CN101275976B - 一种声场中的热线风速仪标定装置及标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种声场中的热线风速仪标定装置及标定方法，该装置包括：密闭容器；固定安装于密闭容器中的驱动装置；与所述驱动装置相连接的探针在所述驱动装置的驱动下运动，所述驱动装置有位移传感器；所述容器内部安装压力传感器和温度传感器；导线。该方法包括：对密闭容器抽真空后，充入待测工质；设定第一组工况点；设定第二组工况点；对第一、第二组工况点分别采集对应工况点的热线电信号；对第一、二组工况点和对应的热线电信号分别进行数据拟合；对得到的两个数据拟合再进行合并拟合。本发明对热线风速仪的标定更为准确并能够标定更大速度范围。

Description

一种声场中的热线风速仪标定装置及标定方法

技术领域

本发明主要涉及流体速度测量，特别是用于声场中测量介质速度的热线风速仪(Hot Wire Anemometry)标定装置及标定方法。

背景技术

热线风速仪是一种用于流场测速的仪器，通常公知的测速感应元件为焊接于两叉杆间的热线(hot wire)或热膜(hot film)，材料通常为钨或铂金属，以下说明中统称热线。根据探针上感应元件即热线的数目，比如1-3个，可对流场做单点一维至三维的速度测量，图1示出了一维探针的结构，探针的一端有两个叉杆2，两叉杆2间安装热线1，探针的另一端有引脚3用于连接控制电路以控制热线工作状态。风速仪的系统简图如图2所示，一维热线探针4由支撑杆5置于流场当中，探针4通过导线被电路控制箱6控制加热到高于流体温度，流体流过探针4时，会与探针4上的热线发生对流换热，带走探针4上热丝的热量；维持热线或热膜工作在某一恒定参数(例如电压、电流、电阻中任一参数)，被加热的热线感应元件与待测流体之间的换热量与流体流速间存在一定的函数关系，通过采集系统7测量热丝的加热电流或电压(与换热量等效)可以推算出流速的大小。在实际应用当中，上述热线信号与流速的函数关系需要在与待测流场相近的工况下通过特定的标定程序建立，即通过其他标定过程先得知流速与对应热线信号，从而确定函数关系。这里所指的相似工况，是用无量纲数来判定，一般来说，对于稳态标定，即除了以热丝直径为特征尺度的雷诺数Re以外的其它换热相关无量纲数均相同。

目前热线的常用标定手段分为静态和动态标定。静态标定只能得到稳定流动下的函数关系，例如利用校准风洞产生已知的稳定流速。文献1：“盛森芝等，热线热膜流速计，中国科学技术出版社，2003”中公开了管流的充分发展层流校准法、射流喷嘴标定装置以及能使探针匀速运动的旋臂机等技术，其中现有技术中射流喷嘴标定装置应用更为普遍。如图(3)所示，为一种喷嘴式标定装置示意图。高压气源13内的气体通过控制阀12流入腔体8内，在腔体8的底层填充了丝网10，气流经过丝网10层流化、均匀化后，流出喷嘴9，在喷嘴口附近产生分布均匀的稳定的速度场。标定时即将热线探针置于喷嘴正上方流场中。流出喷嘴口的速度由压力传感器11测量压力并进行计算得到。调节控制阀12，以改变喷嘴口处的流体速度，可对多个不同速度点进行标定，即可拟合得到热线的标定函数。对标定函数的拟合一般都基于King定律的修正形式，最简单的是认为无量纲换热系数Nusselt数与以热丝直径为特征尺度的雷诺数的n次方成线性关系，稳定流动的标定过程也就是这一线性函数的两个系数和n的确定过程；更为一般的处理方法是将Nusselt数当作以雷诺数为变量的多项式函数。而动态标定则采用方波(或正弦波)信号加于热线测量系统，根据一定的理论假设比如文献2：“FreymuthP.，J.Phys.Eng.，Vol.10，1977”中公开的理论假设，速度脉动的响应和对方波(或正弦波)信号的响应具有相似性，即可用电信号试验来代替风速试验。但该方法基于对电路系统的一定假设，所得结果可靠性不强，且其主要针对湍流度的测量。

上述现有技术主要是用于一般流场的流体速度测量，一般流场的速度波动量相较于平均速度是较小的，换热量大小主要依赖于平均速度。但是在声场当中，流体做交变流动，流速的波动幅值大于(甚至远大于)平均流速，换热的主要机制源于流体的往复流动。声场中由于流场随时间周期性变化，换热也将产生周期性变化，不再仅依赖于速度，还应受频率的影响。且一般稳态标定方式设计在一大气压下，不便对平均压力的影响做标定，而声场的测量则常常需要在高于大气压环境下进行。基于以上原因，现有技术存在的一个不足就是稳定流动下标定的函数关系在声场中会失效，这就需要对热线在交变流动下进行标定。

现有技术中，另外的声场中热线风速仪标定方案是建立速度已知的标准声场，然后与此声场下的热线电信号一一对应，从而确定交变流动下的函数关系，比如文献3：“G.Huelsz et al，Experiments in Fluids，Vol.30，2001”公开的技术。但该方法在标定流速超出一定范围后，声场会显示非线性特征及湍流等，限制了标定范围并增加了标定难度和不确定性。

鉴于现有技术的不足，就希望有一种装置简单的声场热线风速仪标定装置及标定方法，能够使得标定速度范围广，且标定后的热线风速仪测量更加准确。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种声场中的热线风速仪标定装置及标定方法。

一种声场中的热线风速仪标定装置，包括：

密闭容器；用于固定并驱动待标定的热线风速仪的的探针在所述密闭容器内运动的驱动装置；用于感知所述探针运动速度的位移传感器。

在上述技术方案中，该装置还包括用于测量所述密闭容器内工质压力的压力传感器。

在上述技术方案中，该装置还包括用于测量所述密闭容器内工质温度的温度传感器。

在上述技术方案中，所述驱动装置安装在所述密闭容器内部，所述驱动装置有一个伸出的输出导杆，所述探针通过所述输出导杆连接到所述驱动装置。

在上述技术方案中，所述驱动装置安装在所述密闭容器外部，所述驱动装置有一个伸出的输出导杆，所述输出导杆通过动密封部件伸入到所述密闭容器内部，所述探针通过所述输出导杆连接到所述驱动装置。

在上述技术方案中，所述驱动装置驱动所述输出导杆作直线往复运动，进而驱动所述探针作直线往复运动。

在上述技术方案中，所述容器具有流体工质输入阀门和输出阀门。

在上述技术方案中，所述探针包括形成夹角的两个叉杆和连接在叉杆之间的热线或热膜。

在上述技术方案中，所述探针与所述导杆是垂直固定的，所述探针的由叉杆和热线或热膜形成的平面与所述导杆垂直，使得热线或热膜垂直于其运动方向。

一种声场中的热线风速仪的标定方法，包括如下步骤：

(1)对密闭容器抽真空后，充入待测工质；

(2)设定第一组工况点：在工质密度与探针往复运动的速度幅值的乘积为第一常数的情况下，设定工质密度与往复运动圆频率的乘积的多个离散点；

(3)设定第二组工况点：在工质密度与探针往复运动的圆频率的乘积为第二常数的情况下，设定工质密度与探针往复运动速度幅值的乘积的多个离散点；

(4)设定控制电路参数以设置探针热线的工作方式，对于上述第一、第二组工况点分别采集对应工况点的热线电信号；所述热线电信号包括电流或电压；

(5)对第一组工况点和对应的热线电信号进行数据拟合，得到热线电信号与工质密度和圆频率乘积的第一函数关系；对第二组工况点和对应的热线电信号进行数据拟合，得到热线电信号与工质密度和速度幅值乘积的第二函数关系；

(6)对第一函数关系和第二函数关系进行合并拟合，得到热线电信号与速度幅值、圆频率以及工质密度的函数关系。

在上述技术方案中，设置探针热线的工作方式包括恒定温度，或恒定热流，或恒定电压等。

在上述技术方案中，所述步骤(2)中多个离散工况点通过对各参数做如下选择得到：首先选定工质密度，则所需驱动圆频率为离散工况点值除以工质密度，在该圆频率下所需速度振幅为第一常数除以工质密度；若在选定工质密度下，驱动装置不能提供所需频率或速度振幅，则通过向容器中充入或从容器中放出工质来调整工质密度，从而使所需频率或速度振幅进入驱动装置的调节范围。

在上述技术方案中，所述步骤(3)中多个离散工况点通过对各参数做如下选择得到：首先选定工质密度，则所需驱动圆频率为第二常数除以工质密度，在该圆频率下所需速度振幅为离散工况点值除以工质密度；若在选定工质密度下，驱动装置不能提供所需频率或速度振幅，则通过向容器中充入或从容器中放出工质来调整工质密度，从而使所需频率或速度振幅进入驱动装置的调节范围。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明使探针热线以一定的频率和速度幅值进行往复运动，热线周围流体的平均压力(密度)可以调节，从而得到相对流速、振动频率、以及流体密度与热线电信号之间的函数关系，完成标定过程，以待对声场中流速做精确测量；与稳定流动标定相比，本发明对声场的测量更为准确；与标准声场标定方法相比，本发明可标定更大速度范围。

附图说明

图1是已有技术的一维热线探针示意图；

图2是已有技术的热线风速仪系统示意图；

图3是已有技术的射流喷嘴式标定系统示意图；

图4是本发明一实施例的全封闭式热线风速仪标定装置示意图；

图5是本发明一实施例的半封闭式热线风速仪标定装置示意图；

图面说明：

1—热丝，2—叉杆，3—引脚；

4—热丝探针，5—探针支撑杆，6—电路控制箱，7—信号采集系统；

8—腔体，9—喷嘴，10—丝网，11—压力传感器，12—流量控制伐；

13—高压气源；14—密闭容器，15—导杆装置，16—往复运动驱动器；

17—热线信号及电源引线，18—动密封机构。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

实施例1

如图4所示，本发明声场中的热线风速仪是采用动探针式标定法的装置，主要包括：带有流体工质输入阀门和输出阀门的承压密闭容器14；用于固定和驱动待标定的热线风速仪的热线探针4在所述密闭容器中运动的驱动装置16，该驱动装置16通过其上的一个导杆装置15来固定和驱动探针4运动；用来感知探针4往复运动速度的安装于驱动装置上的位移传感器；安装在密闭容器上用于测量密闭容器内工质压力和温度的压力传感器和温度传感器。

密闭容器14的大小除了要根据容器内所置部件体积进行设计外，还需考虑到运动部件对测量工质的扰动，容器能提供足够大空间使探针在离开驱动装置运动部件一定距离内所受扰动足够小，即工质所受扰动应远小于热丝的振动速度幅值。

热线探针4通过卡紧装置固定在导杆15上，导杆可以是截面形状任意的直杆。安装时要确保叉杆与热丝所组成平面与振动方向垂直，以避免振动方向上热丝附近流场上、下游的不对称，热线探针的具体结构如图1所示。

导杆15连接在驱动装置16上，其主要作用除了传递驱动装置产生的往复运动外，还能将热线远离驱动装置一段距离，离开驱动装置对周边流体的扰动区。由于导杆可能在除所需振动方向以外的方向上产生振动，例如摆动，因此要求导杆与驱动装置的安装要紧固且导杆应该有足够大小的粗细和长度，不宜过细过长，以能够避免摆动为宜。

带动导杆以及探针运动的驱动装置16是可变频率，变振动速度的往复运动装置。驱动装置16和其导杆15可以是电机带动的传动装置，或是压缩机活塞带动的装置。驱动装置16与密闭容器需保持相对静止，以确保容器内所充工质与驱动装置16所驱动的探针间只有相对往复运动。

为获得探针振动速度以及周围流体的状态参数，标定过程中还需用到能获知振动位移的位移传感器，测量密闭容器中平均压力与平均温度的压力传感器与温度传感器，这些部件的安装位置和方式为本领域技术人员所公知。

根据驱动机构是否在密闭容器内，动探针式标定方法的装置可选择全封闭式与半封闭式两种。本实施例是全封闭式的，是将探针与驱动机构一同置于密闭的测量工质之中，只将电源和信号线组17引出，见图4所示。全封闭式的优点为密封简单，但腔体内包括了驱动装置，特别是采用压缩机活塞做驱动源时，由于压缩机一般体积较大，因而密闭腔容积大，且容器需有大的开口以放置压缩机。

实施例2

如图5所示，本发明声场中的热线风速仪是采用动探针式标定法的装置，与实施例1不同的是：如图5所示，本实施例为半封闭式的，是将驱动装置16置于密封容器14外，热线探针4通过导杆15置于密闭腔体14中，导杆15与密封容器14间需做动密封处理比如借助于一个动密封机构18。半封闭式的优点是：密闭腔内的运动部件只有探针与导杆装置，因而容积较小，但增加了动密封的要求，且容器内充高压时给驱动机构增加了导杆两侧产生的压差载荷。在实施例1和2中压力传感器与温度传感器都可装在密闭容器壁上。其他同实施例1。

针对上述实施例1和实施例2的热线风速仪的标定方法如下：

将影响换热系数Nu数的三个变量——速度(以速度幅值表征)，频率，平均密度做无量纲处理，无量纲化后得到两个无量纲变量Re和Re_ω。标定工况应按照这两个无量纲数进行选择。雷诺数Re与动态雷诺数Re_ω的定义分别为： $\mathrm{Re}=\frac{\mathrm{\ρUd}}{\mathrm{\η}},$   ${\mathrm{Re}}_{\mathrm{\ω}}=\frac{\mathrm{\ρ\ω}{d}^2}{\mathrm{\η}}$ 。其中ρ是密闭容器内工质的密度，工质密度与工质的压力、温度以及工质种类有关，这是本领域技术人员熟知的；U是往复运动速度幅值；d为热丝直径；η是密闭容器内工质的动力粘性系数，受平均压力的影响可忽略；ω为热丝往复运动的圆频率。通过调节速度幅值与工质压力来改变工质的相对运动质量流幅值ρU，获得雷诺数的变化。对往复运动频率以及工质压力的调节可以改变ρω，从而获得动态雷诺数的变化。因此，标定时，所有工况点分为两组，一组是ρU数不变，而ρω变化；另一组是ρω不变，而ρU变化。

在对热线风速仪进行标定之前，应大致估计待测声场测点处的ρU，ρω范围，这对于本领域技术人员来说是容易做到的。如图4，图5所示，驱动装置16产生往复运动，设置驱动装置16产生的往复运动位移应按正弦或近正弦变化，且速度幅值与频率范围选择需满足：ρU以及ρω范围必须包含待测声场测点处的ρU，ρω范围。

具体标定方法，包括如下步骤：

(1)首先安装标定设备；检测各传感器以及采集系统无误后对系统抽真空；充入待测工质。

(2)设定第一组工况点。密度ρ与往复运动的速度幅值U的乘积为一常数C₁即ρU＝C₁，设定密度ρ与往复运动圆频率ω的乘积ρω的n个离散点，ρω＝l₁₁，...l_1n。该组工况点的获得是通过调节频率为主，辅以密度的调节来扩大ρω的离散范围。n个离散工况点中的第i个点通过对各参数做如下选择得到：首先选定密度ρ，则所需驱动圆频率ω_i＝l_1i/ρ，在该圆频率下所需速度振幅为U＝C₁/ρ。若在选定密度ρ下，驱动机构提供不了所需频率或速度振幅，则可考虑调整密度值，例如所需频率过高，则可向系统充气，增加其工质密度，从而使所需频率进入驱动机构可调范围。

(3)设定第二组工况点。密度ρ与往复运动圆频率ω的乘积为一常数C₂即ρω＝C₂，设定密度ρ与往复运动的速度幅值U的乘积ρU的m个离散点，ρU＝l₂₁，...l_2m。该组工况点的获得是通过调节速度振幅为主，辅以密度的调节来扩大ρU的离散范围。m个离散工况点中的第i个点通过对各参数做如下选择得到：首先选定密度ρ，则所需驱动圆频率ω＝C₂/ρ，在该圆频率下所需速度振幅为U_i＝l_2i/ρ。与第一组工况点类似，若在选定密度ρ下，驱动机构提供不了所需频率或速度振幅，则可考虑调整密度值，例如所需速度幅值过高，则可向系统充气，增加其工质密度，从而使所需速度振幅进入驱动机构可调范围。

(4)根据设计的两组工况点，在所需工质平均压力下，调节驱动机构对导杆的驱动频率以及速度幅度，采集设计工况点的信号。调节驱动机构时需注意导杆的运动频率及速度振幅只能渐变，不能突变其运动状态，以防加速度过大，焊接于叉杆间的热丝脱落。

(5)采集到所设计工况数据后，基于不同频率下，速度振幅U对热线换热影响的相似性(参见文献“G.Huelsz et al，Experiments inFluids，Vol.30，2001”中公开的技术)，对两组工况下数据分别拟合，如所测热线电信号(这里以电压V为例)的两组拟合表达式分别为 $\underset{\mathrm{\ρU}=C_1}{V^2}=f\left(\mathrm{\ρ\ω}\right),$   $\underset{\mathrm{\ρ\ω}=C_2}{V^2}=g\left(\mathrm{\ρU}\right).$

(6)然后对上述两个拟合再做合并拟合，如总的拟合式有如下形式：

V²＝c·f(ρω)·g(ρU)

其中c为常数。

根据上述方法拟合出热线探针的标定曲线V²＝c·f(ρω)·g(ρU)，可以用于声场测量。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种声场中的热线风速仪标定装置，其特征是，包括密闭容器，该密闭容器具有用于流体工质的输入阀门和输出阀门；用于固定并驱动待标定的热线风速仪的探针在所述密闭容器内运动的驱动装置，其中该驱动装置是可变频率、可变振动速度的往复运动装置；用于测量所述探针运动速度的位移传感器；用于测量所述密闭容器内工质压力的压力传感器；和用于测量所述密闭容器内工质温度的温度传感器。

2.根据权利要求1所述的声场中的热线风速仪标定装置，其特征是，所述驱动装置安装在所述密闭容器内部，所述驱动装置有一个伸出的输出导杆，所述探针通过所述输出导杆连接到所述驱动装置。

3.根据权利要求1所述的声场中的热线风速仪标定装置，其特征是，所述驱动装置安装在所述密闭容器外部，所述驱动装置有一个伸出的输出导杆，所述输出导杆通过动密封部件伸入到所述密闭容器内部，所述探针通过所述输出导杆连接到所述驱动装置。

4.根据权利要求1所述的声场中的热线风速仪标定装置，其特征是，所述驱动装置驱动所述输出导杆作直线往复运动，进而驱动所述探针作直线往复运动。

5.根据权利要求4所述的声场中的热线风速仪标定装置，其特征是，所述探针包括形成夹角的两个叉杆和连接在叉杆之间的热线或热膜，所述探针是与所述输出导杆垂直固定，由叉杆和热线或热膜形成的平面与所述输出导杆垂直。

6.一种利用权利要求1所述热线风速仪标定装置的声场中的热线风速仪标定方法，包括如下步骤：

(1)对密闭容器抽真空后，充入待测工质；

(2)设定第一组工况点：在工质密度与探针往复运动的速度幅值的乘积为第一常数的情况下，设定工质密度与往复运动圆频率的乘积的多个离散点；

(3)设定第二组工况点：在工质密度与探针往复运动的圆频率的乘积为第二常数的情况下，设定工质密度与探针往复运动速度幅值的乘积的多个离散点；

(4)设定控制电路参数以设置探针的工作方式，对于上述第一、第二组工况点分别采集对应工况点的热线电信号；

(5)对第一组工况点和对应的热线电信号进行数据拟合，得到热线电信号与工质密度和圆频率乘积的第一函数关系；对第二组工况点和对应的热线电信号进行数据拟合，得到热线电信号与工质密度和速度幅值乘积的第二函数关系；

(6)对第一函数关系和第二函数关系进行合并拟合，得到热线电信号与速度幅值、圆频率以及工质密度的函数关系。

7.根据权利要求6所述声场中的热线风速仪标定方法，其特征是，所述设置探针的工作方式包括恒定温度，或恒定热流，或恒定电压。

8.根据权利要求6所述声场中的热线风速仪标定方法，其特征是，所述步骤(2)中的多个离散点通过对各参数做如下选择来得到：首先选定工质密度，则所需圆频率为离散点值除以工质密度，在该圆频率下所述速度幅值为第一常数除以工质密度；若选定工质密度下，驱动装置不能提供所需圆频率或速度幅值，则通过向所述密闭容器中充入或从所述密闭容器中放出工质来调整工质密度，从而使所需圆频率或速度幅值进入驱动装置的调节范围。

9.根据权利要求6-8任一项所述声场中的热线风速仪标定方法，其特征是，所述步骤(3)中多个离散点通过对各参数做如下选择来得到：首先选定工质密度，则所需圆频率为第二常数除以工质密度，在该圆频率下所需速度幅值为离散点值除以工质密度；若在选定工质密度下，驱动装置不能提供所需圆频率或速度幅值，则通过向所述密闭容器中充入或从所述密闭容器中放出工质来调整工质密度，从而使所需圆频率或速度幅值进入驱动装置的调节范围。

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