热线风速仪器

（1）
恒温工作模式下热线的温度为300C，金属丝 和外界的辐射热交换可以忽略。
对流是自然对流和强迫对流两过程复合作用 结果。决定哪种对流占据主要状态的因素是 速度的大小
图一，热线热平衡示意图
当 Re 2 Gr （葛拉晓夫数）自然对流就不能忽略，这个条件对气体 而言，流速在0.5m/s~1m/s之间。
• 热线探头构造分热线和热膜两类
热线探头是直径很小的金属丝，两端焊接在两根不锈钢 叉架的叉尖上。叉杆的另外一端焊出引线，再加上保护 罩并将保护罩与叉杆之间装入绝缘材料，这就构成了探 头。图1中给出了常见的探头。
图1，常见的各种热线探头
测一维流场的单线探头
测二维流场的斜形探头和X探头
测三维流动的三线探头 测边界层温度和速度的二线平行探头
Velocity U
Current I
Sensor dimensions: length ~1 mm diameter ~5 micrometer
Wire supports (St.St. needles) Sensor (thin wire)
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
• 根据以上分析，在当前湍流特性量测量中，最常用的是钨丝和铂丝两
5-3 热线的静态响应
• 金属线放在流体中的换热是一个复杂的现象，因为同一时刻产
生了几个过程，包括热传导、热辐射、自然对流和强迫对流等 过程。
对于无限长的热线，在稳定条件下的 能量平衡方程为：
ห้องสมุดไป่ตู้
QJ Qc 2QK QR
对 流 换 热 导 热 辐 射 换 热
(1)无限长线的动态响应
• 根据能量守恒定理，如果我们忽略热辐射、自然对流和热传导
，单位时间内热线中能量的变化应该等于单位时间内热线中产 2 生的热能 I w Rw减去单位时间内热线被流体带走的热量，
dE 2 I w Rw Tw T f ）A B U ) （ ( dt dT dE mc w E mc(Tw T f ) dt dt dTw 1 dRw Rw R f (1 f (Tw T f ))
V 4 h(mmH 2O)
Anemometer signal output 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
Ideal transducer 理想传感器
Output Signal
S(t)
Physical Quantity
Transducer (U, T,...)
s
• 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
z
y
u
u( x, y, z)
x
• 传感器不干扰物理过程
• 输出信号不受其它量影响
s
s(t ) u(t )
• 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。
King推导了无限长线在稳态的不可压流体中二维热传导方程。
f cpd I Rw J f L Tw T f ） 2 （ (1 U) f
2 w
(3)
f c pUd 0.08，J是热功当量。（KING公式） 适用条件是 f
上面的是理论公式，实际应用中，往往采用下面的形式：
3
目前通常CTA（Constant Temperature Anemometry）测量的速度大 于1米/秒，自然对流可以忽略。如果只考虑强迫对流，上面的（1）式 可以写成：
QJ hF (Tw T f )
d 2
2
w (
Tw ) xL / 2 x
（2）
由此可见，当L/d很大，d很小时，d2更小。如果线温度沿X方向的变化很小 ，那么第二项热传导可以忽略。这样换热主要决定于强迫对流，一般热线 是基于这个条件工作的。
• 此后，经历了以平均流速测量为主的发展阶段，同时在探针类
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。
2 w w w f A,B是物性参数决定的常数，其中
I R T T ）A B U ) （ (
(4)
Rw R f (1 f (Tw T f ))
f 是温度为Tf时的金属丝电阻温度系数，Rf是温度为Tf时的金属丝电阻值。
Tw T f Rw R f
热线的静态方程
f Rf
I
2 w
f R f Rw
Rw R f
A B U
5-4 热线的动态响应
• 静态方程解决了定常状态下的平均速度测量 • 脉动速度的测量必须解决热线的非定常换热规律和动
态响应。
• 动态响应的问题主要在于：金属丝向周围介质传递热
量的速率往往跟不上流体介质速度的变化率。也就是 说金属丝的热产生并不等于热耗散，金属丝与周围介 质热交换处于不平衡状态。当流体速度由小变大的时 候，热线将储藏部分能量。这个现象通常叫热滞后， 反映在热线的输出信号上将引起振幅的衰减和相位滞 后。
（Signal-to-noise ratio）
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？
速仪研究的课题。由于低速时，热线的自然 对流换热，热导损失增强，热线换热不再仅 仅是强迫对流换热。
•和传统测速设备比较，热线技术具有惯性小
，频率响应宽，灵敏度高，对流场干扰小的 特点；和激光测速仪（LDV）比较，热线信 号连续，不用流场中加入示踪粒子，不受流 场透明性的限制，而且成本较低等优点。
5-2探头及型式
圆柱绕流
Principles of HWA operation 热线工作原理
•
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。
•
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。
密度，组份
热线风速仪分类
V＝f(Iw,Rw)
• 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。用该原理构成的热线 称之为恒流式热线风速仪。
）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。
• 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
以在受污染的气体和液体中进行流动参数的测量。
• 热线技术另外发展是对流体温度，密度，浓度的测量。热膜技
术方面，目前取得研究进展的方面还包括对液态金属流，两相 流及非牛顿流体的测测量。
热线的困难与优势
• 对于极低速度（小于1m/s）的测量是热线风
• 恒温式热线风速仪（CTA）：当热线的温度（电阻
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。 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。
Nu A B Re
n
Nu
d f
f (V , d , , f )
热线热平衡方程描述为：
2 Q F (Tw Tf ) I w Rw
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
，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；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：
dt
（8）
f R f dt
mc dRw 1 2 I w Rw （Rw R f ）A B U ) ( f R dt f Rf
(9)
mc dRw 1 2 I w Rw （Rw R f ）A B U ) ( f R dt f Rf
热膜探头简介
热膜探头由热膜、衬底，绝缘层和导 线几部分构成。热膜是由铂喷溅在衬 底上面而形成的，厚度为1000~10， 000Å。衬底通常为石英或硼硅玻璃的 锥形头圆柱体，具有不容易聚集灰尘 的长处。 主要用于液体速度测量，测量原理与 热线相同。
热膜探头
热线（膜）探头选择
•
从热线探头的构造可以看出，作为流场速度的敏感元件是金属丝。金 属丝的材料和尺寸的选择取决于探头的灵敏度，空间分辨率和机械强 度。为了提高金属丝的灵敏度，材料要电阻温度系数高的金属；为了 承受冲击负荷（气流动力负荷，气体中固体微粒的冲击负荷，探头叉 杆振动等），则要选取机械强度高的金属。金属丝的长度取决于两个 矛盾的要求：最大可能的长度直径比（L/d）和最好的空间分辨率。从 减少终断的热损失来看，长度直径比越大越好；但在一定线径条件下 ，L/d越大，空间分辨率就越低，因而只能在两者兼顾的情况下选择L 和d。对于2.5~5m粗的金属丝，长度直径比为100~200之间，空间分 辨率为0.5~1mm。 种材料的探头。铂的沿展性好，铂丝镀银可以拉制成半个微米的细线 （Wollaston过程）。这种丝材焊接方便，焊接好后用酸溶液洗除工 作段的银层。铂丝耐高温，不易氧化，因此得以广泛应用。钨的机械 相对高，可以承受较高冲击负荷，在超音速流中它是唯一合适的材料 。但是，钨容易氧化，耐温低，焊接困难并且也不能做到象铂丝那么 细。用酸腐蚀可以达到3.8m。为了兼顾强度和耐温的要求，目前常 用镀铂钨丝。
t
Real transducer characteristics 实际传感器的特点
• • • • • •
静态传递函数 空间分辨率 时间分辨率 信噪比 干扰物理过程 非单个过程 (calibration curve) (finite size of measuring volume) (frequency response) （Interference effects） （Multi-variate response）
测试理论与仪器仪表
Hot-Wire Anemometry
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
大小
方向
•皮托管
• 热线风速仪（HWA，Hot wire Anemometry） • 激光多普勒测速仪（LDV，PDPA） • 粒子成像测速系统（PIV）
h
速度测量手段
Velocity