《建筑环境与能源应用工程专业综合实验》 教案 3-16热电风速仪

热电风速仪热电风速测温原理热电风速仪是利用被加热的金属丝置于被测流体中，利用发热的金属丝的散热率与流体流速成比例的特点，通过测定金属丝的散热率来获得流体的流速，测头和指示仪表组成。测头内有电热线圈（或电热丝）和热电偶。当热电偶焊接在电热丝的中间时，称为热线式热电风速仪（简称为热线风速仪），当热电偶与电热线圈不接触而是包裹上玻璃球固定在一起时，称为热球式热电风速仪（简称为热球风速仪）。两者除测头外其余部分基本相同。热线风速仪由仪器的电源给金属丝供电。当被测流体通过被电流加热的金属丝或金属膜时，会带走热量，使金属丝的温度降低，金属丝的温度降低程度，取决于流过金属丝的气流速度和气流温度。当热线向流体散热达到平衡时，单位时间内热线的发热量QR应与该时间内热线对流体的放热量Q平衡，即 Q=QR Q=αFTw- QR=Iw2式中Iw——流经金属丝的电流，Rw——金属丝的电阻，Q；α——金属丝对流换热系数，W/（m²·℃）；F——金属丝换热面积，m²；Tw，Tf——分别为金属丝和流体的温度，℃。气流流过金属丝时的换热属于层流对流换热，根据层流对流换热的经验公式，可表示为 Iw2Rw=式中n，a’，b’——常数，a’a，b——常数；v——流体的运动黏滞系数，m²/s；u———流体的流速，m/s；d——金属丝直径，m；λ——流体的导热系数，W/（m·℃）。金属丝的电阻值随温度变化的规律为 Rw=Rf1+式中β——金属丝的电阻温度系数；Rf——金属丝在温度为Tf时的电阻值（将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，流体的速度只是流过热线的电流和热线电阻（热线温度）的函数。只要固定电流和电阻两个参数中的任何一个，就可以获得流体速度与另一参数的单值函数关系。根据以上工作方式热电风速仪可以有两种测试形式。恒流型热线风速仪如果在电热线圈工作过程中，人为地用一恒值电流对热线加热，即Iw=常数。流体流过电热线圈时对其进行对流冷却。当流速呈稳态时，则可根据电热线圈电阻值的大小（即电热线圈的温度高低）确定流体的速度。这种形式的风速仪叫恒流型热线风速仪。恒流型热线风速仪的优点是电路简单，它的原理见REF_Ref20506\h图1。风速仪测速探头由加热金属铂丝与测温用的铜—康铜热电偶组成。整个仪表分成两个独立的电路，第一个电路由加热铂丝、电池与调节电流的可变电阻组成，用来调节保持加热电路中的电流恒定；第二个电路由铜—康铜热电偶与显示仪表组成，热电偶的热端固定在加热铂丝的中间，以测定其温度。在工作时，电热线圈的表面温度Tw随流体速度而变化，热线电阻Rw也按照REF_Ref21104\h式（7）所示的关系发生变化，从而确定气流速度。 Rw=Rfa图1恒流型热线风速仪原理图1—加热铂丝；2—铜-康铜热电偶；3—显示仪表；4—可变电阻；5—电池恒温型热线风速仪恒流型热线风速仪的测速探头在变温变阻状态下工作，故存在容易使敏感元件老化、稳定性差等缺点。如果在热线工作过程中，始终保持热线的温度Tw不变，即Tw=常数。则可通过测得流经热线的电流值来确定流体的速度。这种形式的风速仪叫恒温型热线风速仪或恒电阻型热线风速仪。由于热线的温度不变，所以其电阻值也不变，这时加热电流随流体的速度而变化，其变化关系可由式（8）求得 Iw2=a‘’ab在实际测量电路中，测量的不是流经电路的电流，而是惠斯顿电桥的桥顶电压。此时式REF_Ref26949\h式8可以表示为 E2=A+BREF_Ref27178\h式（9）称为克英（King）公式。式中A、B是性质与a"、b"相同的常数。REF_Ref24931\h图2所示的为利用恒温原理制成的热敏电阻恒温型风速仪的原理图。它由测量桥路、电压放大器、功率放大器（即供电电源）、风温自动补偿电路、积分电路和表头指示电路等组成。热敏电阻R0接在桥路的一臂中，当风速为0m/s时，流经探头的电流将R0加热至一定温度（约130℃），电桥处于平衡状态，桥路供电电压保持某一数值；当风速增高时，探头温度降低，R0增大，桥路输出的不平衡电压经电压放大器放大后推动功率放大器，使桥路供电电压增高，流经R0的电流增大，从而使R0减小，其结果使探头的温度基本上维持恒定，电桥趋近于新的平衡。风速愈高，桥路供电电压愈高，流经探头的电流也愈大，因此，根据桥路供电电压即可测出相应的风速。热敏电阻恒温型风速仪测杆构造如REF_Ref24931\h图2（b）所示。它的测速探头装在一根测杆的顶端，其中装有风速测头与风温自动补偿热敏电阻，它们用四根铂丝导线引出。风速测头采用珠状热敏电阻，直径约为0.5mm，其优点是体积小，对气流的阻挡作用小，热惯性小，灵敏度高。热敏电阻恒温型风速仪，低风速下限可至0.04m/s，当风温在5～40℃范围内变化时，风温自动补偿的精度为满刻度的±1%。热敏电阻恒温型风速仪，可用来测量常温、常湿条件下的清洁空气气流的速度。（a）风速仪方框图（b）风速仪测杆图2热敏电阻恒温型风速仪原理图1—风速测头（热敏电阻）；2—铂丝引线；3—测杆；4—手柄；5—导线；6—风温补偿热敏电阻使用方法热电风速仪操作简便、灵敏度高、反应速度快，测速范围一般有0.05～5m/s、0.05～10m/s、0.05～20m/s等几种规格。多数产品正常使用条件为T=－10～40℃，Φ<85%。它既能测量管道内风速，也可测量室内空间的风速。但是它的测头连线很细，容易损坏而不易修复。使用前应熟悉仪表的操作要求。调校仪表时测头一定要收到套筒内，测杆垂直头部向上，以保证测头在零风速状态下。测定时应将标记红色小点的一面迎向气流，因为测头在风洞中标定时即为该位置。风速仪指针在某一区间内摆动，可读取中间值，如果气流不稳定，可参考指示值出现的频率来加以确定。测得风速值后应对照仪表所附的校正曲线进行校正。测定中应时刻注管保护好