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1概述
變風量末端裝置是變風量空調(diào)系統(tǒng)的主要設備之一。風速傳感器又是變風量末端裝置的關鍵部件,因此,風速傳感器的類型與性能直接影響系統(tǒng)風量的檢測和控制質(zhì)量。風速傳感器一般由各末端裝置生產(chǎn)廠家自行開發(fā)或委托控制設備商配套生產(chǎn)。風速傳感器品種繁多,最常用的是皮托管式風速傳感器,超聲波渦旋式風速傳感器,螺旋槳風速傳感器和熱線、熱膜式風速傳感器等。
目前,我國及歐美各廠家的變風量末端裝置均采用皮托管式風速傳感器,而日本各廠家無一采用皮托管式風速傳感器。風速測量的方法多種多樣,風速檢測范圍、精度要求、使用要求都是選擇風速傳感器的主要依據(jù)。風速測量方法有氣壓法、機械法與散熱率法等。氣壓法是通過測量全壓和靜壓的差值求得風速,如皮托管式風速傳感器;機械法是利用流體的動壓推動機械裝置旋轉(zhuǎn)來求得風速,如螺旋槳風速傳感器;散熱率法利用流速與散熱率成對應關系的原理,通過測量相等散熱量的時間,或測溫度變化,或保持原溫度的加熱電流量的變化來確定風速。
隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展,激光、超聲波等一些新式的風速傳感器也在風速檢測中使用。
2風速傳感器的基本原理
2. 1 皮托管式風速傳感器
皮托管是測壓管,由于其結(jié)構(gòu)簡單,使用方便,理論研究完善而得到廣泛應用。皮托管根據(jù)流體流動引起的壓差進行流速檢測[1 ] 。
標準皮托管是一根彎成直角的金屬細管,它由感測頭、外管、內(nèi)管、管柱與全壓、靜壓引出導管等組成。在皮托管頭部的頂端,迎著來流開有一個小孔,小孔平面與流體流動方向垂直。在皮托管頭部靠下游的地方,環(huán)繞管壁的外側(cè)又開了多個小孔,流體流動的方向與這些小孔的孔面相切。頂端的小孔與側(cè)面的小孔分別與兩條互不相通的管路相連。進入皮托管頂端小孔的氣流壓力(稱為全壓) ,除了流體本身的靜壓,還含有流體滯止后由動能轉(zhuǎn)變來的那部分壓力,而進入皮托管側(cè)面小孔的氣流壓力僅僅是流體的靜壓,根據(jù)全壓和靜壓即可求出動壓,從而求出風速。用皮托管只能測量某一點處的流速,而流體在管道中流動時,同一截面上各點的流速各不相同。
在變風量末端裝置中,由于管道截面較大,測量某一點的流速不能反映該截面的平均流速。實際上,人們采用一種變形的皮托管即均速管來測量流經(jīng)末端裝置的風速,對被測截面上各測點的動壓取平均值,求取平均流速。
均速管也稱為阿紐巴。一般用于圓形管道,用一根細的管子插入變風量裝置的入口,將被測截面分成若干區(qū)域,在每個區(qū)域中心位置的細管上開小孔作為測點,迎著氣流方向,這些孔就是全壓測孔,同時,在另一根相同截面的細管的背流方向開一個或多個靜壓測壓孔。變風量末端裝置的皮托管式風速傳感器本身不輸出電信號,只能輸出壓差信號。用皮托管式風速傳感器測出的壓差與空氣流速呈二次曲線關系,其數(shù)學表達式Δp = K ρ v2
式中 Δp ———皮托管式風速傳感器的輸出壓差,Pa ;
K ———皮托管式風速傳感器放大系數(shù), K值最大為3 ,一般K ≤2 ;
v ———測點處氣流的速度,m/ s ;
ρ———流體密度,kg/ m3 。
皮托管式風速傳感器由銅管或不銹鋼管制成[2 ] ,其外徑越小對氣流干擾越小,測量精度越高。
一般來說,全壓測孔的總面積應小于測壓管總面積的3 %。為了保證傳感器具有足夠的剛度,一般測壓管的外徑與管道內(nèi)徑之比在0. 04～0. 09 之間,測壓管上全壓測孔的直徑應是測壓管內(nèi)徑的0. 2～0. 3 倍,且應在0. 5～1.
2. 2 螺旋槳風速傳感器
螺旋槳風速傳感器由螺旋槳葉片、傳感器軸、傳感器支架及磁感應線圈等組成①。它利用流動空氣的動能來推動傳感器的螺旋槳旋轉(zhuǎn),然后通過螺旋槳的轉(zhuǎn)速求出流過末端裝置的空氣流速。螺旋槳風速傳感器可以分成平行軸式和垂直軸式兩種形式。
螺旋槳風速傳感器具有下列特點:
1) 利用磁石環(huán)抗磁芯子,不用接觸就能檢測出螺旋槳轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速,有良好的可靠性和耐久性,使用壽命長;
2) 利用飛散效果使空氣中的塵粒無法附著在葉輪上,使塵粒對傳感器部件的影響減至最小;
3) 軸承采用性能良好的樹脂制作,在制造階段進行了特殊處理,潤滑油分散在軸承中,不需添加潤滑油就可使用,使得軸承和葉輪長軸之間幾乎沒有磨損;
4) 幾乎不需維護和保養(yǎng)。螺旋槳風速傳感器的量程為1～
2. 3 超聲波式風速傳感器
超聲波式風速傳感器可以分成主動型傳感器、被動型傳感器、渦流(街) 式傳感器、相關式傳感器等類型。
2. 4 霍耳效應電磁風速傳感器
在半導體上通電并將其置于磁場中,如果磁場與電流的方向垂直,則在磁場的作用下,載流子(電子或空穴) 的運動方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。在垂直于電流和磁場的方向上就會形成電荷積累,出現(xiàn)電勢差。其輸出電壓與磁場強度成正比。這一現(xiàn)象稱為霍耳效應( Hall effect) 。
盡管人們早在1879 年就知道了霍耳效應,但直到20 世紀60 年代末,隨著CMOS(complementary metalOoxide semiconductor ,互補性氧化金屬半導體) 技術(shù)的不斷發(fā)展,出現(xiàn)了具有成本低、質(zhì)量好、性能可靠、體積小等多種優(yōu)點的霍耳傳感器。芯片集成技術(shù)的發(fā)展,減少了電壓偏置與漂移問題�；舳姶艂鞲衅髂茌^好地應用于一些較惡劣如受灰塵、溫度、振動及其他與環(huán)境相關因素影響的場合。
霍耳效應電磁風速傳感器將霍耳元件固定在傳感器支架上,將永磁鐵安裝在風動簧片上(倒過來也可以) 。風速推動簧片變形,改變霍耳元件與永磁鐵的距離�；舳c永磁鐵距離的改變,改變了加在霍耳元件上的磁場,從而引起霍耳元件感應電壓的改變�；舳袘妷旱母淖兞拷�(jīng)反向放大電路放大,變?yōu)榛舳姶棚L速傳感器的輸出電壓。風速越大,霍耳元件與永磁鐵的距離越遠,霍耳元件感應電壓越小,反向放大電路的輸出越大,霍耳效應電磁風速傳感器的輸出電壓也越大。
這種傳感器構(gòu)造簡單,無磨損件,抗灰塵。缺點是彈性簧片的彈性決定了風速傳感器的測量精度和耐用性。簧片的形狀和彈性及表面光潔度均影響風速測量性能�；善瑥椥缘哪途眯栽胶�,傳感器的耐用性越好。該風速傳感器的量程為1～20m/ s ,全量程范圍內(nèi)測量精度為±1. 1 % ,最大誤差為±0.
熱線式風速傳感器是以熱絲(鎢絲或鉑絲) 或是以熱膜(鉑或鉻制成薄膜) 為探頭,裸露在被測空氣中,并將它接入惠斯頓電橋,通過惠斯頓電橋的電阻或電流的平衡關系,檢測出被測截面空氣的流速。熱膜式風速傳感器的熱膜外涂有極薄的石英膜絕緣層,以便和流體絕緣,并可防止污染,可在帶有顆粒的氣流中工作,其強度比金屬熱線絲高。
當空氣溫度穩(wěn)定不變時,熱絲上的耗電功率等于熱絲在空氣中瞬時耗去的熱量。熱絲電阻隨溫度而變化,熱線的電阻和熱線溫度在通常溫度范圍(0～300 ℃) 之內(nèi),表現(xiàn)為線性關系。放熱系數(shù)與氣流速度有關,流速越大,對應的放熱系數(shù)也越大,即散熱快;流速小,則散熱慢。
熱線、熱膜式風速傳感器所測氣流速度是電流與電阻的函數(shù)。將電流(或電阻) 保持不變,所測氣流速度僅與電阻(或電流) 一一對應。熱線式風速傳感器有恒流與恒溫兩種設計電路。恒溫式熱線風速傳感器較為常用。恒溫法原理是測量過程中保持熱絲溫度恒定,使電橋平衡,此時熱絲電阻保持不變,氣流速度只是電流的單值函數(shù),根據(jù)已知的氣流速度與電流的關系可求得通過末端裝置的氣流速度。
恒流式熱線風速傳感器在測量過程中保持流經(jīng)熱絲的電流值不變。當電流值不變時,氣流速度僅僅與熱絲電阻有關。根據(jù)已知的氣流速度與熱絲電阻的關系可求得通過風速傳感器的氣流速度。熱線式風速傳感器有X 形、V 形以及平行形等種類。熱線式風速傳感器可測量脈動風速。恒流式風速傳感器熱慣性較大,恒溫式風速傳感器的熱慣性相對較小,具有較高的速度響應。熱線式風速傳感器的測量精度均不很高,使用時要注意溫度補償。
3 變風量末端裝置選型及系統(tǒng)設計要點
根據(jù)配置風速傳感器不同,變風量末端裝置可以分成兩類,一類是以歐美和我國變風量末端裝置廠家為代表的配置皮托管式風速傳感器的高速變風量末端裝置,另一類是以日本各廠家為代表的采用非皮托管式風速傳感器的低速變風量末端裝置。
因此,設計人員在末端裝置選型之前,必須確定采用高速還是采用低速變風量末端裝置。當采用高速變風量末端裝置時,設計風速應控制在12～16m/ s 范圍內(nèi),最小風速必須大于
變風量空調(diào)系統(tǒng)設計時,系統(tǒng)接末端裝置支風管的設計風速必須與所選用的末端裝置風速要求一致。當實際所購末端裝置與設計末端裝置不一致時,須調(diào)整支管管道尺寸。如設計時采用日本公司的低速變風量末端裝置,實際訂貨是美國公司的高速變風量末端裝置,則原先設計的平均風速為
4結(jié)語
各種變風量末端裝置的主要差別在于其所用的風速傳感器,不同的風速傳感器有其不同的風速測量范圍和測量精度。設計人員只有充分了解所用的變風量末端裝置的基本參數(shù)及性能才能設計出合理、高效、節(jié)能的變風量空調(diào)系統(tǒng)。
