於測量液體流速。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、補償和數位化後輸入計算機,可提高測量精度,自動完成數據後處理過程,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;回響快,能測量非定常流速;能測量很低速(如低達0.3米/秒)等優點。

原理

流速計的一種,它的作用原理是將感測元件——一根通以電流而被加熱的細金屬絲置於通道中,當氣體流過它時則將帶走一定的熱量,此熱量與流體的速度有關。其流速的確定,常用的有兩種方法:一是定電流法,即加熱金屬絲的電流不變,氣體帶走一部分熱量後金屬絲的溫度就降低,流速愈大溫度降低得就愈多;測得金屬絲的溫度則可得知流速的大小。另一種是定電阻法(即定溫度法),改變加熱的電流使氣體帶走的熱量得以補充,而使金屬絲的溫度保持不變(也稱金屬絲的電阻值不變);這時流速愈大則所需加熱的電流也愈大,測得加熱電流值則可得知流速的大小。

工作模式

熱線風速儀有兩種工作模式:

1. 恆流式,亦稱定電流法,即加熱金屬絲的電流保持不變,氣體帶走一部分熱量後金屬絲的溫度就降低,流速愈大溫度降低得就愈多;溫度變化時,熱線電阻改變,兩端電壓變化,因而測得金屬絲的溫度則可得知流速的大小。

2. 恆溫式,亦稱定電阻法(即定溫度法),改變加熱的電流使氣體帶走的熱量得以補充,而使金屬絲的溫度保持不變(也稱金屬絲的電阻值不變)如保持150℃,;這時流速愈大則所需加熱的電流也愈大,根據所需施加的電流(加熱電流值)則可得知流速的大小。恆溫式比恆流式套用更廣泛。

用途

熱線風速儀的主要用途有以下幾點:

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力及兩點的速度相關性、時間相關性。

4.測量壁面切應力(通常是採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,然後根據測得的探頭電阻就可確定溫度),除此以外還開發出許多專業用途。

風速儀選型指南

風速(流速)測試有平均風速的測試和紊流成分(風的亂流1~150KHz、與變動不同)的測試。熱式風速計是測試平均風速的。測試平均風速的方法有熱式、超音波式、葉輪式、及皮拖管式等,但在這些方式中,熱線式風速計是利用熱耗散的原理。下面,對這些風速的測定方法做一下說明。

熱式風速計

・該方式是測試處於通電狀態下感測器因風而冷卻時產生的電阻變化,由此測試風速。不能得出風向的信息。

・除攜帶容易方便外,成本性能比高,作為風速計的標準產品廣泛地被採用。

・熱式風速計的素子有使用白金線、電熱偶、半導體的。白金線的材質在物質上最穩定。因此,長期安定性、以及在溫度補償方面都具有優勢。

・價格帶:10~50萬円 適用範圍:0.05~50m/s 顯示解析度:0.01m/s 占有率:80%

超音波式

・該方式是測試傳送一定距離的超音波時間,因風的影響而使到達時間延遲,由此測試風速。

・3次方時,可以知道風向。

・感測器部較大,在測試部周圍,有可能發生紊流,使流動不規則。用途受到限定。

・普及度低。

適用範圍:0~10m/s 顯示解析度:0.01m/s 占有率:10%

葉輪式

・該方式是套用風車的原理,通過測試葉輪的轉數,測試風速。

・用於氣象觀測等。

・原理比較簡單,價格便宜,但測試精度較低,所以不適合微風速的測試和細小風速變化的測試。

・普及度低。

適用範圍:1~50m/s 顯示解析度:0.1m/s 市場占有率:10%

皮托管式

・在流動面的正面有與之形成直角方向的小孔,內部藏有從各自孔里分別提取壓力的細管。通過測試其壓力差(前者為全壓、後者為靜壓),就可知道風速。

・原理比較簡單,風速儀價格便宜,但與流動面必須設定成直角,否則不能進行正確的測試。不適合一般用。

・不是作為風速計,而是作為高速域的風速校正來使用。

適用範圍:5~100m/s 顯示解析度:0.01m/s 占有率:很少

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