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熱式風(fēng)速儀原理 | ||||||
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1、原理簡(jiǎn)介
熱線測(cè)速儀(Hot wire Anemometer,簡(jiǎn)稱(chēng)HWA),發(fā)明于20世紀(jì)20年代。其基本原理是將一根細(xì)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(chēng)為“熱線”。當(dāng)流體沿垂直方向流過(guò)金屬絲時(shí),將帶走金屬絲的一部分熱量,使金屬絲溫度下降。根據(jù)強(qiáng)迫對(duì)流熱交換理論,可導(dǎo)出熱線散失的熱量Q與流體的速度v之間存在關(guān)系式
上式稱(chēng)為金(L.V.King,1914)公式,R、I分別為熱線的電阻和流過(guò)的電流強(qiáng)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
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(shí)驗(yàn)確定。這樣通過(guò)測(cè)量熱線兩端的電壓,即可確定流速。
2、探頭的結(jié)構(gòu)
標(biāo)準(zhǔn)的熱線探頭由兩根支架張緊一根短而細(xì)的金屬絲組成,如圖2.1所示。金屬絲通常用鉑、銠、鎢等熔點(diǎn)高、延展性好的金屬制成。常用的絲直徑為5μm,長(zhǎng)為2 mm;最小的探頭直徑僅1μm,長(zhǎng)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(qiáng)度,有時(shí)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(chēng)為熱膜探頭,如圖2.2所示。 熱線探頭在使用前必須進(jìn)行校準(zhǔn)。靜態(tài)校準(zhǔn)是在專(zhuān)門(mén)的標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)洞里進(jìn)行的,測(cè)量流速與輸出電壓之間的關(guān)系并畫(huà)成標(biāo)準(zhǔn)曲線;動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)是在已知的脈動(dòng)流場(chǎng)中進(jìn)行的,或在測(cè)速儀加熱電路中加上一脈動(dòng)電信號(hào),校驗(yàn)熱線測(cè)速儀的頻率響應(yīng),若頻率響應(yīng)不佳可用相應(yīng)的補(bǔ)償線路加以改善。
熱線測(cè)速儀的優(yōu)點(diǎn)是(1)體積小,對(duì)流場(chǎng)干擾;(2)內(nèi)部設(shè)有溫度補(bǔ)償,在一定溫度范圍內(nèi)能夠保持高精度。(3)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(dòng)中均可使用;除了測(cè)量平均速度外,還可測(cè)量脈動(dòng)值和湍流量;除了測(cè)量單方向運(yùn)動(dòng)外還可同時(shí)測(cè)量多個(gè)方向的速度分量。(4)頻率響應(yīng)高,可高達(dá)1 MH z。(5)測(cè)量精度高,重復(fù)性好。熱線測(cè)速儀的缺點(diǎn)是探頭對(duì)流場(chǎng)環(huán)境有一定要求。比如,測(cè)試環(huán)境要較潔凈,且測(cè)試探頭對(duì)環(huán)境溫度有一定要求。
熱線測(cè)速儀的主要用途是(1)測(cè)量平均流動(dòng)的速度和方向。(2)測(cè)量來(lái)流的脈動(dòng)速度及其頻譜。(3)測(cè)量湍流中的雷諾應(yīng)力及兩點(diǎn)的速度相關(guān)性、時(shí)間相關(guān)性。(4)測(cè)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(lái)進(jìn)行的,原理與熱線測(cè)速相似)。(5)測(cè)量流體溫度(事先測(cè)出探頭電阻隨流體溫度的變化曲線,然后根據(jù)測(cè)得的探頭電阻就可確定溫度。除此以外還開(kāi)發(fā)出許多專(zhuān)業(yè)用途 |
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