热线风速仪器.ppt

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1、第五章，速度测量刘明侯中国科学技术大学热科学与能源工程系测试理论与仪器仪表Hot-WireAnemometry速度测量手段皮托管热线风速仪（HWA，HotwireAnemometry）激光多普勒测速仪（LDV，PDPA）粒子成像测速系统（PIV）hVelocity大小方向Anemometersignaloutput风速仪输出信号比较1，热线测量的是点速度的模拟信号，随时都有速度的信息.2，LDA信号是随机的，3，PIV提供的是某时刻流场中亮颗粒的速度Idealtransducer理想传感器输出量与被测物理量的幅值成正比空间一点的物理量输出信号与被测量信号变化频率无关输出信号噪音小传感器不

2、干扰物理过程输出信号不受其它量影响Realtransducercharacteristics实际传感器的特点静态传递函数(calibrationcurve)空间分辨率(finitesizeofmeasuringvolume)时间分辨率(frequencyresponse)信噪比（Signal-to-noiseratio）干扰物理过程（Interferenceeffects）非单个过程（Multi-variateresponse）5-1热线风速仪当气流绕被加热的圆柱体作强迫对流时，随着气流速度的增加，圆柱体被带走的热量也增加，温度下降。显然，这一物理过程中，流速与圆柱体温度之间有一定的依赖

3、关系。那么，我们能否根据这一关系，把一根加热丝置于流场中，来测量流体的流动参数呢？圆柱绕流热丝焊接在叉杆上，迎着来流U.给热丝通上电流，加热热丝（电阻）(I2Rw).当达到热平衡时候，与周围介质交换的热量（主要是对流换热）与该加热量相等。PrinciplesofHWAoperation热线工作原理速度变化时，对流换热系数变化，热丝的温度（电阻）变化，电桥有电压输出，直到重新达到平衡。HWA简介19世纪初有人利用这个原理制作了热线风速仪。所谓热线风速仪，就是置于流场中的一根长度为的极细金属丝，其上通以电流加热；当流速变化时，金属丝的温度也相应变化，这种变化导致热丝阻值的变化，从而产生电信号

4、；由于电信号与流速之间建立一一对应的关系，因此，测量出电信号就知道了流场的流速。热线风速仪建立在热平衡原理的基础上的，也就是说热丝电加热的热量等于气流带走的热量。在热平衡过程中，涉及到流速，加热电流，热丝温度（电阻）等参数，该过程可以用传热学的准则方程描述为：热线热平衡方程描述为：金属丝换热的影响因素流动速度V金属丝与气体之间的温度差（Tw－Tf）气体的物理性质金属丝的几何尺寸与物理性质密度，组份热线风速仪分类恒流式热线风速仪（CCA）：当加热电流保持恒定（Iw＝常数），那么热线的温度（电阻）和流速之间建立了确定的函数关系V=f1(Rw)利用该关系测量流体速度的方法，称之为恒流法。用

5、该原理构成的热线称之为恒流式热线风速仪。恒温式热线风速仪（CTA）：当热线的温度（电阻）保持恒定（Rw＝常数），热线电流与气体流速之间确定了函数关系为V＝f2(Iw)，利用该关系测量流速的方法称之为恒温法。用该原理形成的热线风速仪叫恒温式热线风速仪。V＝f(Iw,Rw)历史热线风速仪的原理性实验早在1902年Shakepear在伯明翰就开始了，由于技术条件，被迫停顿。1909年Kennelny和Riabouchinsky等人先后提出了电子风速仪的概念，经过一些研究者的完善，到了1914年King提出了无限长圆柱体与流体之间热对流理论，为热线风速仪提供了理论基础。此后，经历了以平均流速测量

6、为主的发展阶段，同时在探针类型和使用技术上也做了大量探讨，发展了二线探针，三线探针，以及玻璃涂层保护技术，修正温度漂移的辅助线方法等。在工作原理上，明确提出了CCA和CTA两种工作方法，并发展了两种工作方法的测量仪器。历史（续）从平均速度的测量到脉动速度的测量是热线技术发展的一大飞跃，也是热线至今还具有生命力的关键。热线的这个飞跃，关键是确立了恒流工作模式的热滞后效应理论，并发展了热滞后的电子补偿原理及其相应的电子线路。这为以后一段时间内恒流风速仪的应用打下了坚实的基础。在五十年代初期，恒流风速仪的补偿频率范围达到了50KHz左右。此外，恒流风速仪具有灵活调节过热比的特点，因而使它的温度

7、测量和可压速流动速度测量方面比恒温风速仪具有发展前途。历史（续）恒温风速仪的发展是热线技术发展的又一标志。由于恒流热线风速仪的热线热惯性大，因此在脉动速度的测量上受到限制。而恒温热线风速仪热线惯性小，具有快速响应的特点，更重要的是五十年代后的电子技术的快速发展，对热线的热滞后进行了及时的补偿，频率相应达到1兆赫兹以上，该频率使得流体中出现的各种频率量的测量提供了可能。由于线路上的快速补偿，也出现了热膜风速仪，使得该技术可以在受污染的