气流速度测量-(上)
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恒温风速计的基本原理就是利用反馈电路使热线温
度和电阻保持恒定。
16
•当风速增加，热线变冷，电阻Rs降低，1点的电压随之降低 •1点电压的降低引起了放大器负端电压增加，从而使E12增 加 •E12的增加意味着电桥电压Eb的增加， •Eb的增加导致了通过敏感元件是电流Is增大 •Is的增大意味着重新加热敏感元件，从而使1点电压获得升 高，结果减少了E12，使系统恢复平衡。
介质的物理特性 --- 导热、密度、粘度、浓度
金属丝的物理特性 --- 电阻温度系数、热导率、 电阻率 线的尺寸 介质的可压缩性
流动方向与热线方向之间的夹角
13
a 恒流型热线风速仪
如果在热线工作过程中，人为地用一恒值电 流对热线加热，由于流体对热线对流冷却， 且冷却能力随着流速的增大而加强。当流速 呈稳态时，则可根据热线电阻值的大小确定 流体的速度。
圆柱形、管束形和楔形
41
测量流 体总压 测量流 动方向
42
测量空间流动速度的大小和方向及流体 的压力，常用球形五孔三元测压管、管 束形五孔三元测压管和楔形五孔三元测 压管。
43
44
四
流速测量仪表的标定
在校正风洞中用比较法进行标定，它 将被标定的仪表测得的数据与标准仪表 测得的数据相比较，就可得出被标定的 仪表的修正系数或特性曲线。
22
三、动力测压法测量流速
在静止气体中，由于不存在切向力，故这个力 与所取面积的方向无关，称为静压力。
对于运动流体而言，静压可用垂直于流体运动 方向单位面积上的作用力来衡量。 总压力是指流体在某点速度等熵滞止到零时所 达到的压力。
23
临界点
滞止压力是指在没有外力的作用下，流 体速度绝热地减速到零时所产生的压力， 此时，流体的全部动能全部绝热地转变 成压力能。 总压与静压之差称为动压
现代的流动测量仪器有着共同特点：
利用光纤技术、芯片技术、激光技术、数字信号 处理技术、图形图象处理技术以及计算机技术等 手段，沿着集成化、智能化、数字化、精确化、 光电一体化等思路迅速发展。
4
二、散热率法测量流速
散热率法测量流速的原理，是将发热的测速传感 器置于被测流体中，利用发热的测速传感器的散 热率与流体流速成比例的特点，通过测定传感器 的散热率来获得流体的流速。
8
热线热膜风速计（HWFA）的新发展
恒流式风速计(第一代风速计, 五十年代以前) 恒温式风速计(第二代风速计, 五十年代以后)
反应快, 时间常数小，热滞后效应小，频率响应宽(1MHz)。
三阶动态方程，具有三个以上的调节参量，调节过程中互相 制约，互相影响；系统很不稳定，需要做方波试验，调节麻 烦；频带较窄，不适于在高频流动中使用。
速度 总压 静压 密度
26
可压缩气体
1 p0 p u 2 (1 ) 2 M2 2k 4 M 4 24 2 p0 p u 1
27
测压管的使用上限不超过相当于马赫数 为0.25时的流速 测压管的使用下限为被测量的流速在全 压孔直径上的雷诺数需超过200
电阻温度系数要高 机械强度要好 电阻率要大
热传导率要小
最大可用温度要高
7
热线探针--将金属丝的两 端焊接到两根叉杆上,叉杆 的另一端引出线, 再加上 保护罩并且在保护罩和叉 杆之间装以绝缘填料,就构 成了热线探针。起敏感元 件作用的只有中间部分。
热膜探针--由热膜、衬底、绝缘层和导线几部分构成。所谓热膜 就是喷溅在衬底上的一层很薄的铂金膜，用熔焊方法将它固定 在楔形或圆柱形石英骨架上，其上加有加热电流。
根据所测量的流体性质，将毕托管设计成 不同的形状，常用的有L形和T形。
38
（1）L形毕托管
39
（2）T形毕托管
40
3. 流动方向的测量与复合测压管
能同时测出流体的总压及流速的大小和方 向的测压管称为复合测压管
在平面流场的测量中，常用二元复合测压 管测量流体的总压、静压及流速的大小和 方向。
47
a. 总压管的标定
总压管要标定的是总压管的校正系数以及在不 同流速时，总压管对流动偏斜角的不灵敏性。
p0 K0 p '0
48
b. 静压管的标定
静压管要标定的是：
静压管在零偏斜角时，静压管的校正系数或
速度特性，以鉴定静压孔对气流静压的感受 能力
在不同流速时，静压管对气流方向变化的不
24
应用动力测压法测量流速的压力感受元 件为测压管 伯努利方程式 dp udu 0
25
u p1 u p2 C 2 2 p0 p u 2
2 1
2 2
u
2
2
C
其中
忽略流体的粘 性、压缩性， 假设流动是不 随时间变化的 定常流动
( p0 p)
U --P0 -P --- ----
21
恒温风速仪在使用中的关键问题是系统的频率最佳化 的调节问题 因为希望在一定的频率范围内，风速仪对速度脉动的 响应是均匀的。这就需要最佳化调节，最佳化调节就 是将风速仪系统调节到测量精度所允许的最宽、最适 当的频率响应范围。 方波试验：利用具有高次谐波的方形波这种特殊形状 的电流加在热丝上，以代替加在热丝上的实际风速， 来调节风速仪系统的最佳频率响应，得到风速计的截 止频率。
9
智能流速测量系统(第三代风速计，1995年以后)
1. 预移相线路模型, 具有五阶的动态方程, 完全革除了全部调 节参量, 调节简单。 2. 动态偏置的新概念和同步偏置的新线路, 线路稳定, 频带宽, 动态性能好, 免去了方波试验。 3. 利用CPU技术, 具有智能化功能, 多功能多用途的软件包,自 动化程度有重大提高。
卡他温度计
热线（膜）风速仪
5
1、卡他温度计
卡他温度计：玻璃棒式温度计，测量范围：125-130℉ 原理：根据温度计的冷却值测量微风速
6
2、热线热膜风速计（HWFA）
（1）概况
热线热膜风速仪是利用放置在流场中具有加热电流的 细金属丝(直径1m-10m，长度1-2mm)来测量风速的 仪器。它是建立在热平衡原理基础上的。 对热线材料的要求（镀铂钨丝）
35
36
2. 毕托管
分别采用总压管和静压管测得流体的总压 和静压，然后利用公式计算得到流体速度。 缺点：不能同时测得某一点的流体的总压 和静压。 可同时测得流体总压和静压之差的复合测 压管称为毕托管（动压管、速度探针）
37
特点：结构简单，使用、制造方便，价格 便宜，坚固可靠，精度高。 毕托管测量的是空间某点处的平均速度， 它的头部尺寸决定了它的空间分辨率
E A BU
式中E为风速计输出电压，A,B为以来于热线尺寸、流体物理特性和 流动条件的常数，指数n在一定的速度范围内恒定，在大范围内随 速度而变。
19
热线探头的实际特性曲线必须经过风洞校准试验求得
按一个已知速度U，对应在风速计上读出一个电压值E来做出E-U 曲线，也就是校准曲线。产生这种已知速度U的装置称之为校准 装置。
32
套管式总压管
在马赫数变化较大范围内， 它对流动偏斜角的不灵敏 度达到±(40～50)
33
（2）流体的静压测量与测压管
测量被绕流体表面上某点的压力或流道
壁面上流体的压力
这时可利用在通道壁面或绕流物体表面 开静压孔的方法进行测量。
34
确定流场中某点的压力，也就是运动流体
的压力。 这时可以利用尺寸较小具有一定形状的测 压管插入流体中，进行流体压力测量。 L形静压管、盘形静压管、套管形静压管 需要测量平直流道内的流体静压时可采用 在流道壁面开静压孔的方法来测量。
第六章 气流速度测量
1
气流速度是热力机械中工质运动状态的重 要参数之一。
要具体了解热力机械的运动状况及内部的 工作过程，需要测量其中的气流速度。 速度是矢量，具有大小和方向。
2
流速的测量方法
机械方法
散热率法
动力测压法 激光多普勒测速技术(LDV) 粒子成象测速技术(PIV)
3
10
热线的主要优点--利用极细的金属丝做成具有较大长度直径比
的探针，既减少热传导的影响，又具有相当好的空间分辨率。频 率响应高。
热膜探针的特点：
频率响应范围比热线窄。上限仅为100kHz 工作温度较低，只比环境温度高20度 工艺复杂，制造困难 机械强度比热线高 受振动的影响小，不存在内应力的问题 阻值可由控制热膜厚度来调节 热传导损失较小
灵敏性
49
c. 毕托管的标定
毕托管要标定的是毕托管的校正系数以及在不 同流速时，毕托管对流动偏斜角的不灵敏性
p0 p Ku p '0 p '
50
d. 测压管的标定方法
测压管的标定是在校正风洞内采用比较法进 行标定的。
51
45
1、热线风速仪的标定
热线风速仪的标定的是热线风速仪测头的
输出电压与流体速度的真实响应关系。
标定的方法是在校正风洞中或其他已知流
体流动速度的流场中，对应地在热线风速 仪上读出电压E值，做出E-u标定曲线。
46
2、 测压管的标定
测压管标定的主要目的是为了确定测压 管的校正系数、方向特性、速度特性等 内容。
20
(6) 热线风速仪的动态特性
热线风速仪用于非稳定气流的测量时，应考虑热线的热惯性 造成的输出电压的相位滞后和幅值减小。 在测量线路中串联一个电子动态补偿电路，可使频率响应正 好补偿热线本身引起的动态响应误差，使系统成为一个线性 比例环节，从而完全消除动态响应误差。但该方法需了解热 线时间常数值。 恒温风速仪不需要复杂的电子补偿即具有良好的频率特性。 在恒温风速仪中，速度脉动引起的测量桥路不平衡误差信号， 经过放大，并按一定的相位关系反馈到桥路顶端，调整桥路 供电电压，使测量桥路自动平衡。这种负反馈作用使整个系 统的时间常数比热线的时间常数小500倍，从而大大的拓宽 了测量气流脉动的频率范围。
28
测压差的方法
（1）利用总压管、静压管，分别测量流体的总压和 静压，以确定流体速度。 （2）利用专门设计的复合测压管，同时测量流体的 总压和静压（或两者之差），以确定流体速度。
由测压管、连接管和显示或记录仪表三部分组成 的测压系统，就可以测量流体的流速。
29
1. 流体总压、静压的测量 (1) 流体总压测量与测压管
测量流体总压的总压管在使用时，其感压孔 轴线应对准来流方向。 希望总压管对流动方向越不敏感越好
30
L形总压管
制造容易，使用安装 方便。 它对流动偏斜角的灵 敏性取决于压力孔直 径与管子外径之比以 及总压管头部的形状
31
圆柱形总压管
可以制作得很小，惯性不大， 工艺性好，制造容易，使用 方便。
14
Rw
a ' b ' u I
n
R f a ' b ' u n
2 w
Rf
电路简 单
15
b 恒温型热线风速仪
如果在热线工作过程中，始终保持热线的温度不变，
则可通过测得流经热线的电流值来确定流体的速度。
在实际测量电路中，测量的不是流经电路的电流，
而是惠斯顿电桥的桥顶电压。
圆柱形热膜探针的优点
不易被打断或碰伤 细微粒不会遮断热膜 有效地拉紧，重复性好
11
连续流中金属丝的热耗散规律
热传导过程 --- 在设计中使之最小 热辐射过程 --- 温差小
自由对流过程 --- 流速大Biblioteka Baidu
强迫对流过程
12
与热损耗有关的因素
介质的速度 热线与介质之间的温度差
Eb
1
2
+
Rs
值得注意的是，上述过 程是瞬时发生的，所以 速度的增加就好像是电 桥输出电压的增加，而 速度的降低也等于是电 桥输出电压的降低。
17
18
(3) 热线风速计的校准
校准的原因：
1. 探针的性能是随制造工艺、探针尺寸和金属材料的不同而异。 2. 探针的性能也和流体的温度、密度等紧密相关。 3. 探针的性能还和污染情况、速度范围等其它外部条件有关。 4. 探针在测量中是和电子仪器结合在一起使用的，因此真正的响 应关系是建立在输出电压E和流动速度U之间的。 对于接近于大气压条件下的大多数实用情形，可以忽略密度变化 的影响，校准表达式如下： 2 n
度和电阻保持恒定。
16
•当风速增加，热线变冷，电阻Rs降低，1点的电压随之降低 •1点电压的降低引起了放大器负端电压增加，从而使E12增 加 •E12的增加意味着电桥电压Eb的增加， •Eb的增加导致了通过敏感元件是电流Is增大 •Is的增大意味着重新加热敏感元件，从而使1点电压获得升 高，结果减少了E12，使系统恢复平衡。
介质的物理特性 --- 导热、密度、粘度、浓度
金属丝的物理特性 --- 电阻温度系数、热导率、 电阻率 线的尺寸 介质的可压缩性
流动方向与热线方向之间的夹角
13
a 恒流型热线风速仪
如果在热线工作过程中，人为地用一恒值电 流对热线加热，由于流体对热线对流冷却， 且冷却能力随着流速的增大而加强。当流速 呈稳态时，则可根据热线电阻值的大小确定 流体的速度。
圆柱形、管束形和楔形
41
测量流 体总压 测量流 动方向
42
测量空间流动速度的大小和方向及流体 的压力，常用球形五孔三元测压管、管 束形五孔三元测压管和楔形五孔三元测 压管。
43
44
四
流速测量仪表的标定
在校正风洞中用比较法进行标定，它 将被标定的仪表测得的数据与标准仪表 测得的数据相比较，就可得出被标定的 仪表的修正系数或特性曲线。
22
三、动力测压法测量流速
在静止气体中，由于不存在切向力，故这个力 与所取面积的方向无关，称为静压力。
对于运动流体而言，静压可用垂直于流体运动 方向单位面积上的作用力来衡量。 总压力是指流体在某点速度等熵滞止到零时所 达到的压力。
23
临界点
滞止压力是指在没有外力的作用下，流 体速度绝热地减速到零时所产生的压力， 此时，流体的全部动能全部绝热地转变 成压力能。 总压与静压之差称为动压
现代的流动测量仪器有着共同特点：
利用光纤技术、芯片技术、激光技术、数字信号 处理技术、图形图象处理技术以及计算机技术等 手段，沿着集成化、智能化、数字化、精确化、 光电一体化等思路迅速发展。
4
二、散热率法测量流速
散热率法测量流速的原理，是将发热的测速传感 器置于被测流体中，利用发热的测速传感器的散 热率与流体流速成比例的特点，通过测定传感器 的散热率来获得流体的流速。
8
热线热膜风速计（HWFA）的新发展
恒流式风速计(第一代风速计, 五十年代以前) 恒温式风速计(第二代风速计, 五十年代以后)
反应快, 时间常数小，热滞后效应小，频率响应宽(1MHz)。
三阶动态方程，具有三个以上的调节参量，调节过程中互相 制约，互相影响；系统很不稳定，需要做方波试验，调节麻 烦；频带较窄，不适于在高频流动中使用。
速度 总压 静压 密度
26
可压缩气体
1 p0 p u 2 (1 ) 2 M2 2k 4 M 4 24 2 p0 p u 1
27
测压管的使用上限不超过相当于马赫数 为0.25时的流速 测压管的使用下限为被测量的流速在全 压孔直径上的雷诺数需超过200
电阻温度系数要高 机械强度要好 电阻率要大
热传导率要小
最大可用温度要高
7
热线探针--将金属丝的两 端焊接到两根叉杆上,叉杆 的另一端引出线, 再加上 保护罩并且在保护罩和叉 杆之间装以绝缘填料,就构 成了热线探针。起敏感元 件作用的只有中间部分。
热膜探针--由热膜、衬底、绝缘层和导线几部分构成。所谓热膜 就是喷溅在衬底上的一层很薄的铂金膜，用熔焊方法将它固定 在楔形或圆柱形石英骨架上，其上加有加热电流。
根据所测量的流体性质，将毕托管设计成 不同的形状，常用的有L形和T形。
38
（1）L形毕托管
39
（2）T形毕托管
40
3. 流动方向的测量与复合测压管
能同时测出流体的总压及流速的大小和方 向的测压管称为复合测压管
在平面流场的测量中，常用二元复合测压 管测量流体的总压、静压及流速的大小和 方向。
47
a. 总压管的标定
总压管要标定的是总压管的校正系数以及在不 同流速时，总压管对流动偏斜角的不灵敏性。
p0 K0 p '0
48
b. 静压管的标定
静压管要标定的是：
静压管在零偏斜角时，静压管的校正系数或
速度特性，以鉴定静压孔对气流静压的感受 能力
在不同流速时，静压管对气流方向变化的不
24
应用动力测压法测量流速的压力感受元 件为测压管 伯努利方程式 dp udu 0
25
u p1 u p2 C 2 2 p0 p u 2
2 1
2 2
u
2
2
C
其中
忽略流体的粘 性、压缩性， 假设流动是不 随时间变化的 定常流动
( p0 p)
U --P0 -P --- ----
21
恒温风速仪在使用中的关键问题是系统的频率最佳化 的调节问题 因为希望在一定的频率范围内，风速仪对速度脉动的 响应是均匀的。这就需要最佳化调节，最佳化调节就 是将风速仪系统调节到测量精度所允许的最宽、最适 当的频率响应范围。 方波试验：利用具有高次谐波的方形波这种特殊形状 的电流加在热丝上，以代替加在热丝上的实际风速， 来调节风速仪系统的最佳频率响应，得到风速计的截 止频率。
9
智能流速测量系统(第三代风速计，1995年以后)
1. 预移相线路模型, 具有五阶的动态方程, 完全革除了全部调 节参量, 调节简单。 2. 动态偏置的新概念和同步偏置的新线路, 线路稳定, 频带宽, 动态性能好, 免去了方波试验。 3. 利用CPU技术, 具有智能化功能, 多功能多用途的软件包,自 动化程度有重大提高。
卡他温度计
热线（膜）风速仪
5
1、卡他温度计
卡他温度计：玻璃棒式温度计，测量范围：125-130℉ 原理：根据温度计的冷却值测量微风速
6
2、热线热膜风速计（HWFA）
（1）概况
热线热膜风速仪是利用放置在流场中具有加热电流的 细金属丝(直径1m-10m，长度1-2mm)来测量风速的 仪器。它是建立在热平衡原理基础上的。 对热线材料的要求（镀铂钨丝）
35
36
2. 毕托管
分别采用总压管和静压管测得流体的总压 和静压，然后利用公式计算得到流体速度。 缺点：不能同时测得某一点的流体的总压 和静压。 可同时测得流体总压和静压之差的复合测 压管称为毕托管（动压管、速度探针）
37
特点：结构简单，使用、制造方便，价格 便宜，坚固可靠，精度高。 毕托管测量的是空间某点处的平均速度， 它的头部尺寸决定了它的空间分辨率
E A BU
式中E为风速计输出电压，A,B为以来于热线尺寸、流体物理特性和 流动条件的常数，指数n在一定的速度范围内恒定，在大范围内随 速度而变。
19
热线探头的实际特性曲线必须经过风洞校准试验求得
按一个已知速度U，对应在风速计上读出一个电压值E来做出E-U 曲线，也就是校准曲线。产生这种已知速度U的装置称之为校准 装置。
32
套管式总压管
在马赫数变化较大范围内， 它对流动偏斜角的不灵敏 度达到±(40～50)
33
（2）流体的静压测量与测压管
测量被绕流体表面上某点的压力或流道
壁面上流体的压力
这时可利用在通道壁面或绕流物体表面 开静压孔的方法进行测量。
34
确定流场中某点的压力，也就是运动流体
的压力。 这时可以利用尺寸较小具有一定形状的测 压管插入流体中，进行流体压力测量。 L形静压管、盘形静压管、套管形静压管 需要测量平直流道内的流体静压时可采用 在流道壁面开静压孔的方法来测量。
第六章 气流速度测量
1
气流速度是热力机械中工质运动状态的重 要参数之一。
要具体了解热力机械的运动状况及内部的 工作过程，需要测量其中的气流速度。 速度是矢量，具有大小和方向。
2
流速的测量方法
机械方法
散热率法
动力测压法 激光多普勒测速技术(LDV) 粒子成象测速技术(PIV)
3
10
热线的主要优点--利用极细的金属丝做成具有较大长度直径比
的探针，既减少热传导的影响，又具有相当好的空间分辨率。频 率响应高。
热膜探针的特点：
频率响应范围比热线窄。上限仅为100kHz 工作温度较低，只比环境温度高20度 工艺复杂，制造困难 机械强度比热线高 受振动的影响小，不存在内应力的问题 阻值可由控制热膜厚度来调节 热传导损失较小
灵敏性
49
c. 毕托管的标定
毕托管要标定的是毕托管的校正系数以及在不 同流速时，毕托管对流动偏斜角的不灵敏性
p0 p Ku p '0 p '
50
d. 测压管的标定方法
测压管的标定是在校正风洞内采用比较法进 行标定的。
51
45
1、热线风速仪的标定
热线风速仪的标定的是热线风速仪测头的
输出电压与流体速度的真实响应关系。
标定的方法是在校正风洞中或其他已知流
体流动速度的流场中，对应地在热线风速 仪上读出电压E值，做出E-u标定曲线。
46
2、 测压管的标定
测压管标定的主要目的是为了确定测压 管的校正系数、方向特性、速度特性等 内容。
20
(6) 热线风速仪的动态特性
热线风速仪用于非稳定气流的测量时，应考虑热线的热惯性 造成的输出电压的相位滞后和幅值减小。 在测量线路中串联一个电子动态补偿电路，可使频率响应正 好补偿热线本身引起的动态响应误差，使系统成为一个线性 比例环节，从而完全消除动态响应误差。但该方法需了解热 线时间常数值。 恒温风速仪不需要复杂的电子补偿即具有良好的频率特性。 在恒温风速仪中，速度脉动引起的测量桥路不平衡误差信号， 经过放大，并按一定的相位关系反馈到桥路顶端，调整桥路 供电电压，使测量桥路自动平衡。这种负反馈作用使整个系 统的时间常数比热线的时间常数小500倍，从而大大的拓宽 了测量气流脉动的频率范围。
28
测压差的方法
（1）利用总压管、静压管，分别测量流体的总压和 静压，以确定流体速度。 （2）利用专门设计的复合测压管，同时测量流体的 总压和静压（或两者之差），以确定流体速度。
由测压管、连接管和显示或记录仪表三部分组成 的测压系统，就可以测量流体的流速。
29
1. 流体总压、静压的测量 (1) 流体总压测量与测压管
测量流体总压的总压管在使用时，其感压孔 轴线应对准来流方向。 希望总压管对流动方向越不敏感越好
30
L形总压管
制造容易，使用安装 方便。 它对流动偏斜角的灵 敏性取决于压力孔直 径与管子外径之比以 及总压管头部的形状
31
圆柱形总压管
可以制作得很小，惯性不大， 工艺性好，制造容易，使用 方便。
14
Rw
a ' b ' u I
n
R f a ' b ' u n
2 w
Rf
电路简 单
15
b 恒温型热线风速仪
如果在热线工作过程中，始终保持热线的温度不变，
则可通过测得流经热线的电流值来确定流体的速度。
在实际测量电路中，测量的不是流经电路的电流，
而是惠斯顿电桥的桥顶电压。
圆柱形热膜探针的优点
不易被打断或碰伤 细微粒不会遮断热膜 有效地拉紧，重复性好
11
连续流中金属丝的热耗散规律
热传导过程 --- 在设计中使之最小 热辐射过程 --- 温差小
自由对流过程 --- 流速大Biblioteka Baidu
强迫对流过程
12
与热损耗有关的因素
介质的速度 热线与介质之间的温度差
Eb
1
2
+
Rs
值得注意的是，上述过 程是瞬时发生的，所以 速度的增加就好像是电 桥输出电压的增加，而 速度的降低也等于是电 桥输出电压的降低。
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18
(3) 热线风速计的校准
校准的原因：
1. 探针的性能是随制造工艺、探针尺寸和金属材料的不同而异。 2. 探针的性能也和流体的温度、密度等紧密相关。 3. 探针的性能还和污染情况、速度范围等其它外部条件有关。 4. 探针在测量中是和电子仪器结合在一起使用的，因此真正的响 应关系是建立在输出电压E和流动速度U之间的。 对于接近于大气压条件下的大多数实用情形，可以忽略密度变化 的影响，校准表达式如下： 2 n