CN103713152B - 一种耙式结构热式流场测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一耙式结构热式流场测量装置，包括耙式测量固定支架、等间距安装的多只热式速度探头、流体流场温度探头、计算机控制的三维驱动装置，计算机控制流场测量装置沿X、Y、Z轴向的三维空间内移动、定位，数据采集系统采集可移动范围三维空间中，指定位置耙式测量阵列架上各速度探头坐标点气体速度。流场处理软件将采集到的数据处理后，生成一维、二维、三维气流速度图；本发明具有简单易用，测量精度高等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种流场测量装置，特别涉及一种用于低速度气流流场测量的耙式结构热式流场测量装置。
背景技术
在低流速气流流场测量领域，目前，还没有快速、准确的测量手段。随着对有人员存在的密闭空间里空气，比如航天器、飞机机舱、高速列车车厢、舰船舱室、体育场馆等；品质研究的重视，必须对密闭空间里气流流动方向、流动大小即气流流场，特别是低流速流场，进行必要的研究试验，因此，需要对气流流速、气流方向进行准确测量。
发明内容
本发明提供了一种可以快速、准确测量低流速气流流场的测量装置，通过对本测量装置的移动，可以获得相关平面以及空间的气流速度状况。
为实现本发明的目的，本发明提供的一种耙式结构、热式速度探头测量阵列，一次可以测量获得多点气流速度。
具体方案如下：
一种耙式结构热式流场测量装置，所述耙式结构热式流场测量装置包括气流速度探测机构、气流温度补偿机构和固定支架；
所述气流速度探测机构包括气流流速测量构件和若干气流通道，所述若干气流通道间隔设置在气流流速测量构件上，所述气流速度探测机构通过气流流速测量构件测量通过气流通道的气流流速；
所述气流温度补偿机构包括温度测量构件，所述温度测量构件安装在固定支架上；
通过若干直线阵列式地固定在固定支架上的气流速度探头，探头可以单独拆下，方便了设备的维修，同时也可以自由的控制探头的数量，从而改变与流场接触的面积，保证了实验数据的精确度。
作为本发明的进一步创新，所述耙式结构热式流场测量装置还包括数据采集装置，所述气流速度探头为电子式的热式速度探头，所述热式速度探头的数据输出端和数据采集装置连接，将流场速度信号传输至数据采集装置；
电子式的热式速度探头，数据更加精确也更加灵敏，同时也降低了实验操作时所需的劳动力，且获得的数据也更加直观。
作为本发明的进一步创新，所述气流温度补偿机构包括若干气流温度探头，所述若干气流温度探头直线阵列式地固定在固定支架上；
通过若干直线阵列式地固定在固定支架上的气流温度探头，探头可以单独拆下并且调整安装位置，方便了设备的维修，同时也可以自由的控制探头的数量，从而改变与流场接触的面积，保证了实验数据的精确度。
作为本发明的进一步创新，所述气流温度探头为电子式温度传感器，所述温度传感器的数据输出端和数据采集装置连接，将流场温度信号传输至数据采集装置；
电子式的气流温度探头，数据更加精确也更加灵敏，同时也降低了实验操作时所需的劳动力，且获得的数据也更加直观。
作为本发明的进一步创新，所述固定支架包括固定架、PCB线路板，所述PCB线路板安装在固定支架内，所述热式速度探头通过PCB线路板和数据采集装置连接；
PCB线路板式的连接方式，相比于常规导线连接，电路耗损更低，数据更加精确，同时也方便安装和维修。
作为本发明的进一步创新，所述PCB线路板上还设置有接线端子，所述热式速度探头通过PCB线路板连接到接线端子，通过接线端子插线与数据采集装置连接；
热式速度探头通过接线端子与PCB电路板连接，拆装和维护更加简便。
所述PCB线路板上设置有插座，所述PCB线路板通过插入到插座上的数据总线与数据采集装置连接；
插座可以方便的将本装置从数据采集装置连接或者断开，避免了将数据线一根一根的插入到数据采集装置上这种重复性劳动。
作为本发明的进一步创新，所述固定支架为截面为椭圆形的柱体，所述气流速度探头直线阵列式的安装在柱体外壁，所述气流速度探头相对于流线形形截面的长轴垂直，所述气流速度探头还垂直于所述柱体的轴线；
椭圆形的固定支架，流动阻力更低，防止固定支架产生扰流或者发生流体堆积对实现数据产生影响。
铂电阻式的热式速度探头具有更高的灵敏度，使得本产品在低速流场测量更加精确。
作为本发明的进一步创新，所述测量装置还包括三维驱动装置，所述三维驱动装置包括X轴导轨、Y轴导轨、Z轴导轨、旋转步进电机A和安装在X轴导轨、Y轴导轨、Z轴导轨上的直线步进电机BX、直线步进电机BY、直线步进电机BZ；
所述固定支架固定在步进电机A的转动轴上，所述步进电机A的电机机座滑动安装在Z轴导轨上，所述步进电机A通过Z轴导轨上的直线步进电机BZ在Z轴导轨上进行直线移动；
所述Z轴导轨垂直地安装在Y轴导轨上，所述Z轴导轨通过Y轴导轨上的直线步进电机BY在Y轴导轨上进行直线移动；
所述Y轴导轨垂直地安装在X轴导轨上，所述Y轴通过X轴导轨上的直线步进电机BX在X轴导轨上进行直线移动；
本移动设备可以使得测量装置在1维、2维、3维界面的移动更加的精确，降低其他维度上的移动对数据的影响，提供数据的准确性。
有益效果：本发明通过一个耙式流场测量装置和3维驱动机械的结合，可以方便以及精确的测量出气体流场的气流速度和气流方向，特别是对于密闭空间内的低速流场的气流速度和气流方向测量，本发明提供了一种快速、准确的测量手段。
附图说明
图1是实施例1的耙式结构流场测量装置的外形示意图。
图2是实施例1的耙式结构固定支架剖面构造图。
图3是实施例1的耙式结构固定支架内部俯视图。
图4是速度及温度补偿探头电气原理图。
图5是耙式测量阵列控制电路框图。
图6是三维驱动装置的正视图。
图7是三维驱动装置的侧视图。
图8是实施例2的耙式结构流程测量装置的外形示意图。
图9是实施例3的耙式结构流程测量装置的外形示意图。
图中：1.固定支架，2. 固定支架盖板，3.热式速度探头，4.气流温度探头，5.接线端子，6.PCB线路板，7.插座，8.插头及线束，9.Z轴导轨，10.X轴导轨，11.Y轴导轨，12.温度计，13.金属外壳，14.支撑板。
具体实施方式
附图非限制性地公开了本发明所涉及优选实施例的结构示意图；以下将结合附图详细地说明本发明的技术方案。
实施例1
如图1~2所示，本产品为一种耙式结构流场测量装置，本产品包括若干热式速度探头3和气流温度探头4，热式速度探头直线阵列式的固定在固定支架1上，固定支架1为椭圆柱体，热式速度探头3阵列位于固定支架1的椭圆柱体的短轴平面上，气流温度探头4固定在固定支架的长轴平面上，与热式速度探头3成90°夹角，如图2~3所示，固定支架包括固定支架本体和固定支架盖板2，在固定支架本体内固定有PCB线路板6，在PCB线路板6上焊接有接线端子5，热式速度探头3的数据线通过接线端子5连接到PCB线路板6上，在PCB线路板6上还设置有一个集线端，在集线端焊接有插座7，通过插座7与数据采集装置的插头及线束8连接。
如图4~5所示，在进行测量时，本设备还包括一个数据处理单元，本产品的数据采集装置为单片机，数据处理单元包括计算机和流场处理软件，通过对热式速度探头3在流场中的温度变量的获取，以及气流温度探头4获得的环境温度补偿量的获取，通过补偿量，补偿环境温度引起的偏差，再通过单片机采集数据，进入到计算机中，最后通过流场处理软件获得相关数据。
如图6~7所示，为了进行相关测试，本设备还具有一个三维驱动装置，所述三维驱动装置包括X轴导轨10、Y轴导轨11、Z轴导轨9、旋转步进电机A和安装在X轴导轨、Y轴导轨、Z轴导轨上的直线步进电机BX、直线步进电机BY、直线步进电机BZ；
所述固定支架1固定在步进电机A的转动轴上，所述步进电机A的电机机座滑动安装在Z轴导轨9上，所述步进电机A通过Z轴导轨上的直线步进电机BZ在Z轴导轨9上进行直线移动；
所述Z轴导轨垂直地安装在Y轴导轨11上，所述Z轴导轨9通过Y轴导轨11上的直线步进电机BY在Y轴导轨11上进行直线移动；
所述Y轴导轨垂直地安装在X轴导轨10上，所述Y轴通过X轴导轨10上的直线步进电机BX在X轴导轨10上进行直线移动；
固定支架1的轴线在旋转步进电机A的转动轴线上，旋转步进电机A、Z轴导轨上的直线步进电机BX、直线步进电机BY、直线步进电机BZ通过一个总线通信接口连接到计算机上。
以固定支架1的流线形柱体轴线为Y轴，以热式速度探头3指向为Z轴，气流温度探头4指向为X轴，以固定支架1轴线上的任意一点为原点，作空间坐标系，通过上述安装，可以使得本耙式测量流场测量装置在三种不同维度在进行移动，测试开始时，X轴原点选取耙式测量阵列前后移动范围内最后端；Y轴原点选取耙式测量阵列左右移动范围内最左端；Z轴原点选取耙式测量阵列上下移动范围内最下端；
通过计算机控制三维驱动装置驱动耙式测量固定支架沿Y轴向移动、定位，数据采集系统在每次定位时，采集耙式测量固定支架1上各热式速度探头3坐标处的气流速度，流场处理软件将采集到的数据处理后，可得到Y轴向直线移动范围内各测量坐标点的气流速度，将各坐标点的气流速度连接，生成Y轴向一维气流速度曲线；
计算机控制三维驱动装置驱动耙式测量固定支架1沿Y轴向、Z轴向形成的平面内移动、定位，数据采集系统在每次定位时，采集耙式测量固定支架1上各热式速度探头3平面坐标处的气流速度，流场处理软件将采集到的数据处理后，可得到Y轴向、Z轴向形成平面内各测量平面坐标点气流速度，将各平面坐标点气流速度按等气流速度连接的原理，生成Y轴向、Z轴向二维等气流速度图；
计算机控制三维驱动装置驱动耙式测量固定支架1沿Y轴向、Z轴向、X轴向形成的三维空间内移动、定位，相当于Y轴向、Z轴向移动形成的平面，沿X轴向移动形成的空间数据采集系统在每次定位时，采集耙式测量固定支架1上各热式速度探头3空间坐标处的气流速度，流场处理软件将采集到的数据处理后，可得到Y轴向、Z轴向、X轴向形成的三维空间内各测量空间坐标点气流速度，将各空间坐标点气流速度按等气流速度连接的原理，生成Y轴向、Z轴向、X轴向三维等气流速度图；
耙式结构热式流场测量装置采用的是恒温差测量方式，在热式速度探头测量气流速度时，被测量气流的温度必须测量，以确保恒温差控制电路控制热式速度探头的加热电流，维持二探头之间的温差保持恒定，该加热电流大小和气流速度之间存在二次曲线关系。气流温度探头实时测量气流温度，并提供给温度补偿电路修正当气流温度偏离设计点温度时,一般将气流温度设计点定为20℃的热式速度探头的加热电流，使热式速度探头测量不因气流温度变化产生偏差，温度补偿的精度将直接影响到速度测量的精度。气流温度探头采用Pt100铂电阻（温度为100℃时铂电阻阻值为100Ω），利用铂电阻阻值和温度之间的线性关系（Y=100+0.3852*t，其中Y:铂电阻阻值，t:被测量温度），通过测量铂电阻阻值，得到被测量温度。实际测量时，给Pt100施加一恒定直流电流（≤1mA，之所以小电流供电，是为了防止pt100产生自热效应影响测量精度）,实时测量pt100二端直流电压计算得到pt100实时电阻。
高性能单片机，如图5，实时读取多通道A/D转换后的若干热式速度探头的加热电流数值，得到各若干热式速度探头对应的气流速度。
实施例二
本实施例为一种采用温度计式的传统形耙式结构流场测量装置，包括固定支架1、温度计12、金属外壳13，如图8所示，温度计安装在金属外壳13内部，7个金属外壳直线阵列安装在固定支架1上，通过温度计测量获得金属外壳13的初温，在固定固定支架1在三维驱动装置内进行移动后，测得金属外壳13的温度降，从而也通过计算获取流体的速度。
实施例三
本实施例为耙式结构流场测量装置的另一种实现方式，本实施例包括一个支撑板14，在支撑板14上设置有若干互相平行的长条形通孔，通过长条形通孔产生气流通道的作用，热式速度探头3嵌入到支撑板14内部，设置在相邻的两个长条形通孔之间，支撑板14安装在固定支架1上，电路部分与实施例1相同，这样结构具有较差的维修性，但提高了一个整体性，方便使用和清理。
Claims (8)
1.一种耙式结构热式流场测量装置，其特征在于：所述耙式结构热式流场测量装置包括气流速度探测机构、气流温度补偿机构和固定支架；
所述气流速度探测机构包括气流流速测量构件和若干气流通道，所述若干气流通道间隔设置在气流流速测量构件上，所述气流速度探测机构通过气流流速测量构件测量通过气流通道的气流流速；
所述气流温度补偿机构包括温度测量构件，所述温度测量构件安装在固定支架上；
所述气流流速测量构件包括若干气流速度探头，所述若干气流速度探头直线阵列式地固定在固定支架上；
所述固定支架截面为流线形的柱体，所述气流速度探头直线阵列式的安装在柱体外壁，所述气流速度探头相对于流线形截面的长轴垂直，所述气流速度探头还垂直于所述柱体的轴线。
2.如权利要求1所述的一种耙式结构热式流场测量装置，其特征在于：所述耙式结构热式流场测量装置还包括数据采集装置，所述气流速度探头为电子式的热式速度探头，所述热式速度探头的数据输出端和数据采集装置连接，将流场速度信号传输至数据采集装置。
3.如权利要求2所述的一种耙式结构热式流场测量装置，其特征在于：所述温度测量构件为若干气流温度探头，所述气流温度探头为温度传感器，所述温度传感器固定在固定支架上，所述温度传感器的数据输出端和数据采集装置连接，将流场温度信号传输至数据采集装置。
4.如权利要求2所述的一种耙式结构热式流场测量装置，其特征在于：所述固定支架包括固定架、PCB线路板，所述PCB线路板安装在固定支架内，所述热式速度探头通过PCB线路板和数据采集装置连接。
5.如权利要求4所述的一种耙式结构热式流场测量装置，其特征在于：所述PCB线路板上还设置有接线端子，所述热式速度探头通过接线端子连接到PCB线路板。
6.如权利要求4所述的一种耙式结构热式流场测量装置，其特征在于：所述PCB线路板上设置有插座，所述PCB线路板通过插入到插座上的数据总线与数据采集装置连接。
7.如权利要求2所述的一种耙式结构热式流场测量装置，其特征在于：所述热式速度探头的发热芯体为铂电阻。
8.如权利要求1所述的一种耙式结构热式流场测量装置，其特征在于：所述测量装置还包括三维驱动装置，所述三维驱动装置包括X轴导轨、Y轴导轨、Z轴导轨、旋转步进电机A和安装在X轴导轨、Y轴导轨、Z轴导轨上的直线步进电机BX、直线步进电机BY、直线步进电机BZ；
所述固定支架固定在步进电机A的转动轴上，所述步进电机A的电机机座滑动安装在Z轴导轨上，所述步进电机A通过Z轴导轨上的直线步进电机BZ在Z轴导轨上进行直线移动；
所述Z轴导轨垂直地安装在Y轴导轨上，所述Z轴导轨通过Y轴导轨上的直线步进电机BY在Y轴导轨上进行直线移动；
所述Y轴导轨垂直地安装在X轴导轨上，所述Y轴导轨通过X轴导轨上的直线步进电机BX在X轴导轨上进行直线移动。
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