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风速仪与热式风速仪的测量方法与应用

风速仪与热式风速仪的测量方法与应用

测量空气流速的仪器。它的种类较多，气象台站*常用的为风杯风速计，它由3个互成120°固定在支架上的抛物锥空杯组成感应部分，空杯的凹面都顺向一个方向。整个感应部分安装在一根垂直旋转轴上，在风力的作用下，风杯绕轴以正比于风速的转速旋转。另一种旋转式风速计为旋桨式风速计，由一个三叶或四叶螺旋桨组成感应部分，将其安装在一个风向标的前端，使它随时对准风的来向。桨叶绕水平轴以正比于风速的转速旋转。常用的风速计类型还有：利用被加热物体的散热率与风速相关原理制成的专线风速计；利用声波传布速度受风速影响因而增加和减低原理制成的超声波风速表。

风速仪的探头选择
0至100m/s的流速测量范围可以分为三个区段：低速：0至5m/s；中速：5至40m/s；高速：40至100m/s。风速仪的热敏式探头用于0至5m/s的**测量；风速仪的转轮式探头测量5至40m/s的流速效果*理想；而利用皮托管则可在高速范围内得到*佳结果。(上海亿欧仪表设备有限公司)正确选择风速仪的流速探头的一个附加标准是温度，通常风速仪的热敏式传感器的使用温度约达+-70C。特制风速仪的转轮探头可达350C。皮托管用于+350C以上。具体细节如下：
1 风速仪的热敏式探头
风速仪的热敏式探头的工作原理是基于冷冲击气流带走热元件上的热量，借助一个调节开关，保持温度恒定，则调节电流和流速成正比关系。当在湍流中使用热敏式探头时，来自各个方向的气流同时冲击热元件，从而会影响到测量结果的准确性。在湍流中测量时，热敏式风速仪流速传感器的示值往往高于转轮式探头。以上现象可以在管道测量过程中观察到。根据管理管道紊流的不同设计，甚至在低速时也会出现。因此，风速仪测量过程应在管道的直线部分进行。直线部分的起点应至少在测量点前10×D(D=管道直径，单位为CM)外；终点至少在测量点后4×D处。流体截面不得有任何遮挡。(棱角，重悬，物等)
2 风速仪的转轮式探头
风速仪的转轮式探头的工作原理是基于把转动转换成电信号，先经过一个临近感应开头，对转轮的转动进行“计数”并产生一个脉冲系列，再经检测仪转换处理，即可得到转速值。风速仪的大口径探头(60mm,100mm)适合于测量中、小流速的紊流(如在管道出口)。风速仪的小口径探头更适于测量管道横截面大于探险头横截面貌一新100倍以上的气流
．专线风速仪简介
专线风速仪(Hot wire Anemometer，简称HWA)，发明于20世纪20年代。其基本原理是将一根细的金属丝放在流体中，通电流加热金属丝，使其温度高于流体的温度，因此将金属丝称为“专线”。当流体沿垂直方向流过金属丝时，将带走金属丝的一部分热量，使金属丝温度下降。根据强迫对流热交换理论，可导出专线散失的热量Q与流体的速度v之间存在关系式(D3.4.4a)
上式称为金(L.V.King,1914)公式，R、I分别为专线的电阻和流过的电流强度，ΔT为专线与流体的温度差，A、B为与流体和专线有关的物理常数。考虑到专线材料的电阻温度特性，(D3.4.4a)式可化为(D3.4.4b)

上式中U为专线的输出电压，A’，B’为与专线的电阻温度系数有关的物理常数，由实验确定。这样通过测量专线两端的电压，即可确定流速。

标准的专线探头由两根支架张紧一根短而细的金属丝组成，如图2.1所示。金属丝通常用铂、铑、钨等熔点高、延展性好的金属制成。常用的丝直径为5μm，长为2 mm；*小的探头直径仅1μm，长为0.2 mm。根据不同的用途，专线探头还做成双丝、三丝、斜丝及V形、X形等。为了增加强度，有时用金属膜代替金属丝，通常在一热绝缘的基体上喷镀一层薄金属膜，称为热膜探头，如图2.2所示。专线探头在使用前必须进行校准。静态校准是在专门的标准风洞里进行的，测量流速与输出电压之间的关系并画成标准曲线；动态校准是在已知的脉动流场中进行的，或在风速仪加热电路中加上一脉动电信号，校验专线风速仪的频率响应，若频率响应不佳可用相应的补偿线路加以改善。

专线风速仪的优点是(1)体积小，对流场干扰小；(2)适用范围广。不仅可用于气体也可用于液体，在气体的亚声速、跨声速和超声速流动中均可使用；除了测量平均速度外，还可测量脉动值和湍流量；除了测量单方向运动外还可同时测量多个方向的速度分量。(3)频率响应高，可高达1 MH z。(4)测量精度高，重复性好。专线风速仪的缺点是探头对流场有一定干扰，专线容易断裂。

专线风速仪的主要用途是(1)测量平均流动的速度和方向。(2)测量来流的脉动速度及其频谱。(3)测量湍流中的雷诺应力及两点的速度相关性、时间相关性。(4)测量壁面切应力(通常是采用与壁面平齐放置的热膜探头来进行的，原理与专线测速相似)。(5)测量流体温度(事先测出探头电阻随流体温度的变化曲线，然后根据测得的探头电阻就可确定温度。除此以外还开发出许多专业用途。

2. 专线风速仪的使用
本仪器主要与本实验室实验风洞配套使用。在老师的指导下，学生了解仪器的原理、性能和哭作方法，对风洞实验段进行实际测量；经报名参加部分科研项目的测试。

专线风速仪

将流速信号转变为电信号的一种测速仪器，也可测量流体温度或密度。其原理是，将一根通电加热的细金属丝(称专线)置于气流中，专线在气流中的散热量与流速有关，而散热量导致专线温度变化而引起电阻变化，流速信号即转变成电信号。它有两种工作模式：
①恒流式。通过专线的电流保持不变，温度变化时，专线电阻改变，因而两端电压变化，由此测量流速；②恒温式。专线的温度保持不变，如保持150℃，根据所需施加的电流可度量流速。恒温式比恒流式应用更广泛。专线长度一般在0.5～2毫米范围，直径在1～10微米范围，材料为铂、钨或铂铑合金等。若以一片很薄(厚度小于0.1微米)的金属膜代替金属丝，即为热膜风速仪，功能与热丝相似，但多用于测量液体流速。专线除普通的单线式外，还可以是组合的双线式或三线式，用以测量各个方向的速度分量。从专线输出的电信号，经放大、补偿和数字化后输入计算机，可提高测量精度，自动完成数据后处理过程，扩大测速功能，如同时完成瞬时值和时均值、合速度和分速度、湍流度和其他湍流参数的测量。专线风速仪与皮托管相比，具有探头体积小，对流场干扰小；响应快，能测量非定常流速；能测量很低速(如低达0.3米／秒)等优点。

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