熱線(xiàn)式風(fēng)速儀(Hot wire Anemometer,簡(jiǎn)稱(chēng)HWA),發(fā)明于20世紀20年代。
熱線(xiàn)風(fēng)速儀基本原理是將一根細的金屬絲放在流體中,通電流加熱金屬絲,使其溫度高于流體的溫度,因此將金屬絲稱(chēng)為“熱線(xiàn)”。當流體沿垂直方向流過(guò)金屬絲時(shí),將帶走金屬絲的一部分熱量,使金屬絲溫度下降。根據強迫對流熱交換理論,可導出熱線(xiàn)散失的熱量Q與流體的速度v之間存在關(guān)系式(D3.4.4a)
上式稱(chēng)為金(L.V.King,1914)公式,R、I分別為熱線(xiàn)的電阻和流過(guò)的電流強度,ΔT為熱線(xiàn)與流體的溫度差,A、B為與流體和熱線(xiàn)有關(guān)的物理常數?紤]到熱線(xiàn)材料的電阻溫度特性,(D3.4.4a)式可化為(D3.4.4b)
上式中U為熱線(xiàn)的輸出電壓,A’,B’為與熱線(xiàn)的電阻溫度系數有關(guān)的物理常數,由實(shí)驗確定。這樣通過(guò)測量熱線(xiàn)兩端的電壓,即可確定流速。
標準的熱線(xiàn)探頭由兩根支架張緊一根短而細的金屬絲組成,如圖2.1所示。金屬絲通常用鉑、銠、鎢等熔點(diǎn)高、延展性好的金屬制成。常用的絲直徑為5μm,長(cháng)為2 mm;最小的探頭直徑僅1μm,長(cháng)為0.2 mm。根據不同的用途,熱線(xiàn)探頭還做成雙絲、三絲、斜絲及V形、X形等。為了增加強度,有時(shí)用金屬膜代替金屬絲,通常在一熱絕緣的基體上噴鍍一層薄金屬膜,稱(chēng)為熱膜探頭,如圖2.2所示。 熱線(xiàn)探頭在使用前必須進(jìn)行校準。靜態(tài)校準是在專(zhuān)門(mén)的標準風(fēng)洞里進(jìn)行的,測量流速與輸出電壓之間的關(guān)系并畫(huà)成標準曲線(xiàn);動(dòng)態(tài)校準是在已知的脈動(dòng)流場(chǎng)中進(jìn)行的,或在風(fēng)速儀加熱電路中加上一脈動(dòng)電信號,校驗熱線(xiàn)風(fēng)速儀的頻率響應,若頻率響應不佳可用相應的補償線(xiàn)路加以改善。
熱線(xiàn)式風(fēng)速儀hot-wire anemometer
將流速信號轉變?yōu)殡娦盘柕囊环N測速儀器,也可測量流體溫度或密度。其原理是,將一根通電加熱的細金屬絲(稱(chēng)熱線(xiàn))置于氣流中,熱線(xiàn)在氣流中的散熱量與流速有關(guān),而散熱量導致熱線(xiàn)溫度變化而引起電阻變化,流速信號即轉變成電信號。
它有兩種工作模式:
1、 恒流式。通過(guò)熱線(xiàn)的電流保持不變,溫度變化時(shí),熱線(xiàn)電阻改變,因而兩端電壓變化,由此測量流速;
2、恒溫式。熱線(xiàn)的溫度保持不變,如保持150℃,根據所需施加的電流可度量流速。
恒溫式比恒流式應用更廣泛。熱線(xiàn)長(cháng)度一般在0.5~2毫米范圍,直徑在1~10微米范圍,材料為鉑、鎢或鉑銠合金等。若以一片很薄(厚度小于0.1微米)的金屬膜代替金屬絲,即為熱膜風(fēng)速儀,功能與熱絲相似,但多用于測量液體流速。熱線(xiàn)除普通的單線(xiàn)式外,還可以是組合的雙線(xiàn)式或三線(xiàn)式,用以測量各個(gè)方向的速度分量。從熱線(xiàn)輸出的電信號,經(jīng)放大、補償和數字化后輸入計算機,可提高測量精度,自動(dòng)完成數據后處理過(guò)程,擴大測速功能,如同時(shí)完成瞬時(shí)值和時(shí)均值、合速度和分速度、湍流度和其他湍流參數的測量。熱線(xiàn)式風(fēng)速儀與皮托管相比,具有探頭體積小,對流場(chǎng)干擾;響應快,能測量非定常流速;能測量很低速(如低達0.3米/秒)等優(yōu)點(diǎn) |