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風(fēng)速計和主要用途
風(fēng)速計(anemometer)顧名思義是測量空氣流速的儀器。它的種類較多,氣象臺站*常用的為風(fēng)杯風(fēng)速計,它由3個互成120°固定在支架上的拋物錐空杯組成感應(yīng)部分,空杯的凹面都順向一個方向。整個感應(yīng)部分安裝在一根垂直旋轉(zhuǎn)軸上,在風(fēng)力的作用下,風(fēng)杯繞軸以正比于風(fēng)速的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。另一種旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速計為旋槳式風(fēng)速計,由一個三葉或四葉螺旋槳組成感應(yīng)部分,將其安裝在一個風(fēng)向標(biāo)的前端,使它隨時對準(zhǔn)風(fēng)的來向。槳葉繞水平軸以正比于風(fēng)速的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。
原理
風(fēng)速計其基本原理是將一根細(xì)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
風(fēng)速計稱為“專線”。當(dāng)流體沿垂直方向流過金屬絲時,將帶走金屬絲的一部分熱量,使金屬絲溫度下降。根據(jù)強迫對流熱交換理論,可導(dǎo)出專線散失的熱量Q與流體的速度v之間存
風(fēng)
速
計
在關(guān)系式。標(biāo)準(zhǔn)的專線探頭由兩根支架張緊一根短而細(xì)的金屬絲組成,如圖2.1所示。金屬絲通常用鉑、銠、鎢等熔點高、延展性好的金屬制成。常用的絲直徑為5μm,長為2mm;*小的探頭直徑僅1μm,長為0.2mm。根據(jù)不同的用途,專線探頭還做成雙絲、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,稱為熱膜探頭,如圖2.2所示。專線探頭在使用前必須進(jìn)行校準(zhǔn)。靜態(tài)校準(zhǔn)是在專門的標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)洞里進(jìn)行的,測量流速與輸出電壓之間的關(guān)系并畫成標(biāo)準(zhǔn)曲線;動態(tài)校準(zhǔn)是在已知的脈動流場中進(jìn)行的,或在風(fēng)速儀加熱電路中加上一脈動電信號,校驗專線風(fēng)速儀的頻率響應(yīng),若頻率響應(yīng)不佳可用相應(yīng)的補償線路加以改善。
0至100m/s的流速測量范圍可以分為三個區(qū)段:低速:0至5m/s;中速:5至40m/s;高速:40至100m/s。風(fēng)速儀的熱敏式探頭用于0至5m/s的**測量;風(fēng)速儀的轉(zhuǎn)輪式探頭測量5至40m/s的流速效果*理想;而利用皮托管則可在高速范圍內(nèi)得到*佳結(jié)果。正確選擇風(fēng)速儀的流速探頭的一個附加標(biāo)準(zhǔn)是溫度,通常風(fēng)速儀的熱敏式傳感器的使用溫度約達(dá)+-70C。特制風(fēng)速儀的轉(zhuǎn)輪探頭可達(dá)350C。皮托管用于+350C以上。
探頭選擇
風(fēng)速儀的熱敏式探頭
風(fēng)速計風(fēng)速儀的熱敏式探頭的工作原理是基于冷沖擊氣流帶走熱元
風(fēng)
速
計
件上的熱量,借助一個調(diào)節(jié)開關(guān),保持溫度恒定,則調(diào)節(jié)電流和流速成正比關(guān)系。當(dāng)在湍流中使用熱敏式探頭時,來自各個方向的氣流同時沖擊熱元件,從而會影響到測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。在湍流中測量時,熱敏式風(fēng)速儀流速傳感器的示值往往高于轉(zhuǎn)輪式探頭。以上現(xiàn)象可以在管道測量過程中觀察到。根據(jù)管理管道紊流的不同設(shè)計,甚至在低速時也會出現(xiàn)。因此,風(fēng)速儀測量過程應(yīng)在管道的直線部分進(jìn)行。直線部分的起點應(yīng)至少在測量點前10×D(D=管道直徑,單位為CM)外;終點至少在測量點后4×D處。流體截面不得有任何遮擋。(棱角,重懸,物等)
風(fēng)速儀的轉(zhuǎn)輪式探頭
風(fēng)速儀的轉(zhuǎn)輪式探頭的工作原理是基于把轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換成電信號,先經(jīng)過一個臨近感應(yīng)開頭,對轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)動進(jìn)行“計數(shù)”并產(chǎn)生一個脈沖系列,再經(jīng)檢測儀轉(zhuǎn)換處理,即可得到轉(zhuǎn)速值。風(fēng)速儀的大口徑探頭(60mm,100mm)適合于測量中、小流速的紊流(如在管道出口)。風(fēng)速儀的小口徑探頭更適于測量管道橫截面大于探險頭橫截面貌一新100倍以上的氣流。
特點
風(fēng)速計
1、體積小,對流場干擾小;
風(fēng)
速
計
2、適用范圍廣。不僅可用于氣體也可用于液體,在氣體的亞聲速、跨聲速和超聲速流動中均可使用;
3、頻率響應(yīng)高,可高達(dá)1 MH z。
4、測量精度高,重復(fù)性好。專線風(fēng)速儀的缺點是探頭對流場有一定干擾,專線容易斷裂。
5、除了測量平均速度外,還可測量脈動值和湍流量;除了測量單方向運動外還可同時測量多個方向的速度分量。
主要用途
風(fēng)速計
1、測量平均流動的速度和方向。
風(fēng)
速
計
2、測量來流的脈動速度及其頻譜。
3、測量湍流中的雷諾應(yīng)力及兩點的速度相關(guān)性、時間相關(guān)性。
4、測量壁面切應(yīng)力(通常是采用與壁面平齊放置的熱膜探頭來進(jìn)行的,原理與專線測速相似)。
5、測量流體溫度(事先測出探頭電阻隨流體溫度的變化曲線,然后根據(jù)測得的探頭電阻就可確定溫度。
除此以外還開發(fā)出許多專業(yè)用途。
使用方法
1、使用前觀察電表的指針是否指于零點,如有偏移,可輕輕調(diào)整電表的機械調(diào)整螺絲,使指針回到零點;
風(fēng)
速
計
2、將校正開關(guān)置于斷的位置;
3、將測桿插頭插在插座上,測桿垂直向上放置,螺塞壓緊使探頭密封,“校正開關(guān)”置于滿度位置,慢慢調(diào)整“滿度調(diào)節(jié)”旋紐,使電表指針指在滿度位置;
4、將“校正開關(guān)”置于“零位”,慢慢調(diào)整“粗調(diào)”、“細(xì)調(diào)”兩個旋紐,使電表指針指在零點的位置;
5、經(jīng)以上步驟后,輕輕拉動螺塞,使測桿探頭露出(長短可根據(jù)需要選擇),并使探頭上的紅點面對對著風(fēng)向,根據(jù)電表度讀數(shù),查閱校正曲線,即可查出被測風(fēng)速;
6、在測定若干分后(10min左右),必須重復(fù)以上3、4步驟一次,使儀表內(nèi)的電流得到標(biāo)準(zhǔn)化;
7、測畢,應(yīng)將“校正開關(guān)”置于斷的位置。
風(fēng)速計將流速信號轉(zhuǎn)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(xì)金屬絲(稱專線)置于氣流中,專線在氣流中的散熱量與流速有關(guān),而散熱量導(dǎo)致專線溫度變化而引起電阻變化,流速信號即轉(zhuǎn)變成電信號。它有兩種工作模式:①恒流式。通過專線的電流保持不變,溫度變化時,專線電阻改變,因而兩端電壓變化,由此測量流速;②恒溫式。專線的溫度保持不變,如保持150℃,根據(jù)所需施加的電流可度量流速。恒溫式比恒流式應(yīng)用更廣泛。專線長度一般在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。專線除普通的單線式外,還可以是組合的雙線式或三線式,用以測量各個方向的速度分量。從專線輸出的電信號,經(jīng)放大、補償和數(shù)字化后輸入計算機,可提高測量精度,自動完成數(shù)據(jù)后處理過程,擴(kuò)大測速功能,如同時完成瞬時值和時均值、合速度和分速度、湍流度和其他湍流參數(shù)的測量。專線風(fēng)速儀與皮托管相比,具有探頭體積小,對流場干擾小;響應(yīng)快,能測量非定常流速;能測量很低速(如低達(dá)0.3米/秒)等優(yōu)點。
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