气流速度测量-(上)

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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
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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
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。
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•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。
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。
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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。
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。
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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。
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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(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
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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。
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(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。

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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


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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 --- ----
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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
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
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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。
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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。
圆柱形、管束形和楔形

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测量流 体总压 测量流 动方向
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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。
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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。

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

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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
强迫对流过程
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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


卡他温度计
热线（膜）风速仪
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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
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2、热线热膜风速计（HWFA）
（1）概具有加热电流的 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）
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。

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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
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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）


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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
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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。


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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
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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。
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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。
灵敏性
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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 '
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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。
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14
Rw
a ' b ' u I
n
R f a ' b ' u n
2 w
Rf
电路简 单
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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。

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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。