CN113466487A - 一种利用恒流式热式风速仪测定风速的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用恒流式热式风速仪测定风速的方法，所述的恒流式热式风速仪包括壳体、控制系统、恒流电源和线圈，控制系统和恒流电源设在壳体内，线圈设在壳体外，通过导线与恒流电源相连，并通过导线和杜邦线与控制系统相连；控制系统中预先录入程序，恒流电源开启后，线圈中流过恒定电流，计算出线圈的电阻率，将测得的实时温度与温度变化率代入传热学关系式，计算得到实时风速v。恒流式热式风速仪结构新颖，便于批量生产与使用；能够长时间，高频率地提供实时读数；本发明适用于需要高频率的风速测量，热滞后效应小，应用场景更广泛；线圈的选用不限于铜线圈，改变程序中相应参数并完成校正后，可选用任意合适材质的线圈。

Description

一种利用恒流式热式风速仪测定风速的方法
技术领域
本发明涉及一种测定风速的方法，特别涉及一种利用恒流式热式风速仪测定风速的方法。
背景技术
风速测量在科研和工业生产中有广泛的应用，尤其是航空航天、农业、气象等领域。其中，热式风速仪，因其动态响应频率高，耐高温、成本低、测量范围宽、空间时间分辨率高，并且可同时测量流体的温度等参数，在风速测量场景被广泛选择。目前，恒温式、恒流式、恒压式为三种主要的热式风速仪原理。恒流式风速仪的原理为：加热电流恒定不变，则热线阻值和加热电压随来流流速的改变而改变，根据流速和加热电压的关系，计算出来流流速。然而，恒流式热式风速仪热滞后效应太大，而电子补偿又存在诸多困难，限制了恒流式热式风速仪的发展。基于上述考量，希望提供一种热滞后效应较小的恒流式热式风速测定方法，同时它应具有精度较高等特征。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种利用恒流式热式风速仪测定风速的方法，所述的恒流式热式风速仪包括壳体、控制系统、恒流电源和线圈，控制系统和恒流电源设在壳体内，线圈设在壳体外，线圈为圆形线圈，两端通过导线与恒流电源相连，并通过导线和杜邦线与控制系统相连；
控制系统中预先录入程序，输入流经线圈的电流、线圈的长度与截面积、线圈材质的电阻率—温度关系式；
将恒流式热式风速仪放置于待测空间，恒流电源开启后，线圈中流过恒定电流，由于电流的热效应，线圈温度升高；铜线圈的电压信号输入控制系统，控制系统将电压信号转为数字信号；
控制系统接受到信号后，计算出线圈的电阻率，再根据电阻率—温度关系式，计算出线圈的实时温度T，并将测得的第一个温度作为室温；进而得到线圈的温度变化率
Figure BDA0003221967270000021
将测得的实时温度T与温度变化率
Figure BDA0003221967270000022
代入以下传热学关系式：
Figure BDA0003221967270000023
式中：c代表线圈材质的比热容，m为线圈质量，
Figure BDA0003221967270000024
为温度的变化率，h为对流传热系数，Ac0为室温下线圈的表面积，β为线圈材质的线膨胀系数，ΔT为线圈温度与室温的差值，ε为线圈材质的发射率，σ为斯忒藩玻尔兹曼常数，P0为常温下线圈的加热功率，α为线圈材质的电阻温度系数；
其中h、Ac0、P0的计算关系如下：
Figure BDA0003221967270000025
Ac0＝2πL0r0
Figure BDA0003221967270000026
Figure BDA0003221967270000027
Figure BDA0003221967270000028
式中：C为常数，n为常数，λ为空气的导热系数，a为热扩散率，v为运动粘度，ρ为空气密度，r0为室温下线圈的半径，μ为空气的动力粘性系数，L0为室温下线圈的长度，I为加热电流的电流强度，ρ0为室温下线圈材质的密度，v为待测实时风速；Cv为等体摩尔热容，d为空气分子平均直径，d＝3.5×10-10，k为玻尔兹曼常数，m0为空气分子平均质量，Cp为等压摩尔热容；
由上述公式计算，得到实时风速v。
所述的恒流式热式风速仪的控制系统包括树莓派4b及其扩展板，树莓派4b通过GPIO接口与扩展板连接，线圈通过导线和杜邦线与扩展板相连。
所述的壳体上设有显示屏，所述的显示屏通过GPIO接口与扩展板连接。
所述的线圈与恒流电源之间的线路上连接有保险丝，所述的保险丝设在壳体侧边，壳体上对应保险丝的位置设有保险丝盖。
所述的扩展板还设有USB接口，所述的USB接口设在壳体侧边，壳体上对应USB接口的位置设有滑盖。
所述的壳体上还设有开关，开关与控制系统相连，开关控制线圈接通恒流电源，控制控制系统接通恒流电源。
所述的壳体侧壁设有散热孔。
所述的线圈优选为铜线圈。
本发明的有益效果：
本发明所使用的恒流式热式风速仪结构新颖，便于批量生产与使用；能够长时间，高频率地提供实时读数；本发明适用于需要高频率的风速测量，热滞后效应小，应用场景更广泛；线圈的选用不限于铜线圈，改变程序中相应参数并完成校正后，可选用任意合适材质的线圈。
附图说明
图1为本发明恒流式热式风速仪整体结构示意图；
图2为本发明恒流式热式风速仪结构示意图；
1、壳体 2、控制系统 3、恒流电源 4、线圈 5、树莓派4b 6、扩展板 7、显示屏 8、保险丝 9、保险丝盖 10、USB接口 11、滑盖 12、开关 13、散热孔。
具体实施方式
请参阅图1-2所示：
本发明提供一种利用恒流式热式风速仪测定风速的方法，所述的恒流式热式风速仪包括壳体1、控制系统2、恒流电源3和线圈4，控制系统2和恒流电源3设在壳体1内，线圈4设在壳体1外，线圈4为圆形线圈，两端通过导线与恒流电源3相连，所述的控制系统2包括树莓派4b5及其扩展板6，树莓派4b5通过GPIO接口与扩展板6连接，线圈4通过导线和杜邦线与扩展板6相连。所述的壳体1上设有显示屏7，所述的显示屏7通过GPIO接口与扩展板6连接，用于输入数据和显示数据信息。
所述的线圈4与恒流电源3之间的线路上连接有保险丝8，所述的保险丝8设在壳体1侧边，壳体1上对应保险丝8的位置设有保险丝盖9。
所述的扩展板6还设有USB接口10，所述的USB接口10设在壳体1侧边，USB接口10用于与计算机进行连接，传输数据；壳体1上对应USB接口10的位置设有滑盖11，起到保护作用。
所述的壳体1上还设有开关12，开关12与控制系统2相连，开关12控制线圈4接通恒流电源3，控制树莓派4b5接通恒流电源3。
所述的壳体1侧壁设有散热孔13，用于装置散热。
所述的线圈4选为铜线圈。
树莓派4b5中预先录入程序，输入流经线圈4的电流预定值、线圈4的长度与截面积、铜的电阻率—温度关系式；
将恒流式热式风速仪放置于待测空间，通过开关将恒流电源3开启后，线圈4中流过预定值的恒定电流，由于电流的热效应，线圈4温度升高；扩展板6接在线圈4两端，线圈4的电压信号输入扩展板6，扩展板6将电压信号转为数字信号，输入树莓派4b5；
树莓派4b5接受到信号后，计算出线圈4的电阻率，再根据电阻率—温度关系式，计算出线圈4的实时温度T，并将测得的第一个温度作为室温T0；进而得到线圈4的温度变化率
Figure BDA0003221967270000051
将测得的实时温度T与温度变化率
Figure BDA0003221967270000052
代入以下传热学关系式：
Figure BDA0003221967270000053
式中：c代表铜的比热容，m为线圈质量，
Figure BDA0003221967270000054
为温度的变化率，h为对流传热系数，Ac0为室温下线圈4的表面积，β为铜的线膨胀系数，ΔT为线圈4温度与室温的差值，ε为铜的发射率，σ为斯忒藩玻尔兹曼常数，P0为常温下线圈4的加热功率，α为铜的电阻温度系数；
其中h、Ac0、P0的计算关系如下：
Figure BDA0003221967270000055
Ac0＝2πL0r0
Figure BDA0003221967270000056
Figure BDA0003221967270000057
Figure BDA0003221967270000058
式中：C为常数，取0.683，n为常数，取0.466，λ为空气的导热系数，a为热扩散率，v为运动粘度，ρ为空气密度，r0为室温下线圈4的半径，μ为空气的动力粘性系数，L0为室温下线圈4的长度，I为加热电流的电流强度，ρ0为室温下铜的密度，v为待测实时风速；Cv为等体摩尔热容，d为空气分子平均直径，d＝3.5×10-10，k为玻尔兹曼常数，m0为空气分子平均质量，Cp为等压摩尔热容；
由上述公式计算，得到实时风速v。
本实施例进行测试，向线圈4中输入电流，测得风速测试结果如下表：
其中，T代表线圈温度，
Figure BDA0003221967270000061
代表降温速率，T0代表室温，v代表测得的风速值，v′代表实际风速，由其他风速计测得。
测量实例数据记录
Figure BDA0003221967270000062

Claims (8)

1.一种利用恒流式热式风速仪测定风速的方法，其特征在于：
向恒流式热式风速仪的控制系统中预先录入程序，输入流经线圈的电流、线圈的长度与截面积、线圈材质的电阻率—温度关系式；
将恒流式热式风速仪放置于待测空间，恒流电源开启后，线圈中流过恒定电流，由于电流的热效应，线圈温度升高；铜线圈的电压信号输入控制系统，控制系统将电压信号转为数字信号；
控制系统接受到信号后，计算出线圈的电阻率，再根据电阻率—温度关系式，计算出线圈的实时温度T，并将测得的第一个温度作为室温；进而得到线圈的温度变化率
Figure FDA0003221967260000011
将测得的实时温度T与温度变化率
Figure FDA0003221967260000012
代入以下传热学关系式：
Figure FDA0003221967260000013
式中：c代表线圈材质的比热容，m为线圈质量，
Figure FDA0003221967260000014
为温度的变化率，h为对流传热系数，Ac0为室温下线圈的表面积，β为线圈材质的线膨胀系数，ΔT为线圈温度与室温的差值，ε为线圈材质的发射率，σ为斯忒藩玻尔兹曼常数，P0为常温下线圈的加热功率，α为线圈材质的电阻温度系数；
其中h、Ac0、P0的计算关系如下：
Figure FDA0003221967260000015
Ac0＝2πL0r0
Figure FDA0003221967260000016
Figure FDA0003221967260000017
Figure FDA0003221967260000021
式中：C为常数，n为常数，λ为空气的导热系数，a为热扩散率，ν为运动粘度，ρ为空气密度，r0为室温下线圈的半径，μ为空气的动力粘性系数，L0为室温下线圈的长度，I为加热电流的电流强度，ρ0为室温下线圈材质的密度，v为待测实时风速；Cv为等体摩尔热容，d为空气分子平均直径，d＝3.5×10-10，k为玻尔兹曼常数，m0为空气分子平均质量，Cp为等压摩尔热容；
由上述公式计算，得到实时风速v。
2.根据权利要求1所述的一种利用恒流式热式风速仪测定风速的方法，其特征在于：所述的恒流式热式风速仪包括壳体、控制系统、恒流电源和线圈，控制系统和恒流电源设在壳体内，线圈设在壳体外，线圈为圆形线圈，两端通过导线与恒流电源相连；所述的控制系统包括树莓派4b及其扩展板，树莓派4b通过GPIO接口与扩展板连接，线圈通过导线和杜邦线与扩展板相连。
3.根据权利要求2所述的一种利用恒流式热式风速仪测定风速的方法，其特征在于：所述的壳体上设有显示屏，所述的显示屏通过GPIO接口与扩展板连接。
4.根据权利要求2所述的一种利用恒流式热式风速仪测定风速的方法，其特征在于：所述的线圈与恒流电源之间的线路上连接有保险丝，所述的保险丝设在壳体侧边，壳体上对应保险丝的位置设有保险丝盖。
5.根据权利要求2所述的一种利用恒流式热式风速仪测定风速的方法，其特征在于：所述的扩展板还设有USB接口，所述的USB接口设在壳体侧边，壳体上对应USB接口的位置设有滑盖。
6.根据权利要求2所述的一种利用恒流式热式风速仪测定风速的方法，其特征在于：所述的壳体上还设有开关，开关控制线圈接通恒流电源，控制控制系统接通恒流电源。
7.根据权利要求2所述的一种利用恒流式热式风速仪测定风速的方法，其特征在于：所述的壳体侧壁设有散热孔。
8.根据权利要求2所述的一种利用恒流式热式风速仪测定风速的方法，其特征在于：所述的线圈优选为铜线圈。
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