氣流速度測量-(上)

1第六章氣流速度測量2氣流速度是熱力機(jī)械中工質(zhì)運(yùn)動狀態(tài)的重要參數(shù)之一。要具體了解熱力機(jī)械的運(yùn)動狀況及內(nèi)部的工作過程，需要測量其中的氣流速度。速度是矢量，具有大小和方向。3流速的測量方法機(jī)械方法散熱率法動力測壓法激光多普勒測速技術(shù)(LDV)粒子成象測速技術(shù)(PIV)4現(xiàn)代的流動測量儀器有著共同特點(diǎn)：

利用光纖技術(shù)、芯片技術(shù)、激光技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)、圖形圖象處理技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)等手段，沿著集成化、智能化、數(shù)字化、精確化、光電一體化等思路迅速發(fā)展。5二、散熱率法測量流速

散熱率法測量流速的原理，是將發(fā)熱的測速傳感器置于被測流體中，利用發(fā)熱的測速傳感器的散熱率與流體流速成比例的特點(diǎn)，通過測定傳感器的散熱率來獲得流體的流速?？ㄋ麥囟扔?jì)熱線（膜）風(fēng)速儀61、卡他溫度計(jì)卡他溫度計(jì)：玻璃棒式溫度計(jì)，測量范圍：125-130℉原理：根據(jù)溫度計(jì)的冷卻值測量微風(fēng)速72、熱線熱膜風(fēng)速計(jì)（HWFA）熱線熱膜風(fēng)速儀是利用放置在流場中具有加熱電流的細(xì)金屬絲(直徑1m-10m，長度1-2mm)來測量風(fēng)速的儀器。它是建立在熱平衡原理基礎(chǔ)上的。對熱線材料的要求（鍍鉑鎢絲）電阻溫度系數(shù)要高機(jī)械強(qiáng)度要好電阻率要大熱傳導(dǎo)率要小最大可用溫度要高（1）概況8熱線探針--將金屬絲的兩端焊接到兩根叉桿上,叉桿的另一端引出線,再加上保護(hù)罩并且在保護(hù)罩和叉桿之間裝以絕緣填料,就構(gòu)成了熱線探針。起敏感元件作用的只有中間部分。熱膜探針--由熱膜、襯底、絕緣層和導(dǎo)線幾部分構(gòu)成。所謂熱膜就是噴濺在襯底上的一層很薄的鉑金膜，用熔焊方法將它固定在楔形或圓柱形石英骨架上，其上加有加熱電流。9恒流式風(fēng)速計(jì)(第一代風(fēng)速計(jì),五十年代以前)恒溫式風(fēng)速計(jì)(第二代風(fēng)速計(jì),五十年代以后)反應(yīng)快,時(shí)間常數(shù)小，熱滯后效應(yīng)小，頻率響應(yīng)寬(1MHz)。三階動態(tài)方程，具有三個(gè)以上的調(diào)節(jié)參量，調(diào)節(jié)過程中互相制約，互相影響；系統(tǒng)很不穩(wěn)定，需要做方波試驗(yàn)，調(diào)節(jié)麻煩；頻帶較窄，不適于在高頻流動中使用。熱線熱膜風(fēng)速計(jì)（HWFA）的新發(fā)展10智能流速測量系統(tǒng)(第三代風(fēng)速計(jì)，1995年以后)1.預(yù)移相線路模型,具有五階的動態(tài)方程,完全革除了全部調(diào)節(jié)參量,調(diào)節(jié)簡單。2.動態(tài)偏置的新概念和同步偏置的新線路,線路穩(wěn)定,頻帶寬,動態(tài)性能好,免去了方波試驗(yàn)。3.利用CPU技術(shù),具有智能化功能,多功能多用途的軟件包,自動化程度有重大提高。11熱線的主要優(yōu)點(diǎn)--利用極細(xì)的金屬絲做成具有較大長度直徑比的探針，既減少熱傳導(dǎo)的影響，又具有相當(dāng)好的空間分辨率。頻率響應(yīng)高。熱膜探針的特點(diǎn)：頻率響應(yīng)范圍比熱線窄。上限僅為100kHz工作溫度較低，只比環(huán)境溫度高20度工藝復(fù)雜，制造困難機(jī)械強(qiáng)度比熱線高受振動的影響小，不存在內(nèi)應(yīng)力的問題阻值可由控制熱膜厚度來調(diào)節(jié)熱傳導(dǎo)損失較小圓柱形熱膜探針的優(yōu)點(diǎn)不易被打斷或碰傷細(xì)微粒不會遮斷熱膜有效地拉緊，重復(fù)性好12連續(xù)流中金屬絲的熱耗散規(guī)律熱傳導(dǎo)過程---在設(shè)計(jì)中使之最小熱輻射過程---溫差小自由對流過程---流速大強(qiáng)迫對流過程13與熱損耗有關(guān)的因素介質(zhì)的速度熱線與介質(zhì)之間的溫度差介質(zhì)的物理特性---導(dǎo)熱、密度、粘度、濃度金屬絲的物理特性---電阻溫度系數(shù)、熱導(dǎo)率、電阻率線的尺寸介質(zhì)的可壓縮性流動方向與熱線方向之間的夾角14a恒流型熱線風(fēng)速儀

如果在熱線工作過程中，人為地用一恒值電流對熱線加熱，由于流體對熱線對流冷卻，且冷卻能力隨著流速的增大而加強(qiáng)。當(dāng)流速呈穩(wěn)態(tài)時(shí)，則可根據(jù)熱線電阻值的大小確定流體的速度。15電路簡單16b恒溫型熱線風(fēng)速儀如果在熱線工作過程中，始終保持熱線的溫度不變，則可通過測得流經(jīng)熱線的電流值來確定流體的速度。在實(shí)際測量電路中，測量的不是流經(jīng)電路的電流，而是惠斯頓電橋的橋頂電壓。恒溫風(fēng)速計(jì)的基本原理就是利用反饋電路使熱線溫度和電阻保持恒定。

1712-+RsEb值得注意的是，上述過程是瞬時(shí)發(fā)生的，所以速度的增加就好像是電橋輸出電壓的增加，而速度的降低也等于是電橋輸出電壓的降低。當(dāng)風(fēng)速增加，熱線變冷，電阻Rs降低，1點(diǎn)的電壓隨之降低1點(diǎn)電壓的降低引起了放大器負(fù)端電壓增加，從而使E12增加E12的增加意味著電橋電壓Eb的增加，Eb的增加導(dǎo)致了通過敏感元件是電流Is增大Is的增大意味著重新加熱敏感元件，從而使1點(diǎn)電壓獲得升高，結(jié)果減少了E12，使系統(tǒng)恢復(fù)平衡。1819校準(zhǔn)的原因：1.探針的性能是隨制造工藝、探針尺寸和金屬材料的不同而異。2.探針的性能也和流體的溫度、密度等緊密相關(guān)。3.探針的性能還和污染情況、速度范圍等其它外部條件有關(guān)。4.探針在測量中是和電子儀器結(jié)合在一起使用的，因此真正的響應(yīng)關(guān)系是建立在輸出電壓E和流動速度U之間的。 對于接近于大氣壓條件下的大多數(shù)實(shí)用情形，可以忽略密度變化的影響，校準(zhǔn)表達(dá)式如下：式中E為風(fēng)速計(jì)輸出電壓，A,B為以來于熱線尺寸、流體物理特性和流動條件的常數(shù)，指數(shù)n在一定的速度范圍內(nèi)恒定，在大范圍內(nèi)隨速度而變。(3)熱線風(fēng)速計(jì)的校準(zhǔn)20熱線探頭的實(shí)際特性曲線必須經(jīng)過風(fēng)洞校準(zhǔn)試驗(yàn)求得

按一個(gè)已知速度U，對應(yīng)在風(fēng)速計(jì)上讀出一個(gè)電壓值E來做出E-U曲線，也就是校準(zhǔn)曲線。產(chǎn)生這種已知速度U的裝置稱之為校準(zhǔn)裝置。21(6)熱線風(fēng)速儀的動態(tài)特性熱線風(fēng)速儀用于非穩(wěn)定氣流的測量時(shí)，應(yīng)考慮熱線的熱慣性造成的輸出電壓的相位滯后和幅值減小。在測量線路中串聯(lián)一個(gè)電子動態(tài)補(bǔ)償電路，可使頻率響應(yīng)正好補(bǔ)償熱線本身引起的動態(tài)響應(yīng)誤差，使系統(tǒng)成為一個(gè)線性比例環(huán)節(jié)，從而完全消除動態(tài)響應(yīng)誤差。但該方法需了解熱線時(shí)間常數(shù)值。

恒溫風(fēng)速儀不需要復(fù)雜的電子補(bǔ)償即具有良好的頻率特性。在恒溫風(fēng)速儀中，速度脈動引起的測量橋路不平衡誤差信號，經(jīng)過放大，并按一定的相位關(guān)系反饋到橋路頂端，調(diào)整橋路供電電壓，使測量橋路自動平衡。這種負(fù)反饋?zhàn)饔檬拐麄€(gè)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)比熱線的時(shí)間常數(shù)小500倍，從而大大的拓寬了測量氣流脈動的頻率范圍。 22

恒溫風(fēng)速儀在使用中的關(guān)鍵問題是系統(tǒng)的頻率最佳化的調(diào)節(jié)問題 因?yàn)橄Ｍ谝欢ǖ念l率范圍內(nèi)，風(fēng)速儀對速度脈動的響應(yīng)是均勻的。這就需要最佳化調(diào)節(jié)，最佳化調(diào)節(jié)就是將風(fēng)速儀系統(tǒng)調(diào)節(jié)到測量精度所允許的最寬、最適當(dāng)?shù)念l率響應(yīng)范圍。

方波試驗(yàn)：利用具有高次諧波的方形波這種特殊形狀的電流加在熱絲上，以代替加在熱絲上的實(shí)際風(fēng)速，來調(diào)節(jié)風(fēng)速儀系統(tǒng)的最佳頻率響應(yīng)，得到風(fēng)速計(jì)的截止頻率。23三、動力測壓法測量流速在靜止氣體中，由于不存在切向力，故這個(gè)力與所取面積的方向無關(guān)，稱為靜壓力。對于運(yùn)動流體而言，靜壓可用垂直于流體運(yùn)動方向單位面積上的作用力來衡量?？倝毫κ侵噶黧w在某點(diǎn)速度等熵滯止到零時(shí)所達(dá)到的壓力。24臨界點(diǎn)滯止壓力是指在沒有外力的作用下，流體速度絕熱地減速到零時(shí)所產(chǎn)生的壓力，此時(shí)，流體的全部動能全部絕熱地轉(zhuǎn)變成壓力能?？倝号c靜壓之差稱為動壓25應(yīng)用動力測壓法測量流速的壓力感受元件為測壓管伯努利方程式26忽略流體的粘性、壓縮性，假設(shè)流動是不隨時(shí)間變化的定常流動其中 U---速度

P0--總壓

P----靜壓

----密度27可壓縮氣體28測壓管的使用上限不超過相當(dāng)于馬赫數(shù)為0.25時(shí)的流速測壓管的使用下限為被測量的流速在全壓孔直徑上的雷諾數(shù)需超過20029測壓差的方法（1）利用總壓管、靜壓管，分別測量流體的總壓和靜壓，以確定流體速度。（2）利用專門設(shè)計(jì)的復(fù)合測壓管，同時(shí)測量流體的總壓和靜壓（或兩者之差），以確定流體速度。由測壓管、連接管和顯示或記錄儀表三部分組成的測壓系統(tǒng)，就可以測量流體的流速。301.流體總壓、靜壓的測量(1)

流體總壓測量與測壓管測量流體總壓的總壓管在使用時(shí)，其感壓孔軸線應(yīng)對準(zhǔn)來流方向。希望總壓管對流動方向越不敏感越好31L形總壓管制造容易，使用安裝方便。它對流動偏斜角的靈敏性取決于壓力孔直徑與管子外徑之比以及總壓管頭部的形狀32圓柱形總壓管可以制作得很小，慣性不大，工藝性好，制造容易，使用方便。33套管式總壓管在馬赫數(shù)變化較大范圍內(nèi)，它對流動偏斜角的不靈敏度達(dá)到±(40～50)34（2）流體的靜壓測量與測壓管測量被繞流體表面上某點(diǎn)的壓力或流道壁面上流體的壓力這時(shí)可利用在通道壁面或繞流物體表面開靜壓孔的方法進(jìn)行測量。35確定流場中某點(diǎn)的壓力，也就是運(yùn)動流體的壓力。這時(shí)可以利用尺寸較小具有一定形狀的測壓管插入流體中，進(jìn)行流體壓力測量。L形靜壓管、盤形靜壓管、套管形靜壓管需要測量平直流道內(nèi)的流體靜壓時(shí)可采用在流道壁面開靜壓孔的方法來測量。36372.畢托管分別采用總壓管和靜壓管測得流體的總壓和靜壓，然后利用公式計(jì)算得到流體速度。缺點(diǎn)：不能同時(shí)測得某一點(diǎn)的流體的總壓和靜壓?？赏瑫r(shí)測得流體總壓和靜壓之差的復(fù)合測壓管稱為畢托管（動壓管、速度探針）38特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，使用、制造方便，價(jià)格便宜，堅(jiān)固可靠，精度高。畢托管測量的是空間某點(diǎn)處的平均速度，它的頭部尺寸決定了它的空間分辨率根據(jù)所測量的流體性質(zhì)，將畢托管設(shè)計(jì)成不同的形狀，常用的有L形和T形。39（1）L形畢托管40（2）T形畢托管413.流動方向的測量與復(fù)合測壓管能同時(shí)測出流體的總壓及流速的大小和方向的測壓管稱為復(fù)合測壓管在平面流場的測量中，常用二元復(fù)合測壓管測量流體的總壓、靜壓及流速的大小和方向。圓柱形、管束形和楔形42測量流體總壓測量流動方向43測量空間流動速度的大小和方向及流體的壓力，常用球形五孔三元測壓管、管束形五孔三元測壓管和楔形五孔三元測壓管。4445四流速測量儀表的標(biāo)定

在校正風(fēng)洞中用比較法進(jìn)行標(biāo)定，它將被標(biāo)定的儀表測得的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)儀表測得的數(shù)據(jù)相比較，就可得出被標(biāo)定的儀表的修正系數(shù)或特性曲線。461、熱線風(fēng)速儀的標(biāo)定熱線風(fēng)速儀的標(biāo)定的是熱線風(fēng)速儀測頭的輸出電壓與流體速度的真實(shí)響應(yīng)關(guān)系。標(biāo)定的方法是在校正風(fēng)洞中或其他已知流體流動速度的流場中，對應(yīng)地在熱線風(fēng)速儀上讀出電壓E值，做出E-u標(biāo)定曲線。472、測壓管的標(biāo)定測壓管標(biāo)定的主要目的是為了確定測壓管的校正系數(shù)、方向特性、速度特性等