《建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)綜合實驗》 教案 3-16熱電風(fēng)速儀

熱電風(fēng)速儀熱電風(fēng)速測溫原理熱電風(fēng)速儀是利用被加熱的金屬絲置于被測流體中，利用發(fā)熱的金屬絲的散熱率與流體流速成比例的特點，通過測定金屬絲的散熱率來獲得流體的流速，測頭和指示儀表組成。測頭內(nèi)有電熱線圈（或電熱絲）和熱電偶。當(dāng)熱電偶焊接在電熱絲的中間時，稱為熱線式熱電風(fēng)速儀（簡稱為熱線風(fēng)速儀），當(dāng)熱電偶與電熱線圈不接觸而是包裹上玻璃球固定在一起時，稱為熱球式熱電風(fēng)速儀（簡稱為熱球風(fēng)速儀）。兩者除測頭外其余部分基本相同。熱線風(fēng)速儀由儀器的電源給金屬絲供電。當(dāng)被測流體通過被電流加熱的金屬絲或金屬膜時，會帶走熱量，使金屬絲的溫度降低，金屬絲的溫度降低程度，取決于流過金屬絲的氣流速度和氣流溫度。當(dāng)熱線向流體散熱達到平衡時，單位時間內(nèi)熱線的發(fā)熱量QR應(yīng)與該時間內(nèi)熱線對流體的放熱量Q平衡，即 Q=QR Q=αFTw- QR=Iw2式中Iw——流經(jīng)金屬絲的電流，Rw——金屬絲的電阻，Q；α——金屬絲對流換熱系數(shù)，W/（m2·℃）；F——金屬絲換熱面積，m2；Tw，Tf——分別為金屬絲和流體的溫度，℃。氣流流過金屬絲時的換熱屬于層流對流換熱，根據(jù)層流對流換熱的經(jīng)驗公式，可表示為 Iw2Rw=式中n，a’，b’——常數(shù)，a’a，b——常數(shù)；v——流體的運動黏滯系數(shù)，m2/s；u———流體的流速，m/s；d——金屬絲直徑，m；λ——流體的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）。金屬絲的電阻值隨溫度變化的規(guī)律為 Rw=Rf1+式中β——金屬絲的電阻溫度系數(shù)；Rf——金屬絲在溫度為Tf時的電阻值（將REF_Ref15683\h式5代入REF_Ref15755\h式4中，且把β包含在a′、b′中，可得 Iw2RwR由REF_Ref15941\h式（6）可知，流體的速度只是流過熱線的電流和熱線電阻（熱線溫度）的函數(shù)。只要固定電流和電阻兩個參數(shù)中的任何一個，就可以獲得流體速度與另一參數(shù)的單值函數(shù)關(guān)系。根據(jù)以上工作方式熱電風(fēng)速儀可以有兩種測試形式。恒流型熱線風(fēng)速儀如果在電熱線圈工作過程中，人為地用一恒值電流對熱線加熱，即Iw=常數(shù)。流體流過電熱線圈時對其進行對流冷卻。當(dāng)流速呈穩(wěn)態(tài)時，則可根據(jù)電熱線圈電阻值的大?。措姛峋€圈的溫度高低）確定流體的速度。這種形式的風(fēng)速儀叫恒流型熱線風(fēng)速儀。恒流型熱線風(fēng)速儀的優(yōu)點是電路簡單，它的原理見REF_Ref20506\h圖1。風(fēng)速儀測速探頭由加熱金屬鉑絲與測溫用的銅—康銅熱電偶組成。整個儀表分成兩個獨立的電路，第一個電路由加熱鉑絲、電池與調(diào)節(jié)電流的可變電阻組成，用來調(diào)節(jié)保持加熱電路中的電流恒定；第二個電路由銅—康銅熱電偶與顯示儀表組成，熱電偶的熱端固定在加熱鉑絲的中間，以測定其溫度。在工作時，電熱線圈的表面溫度Tw隨流體速度而變化，熱線電阻Rw也按照REF_Ref21104\h式（7）所示的關(guān)系發(fā)生變化，從而確定氣流速度。 Rw=Rfa圖1恒流型熱線風(fēng)速儀原理圖1—加熱鉑絲；2—銅-康銅熱電偶；3—顯示儀表；4—可變電阻；5—電池恒溫型熱線風(fēng)速儀恒流型熱線風(fēng)速儀的測速探頭在變溫變阻狀態(tài)下工作，故存在容易使敏感元件老化、穩(wěn)定性差等缺點。如果在熱線工作過程中，始終保持熱線的溫度Tw不變，即Tw=常數(shù)。則可通過測得流經(jīng)熱線的電流值來確定流體的速度。這種形式的風(fēng)速儀叫恒溫型熱線風(fēng)速儀或恒電阻型熱線風(fēng)速儀。由于熱線的溫度不變，所以其電阻值也不變，這時加熱電流隨流體的速度而變化，其變化關(guān)系可由式（8）求得 Iw2=a‘’ab在實際測量電路中，測量的不是流經(jīng)電路的電流，而是惠斯頓電橋的橋頂電壓。此時式REF_Ref26949\h式8可以表示為 E2=A+BREF_Ref27178\h式（9）稱為克英（King）公式。式中A、B是性質(zhì)與a"、b"相同的常數(shù)。REF_Ref24931\h圖2所示的為利用恒溫原理制成的熱敏電阻恒溫型風(fēng)速儀的原理圖。它由測量橋路、電壓放大器、功率放大器（即供電電源）、風(fēng)溫自動補償電路、積分電路和表頭指示電路等組成。熱敏電阻R0接在橋路的一臂中，當(dāng)風(fēng)速為0m/s時，流經(jīng)探頭的電流將R0加熱至一定溫度（約130℃），電橋處于平衡狀態(tài)，橋路供電電壓保持某一數(shù)值；當(dāng)風(fēng)速增高時，探頭溫度降低，R0增大，橋路輸出的不平衡電壓經(jīng)電壓放大器放大后推動功率放大器，使橋路供電電壓增高，流經(jīng)R0的電流增大，從而使R0減小，其結(jié)果使探頭的溫度基本上維持恒定，電橋趨近于新的平衡。風(fēng)速愈高，橋路供電電壓愈高，流經(jīng)探頭的電流也愈大，因此，根據(jù)橋路供電電壓即可測出相應(yīng)的風(fēng)速。熱敏電阻恒溫型風(fēng)速儀測桿構(gòu)造如REF_Ref24931\h圖2（b）所示。它的測速探頭裝在一根測桿的頂端，其中裝有風(fēng)速測頭與風(fēng)溫自動補償熱敏電阻，它們用四根鉑絲導(dǎo)線引出。風(fēng)速測頭采用珠狀熱敏電阻，直徑約為0.5mm，其優(yōu)點是體積小，對氣流的阻擋作用小，熱慣性小，靈敏度高。熱敏電阻恒溫型風(fēng)速儀，低風(fēng)速下限可至0.04m/s，當(dāng)風(fēng)溫在5～40℃范圍內(nèi)變化時，風(fēng)溫自動補償?shù)木葹闈M刻度的±1%。熱敏電阻恒溫型風(fēng)速儀，可用來測量常溫、常濕條件下的清潔空氣氣流的速度。（a）風(fēng)速儀方框圖（b）風(fēng)速儀測桿圖2熱敏電阻恒溫型風(fēng)速儀原理圖1—風(fēng)速測頭（熱敏電阻）；2—鉑絲引線；3—測桿；4—手柄；5—導(dǎo)線；6—風(fēng)溫補償熱敏電阻使用方法熱電風(fēng)速儀操作簡便、靈敏度高、反應(yīng)速度快，測速范圍一般有0.05～5m/s、0.05～10m/s、0.05～20m/s等幾種規(guī)格。多數(shù)產(chǎn)品正常使用條件為T=－10～40℃，Φ<85%。它既能測量管道內(nèi)風(fēng)速，也可測量室內(nèi)空間的風(fēng)速。但是它的測頭連線很細，容易損壞而不易修復(fù)。使用前應(yīng)熟悉儀表的操作要求。調(diào)校儀表時測頭一定要收到套筒內(nèi)，測桿垂直頭部向上，以保證測頭在零風(fēng)速狀態(tài)下。測定時應(yīng)將標記紅色小點的一面迎向氣流，因為測頭在風(fēng)洞中標定時即為該位置。風(fēng)速儀指針在某一區(qū)間內(nèi)擺動，可讀取中間值，如果氣流不穩(wěn)定，可參考指示值出現(xiàn)的頻率來加以確定。測得風(fēng)速值后應(yīng)對照儀表所附的校正曲線進行校正。測定中應(yīng)時刻注管保護好