CN115166288B - 用于检测流体近壁流动速度和方向的装置及方法 - Google Patents

用于检测流体近壁流动速度和方向的装置及方法 Download PDF

Info

Publication number
CN115166288B
CN115166288B CN202210545769.6A CN202210545769A CN115166288B CN 115166288 B CN115166288 B CN 115166288B CN 202210545769 A CN202210545769 A CN 202210545769A CN 115166288 B CN115166288 B CN 115166288B
Authority
CN
China
Prior art keywords
fluid
voltage
thermosensitive
flow
thermosensitive element
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202210545769.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN115166288A (zh
Inventor
张之豪
徐胜金
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tsinghua University
Original Assignee
Tsinghua University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tsinghua University filed Critical Tsinghua University
Priority to CN202210545769.6A priority Critical patent/CN115166288B/zh
Publication of CN115166288A publication Critical patent/CN115166288A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN115166288B publication Critical patent/CN115166288B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
    • G01P5/08—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring variation of an electric variable directly affected by the flow, e.g. by using dynamo-electric effect
    • G01P5/086—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring variation of an electric variable directly affected by the flow, e.g. by using dynamo-electric effect by using special arrangements and constructions for measuring the dynamo-electric effect
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P13/00—Indicating or recording presence, absence, or direction, of movement
    • G01P13/02—Indicating direction only, e.g. by weather vane

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Indicating Or Recording The Presence, Absence, Or Direction Of Movement (AREA)

Abstract

本申请提供一种用于检测流体近壁流动速度和方向的装置及方法，该装置包括探头和检测组件；探头包括固定板和设置于固定板上的至少四个热敏元件，至少四个热敏元件分为两组，每组包括至少两个热敏电阻，其中一组热敏元件中的各热敏元件的长度方向均在第一方向上延伸，另一组热敏元件中的各热敏元件的长度方向均在第二方向上延伸，在第一方向上延伸的各热敏元件相互平行，在第二方向上延伸的各热敏元件相互平行，第一方向与第二方向垂直；检测组件与各热敏元件分别连接，检测组件用于检测各热敏元件的电压。该装置解决了相关技术中用于检测流体近壁流动状态的装置无法检测流体流动的方向的技术问题。

Description

用于检测流体近壁流动速度和方向的装置及方法
技术领域
本申请实施例涉及流体检测技术领域，尤其涉及一种用于检测流体近壁流动速度和方向的装置及方法。
背景技术
流体在物体壁面附近(近壁)的流动状态能够反映流动分离、流动转捩、边界层流动结构的生成演化、壁面摩擦应力等诸多物理问题，具有重要的研究价值。
在相关技术中，热线风速仪具有高频响范围、高灵敏度等特点，是检测近壁流动状态的重要手段，但热线风速仪只能够检测流体流动速度的绝对值，无法感知流动速度的方向性。
发明内容
本申请实施例提供一种用于检测流体近壁流动速度和方向的装置及方法，用以解决相关技术中用于检测流体近壁流动状态的装置无法检测流体流动的方向的技术问题。
本申请实施例为解决上述技术问题提供如下技术方案：
本申请实施例提供了一种用于检测流体近壁流动速度和方向的装置，包括探头和检测组件；
所述探头包括固定板和设置于所述固定板上的至少四个用于检测流体近壁流动速度和方向的热敏元件，各所述热敏元件均配置为：所述热敏元件上施加有电压，在所述热敏元件与流体换热时，通过改变施加于所述热敏元件上的电压来维持所述热敏元件的温度恒定；
至少四个所述热敏元件分为两组，每组包括至少两个所述热敏电阻，其中一组热敏元件中的各所述热敏元件的长度方向均在第一方向上延伸，另一组热敏元件中的各所述热敏元件的长度方向均在第二方向上延伸，在所述第一方向上延伸的各所述热敏元件相互平行，用于检测流体在第二方向上的流动速度和流动方向，在所述第二方向上延伸的各所述热敏元件相互平行，用于检测流体在所述第一方向上的流动速度和流动方向，所述第一方向与所述第二方向垂直；
所述检测组件与各所述热敏元件分别连接，所述检测组件用于实时检测各所述热敏元件的电压。
本申请实施例的有益效果：本申请实施例提供的用于检测流体近壁流动速度和方向的装置通过至少四个热敏元件对流体近壁流动速度和方向进行检测，本申请实施例提供的装置在使用时，首先对各热敏元件进行标定，即在标准流动速度(已知量)的条件下检测各热敏元件的电压，以建立各热敏元件的电压与流动速度之间的标定函数，然后探头伸入待测近壁区，根据流体流经在第二方向上延伸的各热敏元件的先后顺序，确定流体在第一方向上的流动方向，且根据在第二方向上延伸的各热敏元件中的任一个热敏元件的电压以及标定函数，确定流体在第一方向上的流动速度；同理，根据在第一方向上延伸的各热敏元件确定流体在第二方向上的流动方向以及流体在第二方向上的流动速度。也就是说，本申请实施例提供的检测装置不仅能够检测流体在第一方向和第二方向上的流动速度，也能够检测流体在第一方向和第二方向上的流动方向，通过流体在第一方向和第二方向上的流动速度以及流动方向能够计算出流体的流动方向和流动速度。
在一种可能的实施方式中，还包括数据采集分析系统，所述检测组件与所述数据采集分析系统通信连接，所述数据采集分析系统配置为：
在多个标准流动速度下对各所述热敏元件进行分别标定时，所述数据采集分析系统获取各所述标准流动速度下所述检测组件检测的各所述热敏元件的电压，并分析各所述热敏元件的电压与流体流动速度之间的映射关系，以确定各所述热敏元件的电压与流体流动速度之间的标定函数，所述标准流动速度为用于各所述热敏元件标定的已知量；
在所述装置用于检测流体近壁流动速度和方向时，所述数据采集分析系统获取所述检测组件检测的各所述热敏元件的电压，并根据其获取的各所述热敏元件的电压以及各所述热敏元件的标定函数，判断流体的流动速度以及流动方向。
在一种可能的实施方式中，所述检测组件为惠斯通电桥，所述惠斯通电桥通过信号调理电路与所述数据采集分析系统通信连接，所述信号调理电路用于将所述惠斯通电桥检测的电压信号转换为所述数据采集分析系统可读的信号。
在一种可能的实施方式中，还包括探杆以及用于连接各所述热敏组件与所述检测组件的导线；
所述固定板固定连接于所述探杆的第一端；
部分所述导线位于所述探杆内，且与各所述热敏元件连接，部分所述导线自所述探杆的第二端伸出，且与所述检测组件连接；
所述第一端和所述第二端为所述探杆相对的两端。
在一种可能的实施方式中，所述热敏元件的数量为四个，四个热敏电阻均分为两组，四个所述热敏元件的长度方向所在的直线围合形成一个矩形结构，四个所述热敏元件分别位于所述矩形结构的四条边上；
所述固定板为电路板，所述电路板上设置有四个电压输入连接点和四个电压输出连接点，四个所述电压输入连接点和四个所述电压输出连接点均位于所述矩形结构的内部；
每个所述热敏元件对应一个所述电压输入点和一个电压输出点，且各所述热敏元件的电压输入端通过第一连接线与对应的所述电压输入点连接，各所述热敏元件的电压输出端通过第二连接线与对应的所述电压输出点连接；
位于所述探杆内的导线与四个所述电压输入连接点和四个所述电压输出连接点分别连接。
在一种可能的实施方式中，四个所述电压输入连接点和四个所述电压输出连接点环绕所述矩形结构的中心设置，且围合形成圆形结构；
所述探杆包括锥形探杆和直型探杆，所述锥形探杆的大头端与所述直型探杆连接，所述锥形探杆的小头端与所述电路板连接。
在一种可能的实施方式中，所述第一方向为流体流动的方向。
本申请实施例还提供了一种用于检测流体近壁流动速度和方向的方法，采用如上任一方案所述的用于检测流体近壁流动速度和方向的装置来检测流体近壁流动速度和方向，所述方法包括：
确定各所述热敏元件的电压与流体流动速度之间的标定函数；
根据在第二方向上延伸的各所述热敏元件的电压变化，确定流体在第一方向上的流动方向，且根据在第二方向上延伸的各所述热敏元件中的任一个热敏元件的电压以及对应所述热敏元件的，确定流体在第一方向上的流动速度；
根据在第一方向上延伸的各所述热敏元件的电压变化，确定流体在第二方向上的流动方向，且根据在第一方向上延伸的各所述热敏元件中的任一个热敏元件的电压以及对应所述热敏元件的标定函数，确定流体在第二方向上的流动速度。
本申请实施例提供的用于检测流体近壁流动速度和方向的方法的有益效果与上述用于检测流体近壁流动速度和方向的装置的有益效果相同，在此不再赘述。
在一种可能的实施方式中，确定各所述热敏元件的电压与流体流动速度之间的标定函数，包括：
获取各标准流动速度下各所述热敏元件的电压，所述标准流动速度为用于各所述热敏元件标定的已知量；
分析各所述热敏元件的电压与流体流动速度之间的映射关系，确定各所述热敏元件的电压与流体流动速度之间的标定函数。
在一种可能的实施方式中，根据在第二方向上延伸的各所述热敏元件中的任一个热敏元件的电压以及所述标定函数，确定流体在第一方向上的流动速度，包括：
根据流体在第一方向上的流动方向，确定在第二方向上延伸的各所述热敏元件中位于上游的热敏元件，根据在第二方向上延伸的各所述热敏元件中位于上游的热敏元件以及所述标定函数，确定流体在第一方向上的流动速度。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
图1为本申请实施例用于检测流体近壁流动速度和方向的装置的结构示意图；
图2为图1中A处的放大图；
图3为探头的仰视图；
图4为图2的侧视图；
图5为电压检测以及电压信号调理、采集的流程图；
图6为流体在第一方向上的流动方向的判断原理图；
图7为流体在第二方向上的流动方向的判断原理图。
附图标记说明：
100、探头；
110、固定板；
111、电压输入连接点；112、电压输出连接点；113、第一连接线；114、第二连接线；
121、第一热敏元件；122、第二热敏元件；123、第三热敏元件；124、第四热敏元件；
200、探杆；
210、锥形探杆；220、直型探杆；
300、检测组件；
400、信号调理电路；
500、数据采集分析系统；
600、壁面；
x、第一方向；
z、第二方向。
通过上述附图，已示出本申请明确的实施例，后文中将有更详细的描述。这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本申请构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本申请的概念。
具体实施方式
在相关技术中，流体近壁面流动状态通常采用热线风速仪进行检测，但是壁面附近常会出现流动分离或其它复杂流动状态，当壁面附近出现流动分离或其它复杂流动状态时，均可能使近壁的瞬态流动速度的方向发生改变，甚至速度矢量方向会旋转180度，而相关技术中的热线风速仪只能够检测流体流动速度的绝对值，无法感知流动速度的方向性，也就是说，相关技术中的热线风速仪无法准确的对壁面附近出现的流动分离或其它复杂流动状态进行检测。
有鉴于此，本申请实施例通过四个热敏元件对流体近壁流动速度和方向进行检测，流动状态包括流体流动速度和流体流动方向，四个热敏元件中的两个在第一方向上延伸，另外两个在第二方向上延伸，四个热敏元件均施加有电压，四个热敏元件通过改变电压来维持其与流体进行热交换时的温度稳定，流体在第一方向上的流动速度和流动方向通过在第二方向上延伸的两个热敏元件来检测，流体在第二方向上的流动速度和流动方向通过在第一方向上延伸的两个热敏元件来检测。
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
图1为本申请实施例用于检测流体近壁流动速度和方向的装置的结构示意图；图2为图1中A处的放大图；图3为探头的仰视图；图4为图2的侧视图；图5为电压检测以及电压信号调理、采集的流程图；图6为流体在第一方向上的流动方向的判断原理图；图7为流体在第二方向上的流动方向的判断原理图。
如图1、图2、图3和图4所示，本实施例提供的用于检测流体近壁流动速度和方向的装置包括探头100和检测组件300。其中，探头100包括固定板110和设置于固定板110上的至少四个用于检测流体近壁流动速度和方向的热敏元件，也就是说，固定板上设置的用于检测流体近壁流动速度和方向的热敏元件至少有四个，固定板上除了上述的至少四个用于检测流体近壁流动速度和方向的热敏元件外，还可以包括具有其他用途的热敏元件，在此不做具体限定。
各用于检测流体近壁流动速度和方向的热敏元件均配置为：热敏元件上施加有电压，在热敏元件与流体换热时，通过改变施加于热敏元件上的电压来维持热敏元件的温度恒定。也就是说，本申请实施例提供的用于检测流体近壁流动速度和方向的装置是基于热敏元件与流体对流换热的原理设计，在检测流体近壁流动速度和方向时，在每个热敏元件的两端施加电压，对热敏元件进行加热，流体流经热敏元件时由于对流换热，会使热敏元件的温度发生改变，为了维持热敏元件的温度恒定，可以通过改变施加于热敏元件上的电压来维持热敏元件的温度恒定。在流体与各热敏元件换热时，当流体流动速度快时，热敏元件与流体的换热量较大，此时施加于热敏元件上的电压较大，当流体流动速度较慢时，热敏元件与流体的换热量相对较小，此时施加于热敏元件上的电压较小，也就是说，可以通过预先建立的各热敏元件的电压与流体流动速度之间的映射关系，来检测待测近壁区流体的流动速度。
至少四个热敏元件分为两组，每组包括至少两个热敏电阻，其中一组热敏元件中的各热敏元件的长度方向均在第一方向上延伸，另一组热敏元件中的各热敏元件的长度方向均在第二方向上延伸，在第一方向上延伸的各热敏元件相互平行，用于检测流体在第二方向上的流动速度和流动方向，在第二方向上延伸的各热敏元件相互平行，用于检测流体在第一方向上的流动速度和流动方向，第一方向与第二方向垂直。
检测组件300与各热敏元件分别连接，检测组件300用于检测各热敏元件的电压，检测组件可以检测各热敏元件的电压变化，以使用户能够获取各热敏元件的电压变化，从而使得用户能够根据各热敏元件的电压变化来获取流体在第一方向和第二方向上的流动状态，其中，流动状态包括流动速度和流动方向。示例性的，检测组件300可以为检测并记录各热敏元件的电压的组件，也可以为检测并输出各热敏元件的电压的组件。当检测组件300为检测并记录各热敏元件的电压的组件，用户可以通过获取检测组件记录的各热敏元件的电压变化来分析流体的流动状态；当检测组件300为检测并输出各热敏元件的电压的组件时，检测组件300还与下述的数据采集分析系统500通信连接，数据采集分析系统500用于获取检测组件300检测的电压，并对其获取的电压进行分析，具体见下述的数据采集分析系统500。
本申请实施例提供的装置在使用时，首先对各热敏元件进行标定，即在标准流动速度(已知量)的条件下检测各热敏元件的电压，以建立各热敏元件的电压与流动速度之间的标定函数，然后探头伸入待测近壁区，根据流体流经在第二方向上延伸的各热敏元件的先后顺序，确定流体在第一方向上的流动方向，且根据在第二方向上延伸的各热敏元件中的任一个热敏元件的电压以及标定函数，确定流体在第一方向上的流动速度；同理，根据在第一方向上延伸的各热敏元件确定流体在第二方向上的流动方向以及流体在第二方向上的流动速度。也就是说，本申请实施例提供的装置不仅能够检测流体在第一方向和第二方向上的流动速度，也能够检测流体在第一方向和第二方向上的流动方向，通过流体在第一方向和第二方向上的流动速度以及流动方向能够计算出流体的流动方向和流动速度。
在本申请的一些实施例中，热敏元件的数量为四个，四个热敏电阻均分为两组，四个热敏元件分别为第一热敏元件121、第二热敏元件122、第三热敏元件123和第四热敏元件124，其中，第一热敏元件121和第二热敏元件122为一组，第三热敏元件123和第四热敏元件124为一组，第一热敏元件121和第二热敏元件122的长度方向均在第二方向上延伸，且第一热敏元件121和第二热敏元件122相互平行，第三热敏元件123和第四热敏元件124均在第一方向上延伸，且第三热敏元件123和第四热敏元件124相互平行，流体在第一方向上的流动速度和流动方向通过第一热敏元件121和第二热敏元件122检测，流体在第二方向上的流动速度和流动方向通过第三热敏元件123和第四热敏元件124检测。
第一热敏元件121和第二热敏元件122检测流体在第一方向上的流动方向的方式为：流体在流动过程中的某一瞬时时刻在近壁区产生流体流动状态变化，该变化会引起第一热敏元件121和第二热敏元件122的电压变化，且该变化引起第一热敏元件121和第二热敏元件122的电压变化会存在先后顺序，即流动状态发生变化的流体流经第一热敏元件121和第二热敏元件122会存在先后顺序，则根据第一热敏元件121和第二热敏元件122电压变化的先后顺序，确定流动状态发生变化的流体流经第一热敏元件121和第二热敏元件122的先后顺序，然后根据流动状态发生变化的流体流经第一热敏元件121和第二热敏元件122的先后顺序，确定流体在第一方向上的流动方向。也就是说，若流动状态发生变化的流体先流经第一热敏元件121，再流经第二热敏元件122时，流体在第一方向上的流动方向为由第一热敏元件121流向第二热敏元件122，若流动状态发生变化的流体先流经第二热敏元件122，再流经第一热敏元件121时，流体在第一方向上的流动方向为由第二热敏元件122流向第一热敏元件121。
第一热敏元件121和第二热敏元件122检测流体在第一方向上的流动速度的方式为：根据预先建立的各热敏元件的电压与流体流动速度之间的映射关系以及根据检测组件300检测的施加于第一热敏元件121或第二热敏元件122上的电压来获取流体在第一方向上的流动速度，也就是说，通过第一热敏元件121和第二热敏元件122中的一个即可获取流体在第一方向上的流动速度，可选的，根据第一热敏元件121和第二热敏元件122中位于上游的热敏元件来检测流体在第一方向上的流动速度，即根据流体先流经的热敏元件来检测流体在第一方向上的流动速度。例如，流动状态发生变化的流体先流经第一热敏元件121，再流经第二热敏元件122时，流体在第一方向上的流动速度通过预先建立的第一热敏元件121的电压与流体流动速度之间的映射关系以及检测组件300检测的施加于第一热敏元件121上的电压来获取流体在第一方向上的流动速度。
第三热敏元件123和第四热敏元件124检测流体在第二方向上的流动方向和流动速度的方式与第一热敏元件121和第二热敏元件122检测流体在第一方向上的流动方向和流动速度的方式相同，在此不再赘述。也就是说，本申请实施例提供的装置不仅能够检测流体在第一方向和第二方向上的流动速度，也能够检测流体在第一方向和第二方向上的流动方向，通过流体在第一方向和第二方向上的流动速度以及流动方向能够计算出流体流动的方向以及速度。
值得说明的是，本申请实施例提供的用于检测流体近壁流动速度和方向的装置能够检测某一瞬时时刻的流体流动状态，即能够检测某一瞬时时刻的流体流动的方向以及速度。
可选的，第一方向为流体流动的方向，其中流体流动的方向为图1、图3和图4中所示的来流方向，即x方向，即第一方向为x方向，第二方向为y方向。也就是说，本申请实施例提供的用于检测流体近壁流动速度和方向的装置能够检测某一瞬时时刻的流体在其流动方向上的流动方向和流动速度，以及能够检测某一瞬时时刻的流体在垂直于其流动方向上的流动方向和流动速度，并且根据某一瞬时时刻的流体在其流动方向上的流动方向和流动速度，以及流体在垂直于其流动方向上的流动方向和流动速度，可以计算出流体流动的速度以及方向。当然第一方向也可以为其他方向，通过流体在第一方向上的流动方向和流动速度以及流体在第二方向上的流动方向和流动速度，同样可以计算出流体流动的速度以及方向，并且也可以计算出流体在其流动方向上的流动方向和流动速度，以及流体在垂直于其流动方向上的流动方向和流动速度。
在本申请的一些实施例中，示例性的，本申请实施例提供的用于检测流体近壁流动速度和方向的装置还包括数据采集分析系统500，检测组件300与数据采集分析系统500通信连接，也就是说，检测组件300为检测并输出各热敏元件的电压的组件，检测组件300检测各热敏元件的电压并将其检测的电压输送至数据采集分析系统500，实现了该检测装置的自动检测化，无需人为操作计算，检测速度快。
数据采集分析系统500配置为：在多个标准流动速度下对各热敏元件进行分别标定时，数据采集分析系统500获取各标准流动速度下检测组件300检测的各热敏元件的电压，并分析各热敏元件的电压与流体流动速度之间的映射关系，以确定各热敏元件的电压与流体流动速度之间的标定函数，标准流动速度为用于各热敏元件标定的已知量；在该装置用于检测流体近壁流动速度和方向时，数据采集分析系统500获取检测组件检测的各热敏元件的电压，并根据其获取的各热敏元件的电压以及各热敏元件的标定函数，判断流体的流动速度以及流动方向。
示例性的，在一种具体的判断流体在第一方向上的流动方向和流动速度的方式中，如图6所示，图6中的曲线1表示第一热敏元件121的电压变化曲线，曲线2表示第二热敏元件122的电压变化曲线，纵坐标E表示电压，横坐标t表示时间，第一热敏元件121的输出电压为E1(t)，第二热敏元件122的输出电压为E2(t)，第一热敏元件121的电压与流体流动速度之间的映射关系为f1[E1(t)]，第二热敏元件122的电压与流体流动速度之间的映射关系为f2[E2(t)]，ti为某瞬时时刻，Ux为第一方向的速度分量，Δt12为ti时刻第一热敏元件121和第二热敏元件122的电压相位差，即Δt12为ti时刻，第一热敏元件121和第二热敏元件122的电压做互相关得到相位差。本申请实施例提供的装置可以根据Δt12的符号来判断流体在第一方向上的流向，也就是说，当Δt12>0时，流体在第一方向上的流向为自第一热敏元件121流向第二热敏元件122，当t12<0时，流体在第一方向上的流向为自第二热敏元件122流向第一热敏元件121。为减小第一热敏元件121和第二热敏元件122之间的相互扰动，通常使用上游的热敏元件计算流动速度大小，即当Δt12>0时，使用第一热敏元件121计算流动速度大小，当t12<0时，使用第二热敏元件122计算流动速度大小，也就是说，流体在第一方向的流动速度的计算公式如下：
在一种具体的判断流体在第二方向上的流动方向和流动速度的方式中，如图7所示，图7中的曲线3表示第三热敏元件123的电压变化曲线，曲线4表示第四热敏元件124的电压变化曲线，纵坐标E表示电压，横坐标t表示时间，第三热敏元件123的输出电压为E3(t)，第四热敏元件124的输出电压为E4(t)，第三热敏元件123的电压与流体流动速度之间的映射关系为f3[E3(t)]，第四热敏元件124的电压与流体流动速度之间的映射关系为f4[E4(t)]，ti为某瞬时时刻，Uz为第二方向的速度分量，Δt34为ti时刻第三热敏元件123和第四热敏元件124的电压相位差，即Δt34为ti时刻，第三热敏元件123和第四热敏元件124的电压做互相关得到相位差。同理，本申请实施例提供的装置可以根据Δt34的符号来判断流体在第二方向上的流向。同样，为减小第三热敏元件123和第四热敏元件124之间的相互扰动，通常使用上游的热敏元件计算流动速度大小，即当Δt12>0时，使用第三热敏元件123计算流动速度大小，当t12<0时，使用第四热敏元件124计算流动速度大小，也就是说，流体在第二方向的流动速度的计算公式如下：
在本申请的一些实施例中，如图5所示，检测组件300为惠斯通电桥，惠斯通电桥通过信号调理电路400与数据采集分析系统500通信连接，信号调理电路400用于将惠斯通电桥检测的电压信号转换为数据采集分析系统500可读的信号。信号调理电路400对各热敏元件输出的电压信号进行滤波、放大，然后传输至数据采集分析系统500。图5中，e1(t)、e2(t)、e3(t)、e4(t)分别为第一热敏元件121、第二热敏元件122、第三热敏元件123和第四热敏元件124经惠斯通电桥输出的电压信号，E1(t)、E2(t)、E3(t)、E4(t)分别为第一热敏元件121、第二热敏元件122、第三热敏元件123和第四热敏元件124经信号调理电路400后输出的电压信号。
在本申请的一些实施例中，本申请实施例提供的装置还包括探杆200以及用于连接各热敏组件与检测组件300的导线，固定板110固定连接于探杆200的第一端，部分导线位于探杆200内，且与各热敏元件连接，部分导线自探杆200的第二端伸出，且与检测组件300连接，第一端和第二端为探杆200相对的两端。也就是说，本申请实施例提供的装置包括两大部分，一大部分为探杆200检测部分，另一大部分为电压检测部分，其中，探杆200检测部分包括探杆200和设置于探杆200一端的探头100，探头100上的各热敏元件与置于探杆200内的导线连接，探杆200内的导线自探杆200远离探头100的一端伸出并连接至检测组件300上，以实现各热敏元件与检测组件300的连接，即探杆200检测部分与电压检测部分通过导线连接。此设置便于探杆200检测部分的探头100伸入至待测近壁区，操作方便。
为了使得探头100结构更加紧凑，减小探头100整体的大小，四个热敏元件的长度方向所在的直线围合形成一个矩形结构，四个热敏元件分别位于矩形结构的四条边上，也就是说，四个热敏元件互不接触，四个热敏元件围合形成一个缺少四个顶角的矩形结构，其中方形结构属于矩形结构的一种，可选的，四个热敏元件围合形成一个缺少四个顶角的方形结构。
固定板110为电路板，电路板上设置有四个电压输入连接点111和四个电压输出连接点112，四个电压输入连接点111和四个电压输出连接点112均位于矩形结构的内部，每个热敏元件对应一个电压输入点和一个电压输出点，且各热敏元件的电压输入端通过第一连接线113与对应的电压输入点连接，各热敏元件的电压输出端通过第二连接线114与对应的电压输出点连接，位于探杆200内的导线与四个电压输入连接点111和四个电压输出连接点112分别连接。电路板上能够设置各种走线，各热敏元件的电压输入端和电压输出端首先经过电路板的走线引至电路板的中部，便于探杆200中的导线与各热敏元件的连接。可选的，各第一连接线113和各第二连接线114为通过激光雕刻技术在电路板上雕刻的线路。
进一步的，四个电压输入连接点111和四个电压输出连接点112环绕矩形结构的中心设置，且围合形成圆形结构。探杆200包括锥形探杆210和直型探杆220，锥形探杆210的大头端与直型探杆220连接，锥形探杆210的小头端与电路板连接。通过锥形探杆210的过渡能够增加直型探杆220的径向尺寸，便于直型探杆220的拿握。
本申请实施例提供的用于检测流体近壁流动速度和方向的装置的使用包括如下步骤：
1、在标准流动速度下(流动速度已知)，分别对四个热敏元件进行标定，以获得每个热敏元件的电压与流体流动速度之间的标定函数。
2、根据测试需求，设定数据采集的采样频率、采样时间。
3、将探头100伸入至待测近壁区，保证探杆200与壁面600垂直，第一热敏元件121和第二热敏元件122与流体流向方向垂直，第三热敏元件123和第四热敏元件124与流体流向平行。
4、开始检测，采集各热敏元件的电压信号，并根据标定函数转换为速度信号。在每一时刻，对在第二方向上延伸的两组热敏元件的电压信号作互相关运算，识别出流体在第一方向上的流动方向，对在第一方向上延伸的两组热敏元件的电压信号作互相关运算，识别出流体在第二方向上的流动方向，然后得到最终流体的流动速度以及流动方向。
5、存储检测数据。
6、完成检测。
本申请实施例还提供了一种用于检测流体近壁流动速度和方向的方法，该检测方法采用如上任一方案的用于检测流体近壁流动速度和方向的装置来检测流体近壁流动速度和方向，该方法包括：
S100、确定各热敏元件的电压与流体流动速度之间的标定函数。
各热敏元件置于流体内时，各热敏元件与流体会发生对流换热，流体流经热敏元件时由于对流换热，会使热敏元件的温度发生改变，为了维持热敏元件的温度恒定，可以通过改变施加于热敏元件上的电压来维持热敏元件的温度恒定，由此，各热敏元件的电压与流体流动速度之间存在映射关系。因此，首先需要确定各热敏元件的电压与流体流动速度之间的映射关系，即首先对各热敏元件进行标定，以获得各热敏元件的电压与流体流动速度之间的标定函数。
确定各热敏元件的电压与流体流动速度之间的标定函数包括：
S110、获取各标准流动速度下各热敏元件的电压，标准流动速度为用于各热敏元件标定的已知量，也就是说，获取各热敏元件在多个已知流动速度下的电压。
S120、分析各热敏元件的电压与流体流动速度之间的映射关系，确定各热敏元件的电压与流体流动速度之间的标定函数。
S200、根据在第二方向上延伸的各热敏元件的电压变化，确定流体在第一方向上的流动方向，且根据在第二方向上延伸的各热敏元件中的任一个热敏元件的电压以及对应热敏元件的标定函数，确定流体在第一方向上的流动速度。
在标定函数确定后，即可对待测近壁区的流体流动状态进行检测，检测时，首先根据检测需求，设定数据采集的采样频率以及采样时间，以便于对流体流动方向的判定。
在本申请的一些实施例中，热敏元件的数量为四个，四个热敏电阻均分为两组，根据在第二方向上延伸的两个热敏元件的电压变化，确定流体在第一方向上的流动方向，包括：
在每一时刻，对在第二方向上延伸的两组热敏元件的电压信号作互相关运算，得到相位差Δt12，根据Δt12的符号即可判断流体在第一方向上的流向。其具体判断原理如图6所示，图6中的曲线1表示第一热敏元件的电压变化曲线，曲线2表示第二热敏元件的电压变化曲线，纵坐标E表示电压，横坐标t表示时间，第一热敏元件的输出电压为E1(t)，第二热敏元件的输出电压为E2(t)，第一热敏元件的电压与流体流动速度之间的映射关系为f1[E1(t)]，第二热敏元件的电压与流体流动速度之间的映射关系为f2[E2(t)]，ti为某瞬时时刻，Ux为第一方向的速度分量，Δt12为ti时刻第一热敏元件和第二热敏元件的电压相位差，即Δt12为ti时刻，第一热敏元件和第二热敏元件的电压做互相关得到相位差。本申请实施例提供的方法可以根据Δt12的符号来判断流体在第一方向上的流向，也就是说，当Δt12>0时，流体在第一方向上的流向为自第一热敏元件流向第二热敏元件，当t12<0时，流体在第一方向上的流向为自第二热敏元件流向第一热敏元件。
根据在第二方向上延伸的两个热敏元件中的任一个热敏元件的电压以及标定函数，确定流体在第一方向上的流动速度，包括：
根据流体在第一方向上的流动方向，确定在第二方向上延伸的两个热敏元件中位于上游的热敏元件，根据在第二方向上延伸的两个热敏元件中位于上游的热敏元件以及标定函数，确定流体在第一方向上的流动速度。即为减小第一热敏元件和第二热敏元件之间的相互扰动，通常使用上游的热敏元件计算流动速度大小。流体在第一方向的流动速度的计算公式如下：
S300、根据在第一方向上延伸的各热敏元件的电压变化，确定流体在第二方向上的流动方向，且根据在第一方向上延伸的各个热敏元件中的任一个热敏元件的电压以及对应热敏元件的，确定流体在第二方向上的流动速度。
流体在第二方向上的流动速度以及流动方向的确定方式与流体在第一方向上的流动速度以及流动方向的确定方式相同，在此不再赘述。
S400、根据流体在第二方向上的流动速度和流动方向以及流体在第一方向上的流动速度和流动方向，确定流体的流动速度和流动方向。
本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由下面的权利要求书指出。
应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求书来限制。

Claims (10)

1.一种用于检测流体近壁流动速度和方向的装置，其特征在于，包括探头和检测组件；
所述探头包括固定板和设置于所述固定板上的至少四个用于检测流体近壁流动速度和方向的热敏元件，各所述热敏元件均配置为：所述热敏元件上施加有电压，在所述热敏元件与流体换热时，通过改变施加于所述热敏元件上的电压来维持所述热敏元件的温度恒定；
至少四个所述热敏元件分为两组，每组包括至少两个所述热敏元件，其中一组热敏元件中的各所述热敏元件的长度方向均在第一方向上延伸，另一组热敏元件中的各所述热敏元件的长度方向均在第二方向上延伸，在所述第一方向上延伸的各所述热敏元件相互平行，用于检测流体在第二方向上的流动速度和流动方向，在所述第二方向上延伸的各所述热敏元件相互平行，用于检测流体在所述第一方向上的流动速度和流动方向，所述第一方向与所述第二方向垂直；
所述检测组件与各所述热敏元件分别连接，所述检测组件用于检测各所述热敏元件的电压。
2.根据权利要求1所述的用于检测流体近壁流动速度和方向的装置，其特征在于，还包括数据采集分析系统，所述检测组件与所述数据采集分析系统通信连接，所述数据采集分析系统配置为：
在多个标准流动速度下对各所述热敏元件进行分别标定时，所述数据采集分析系统获取各所述标准流动速度下所述检测组件检测的各所述热敏元件的电压，并分析各所述热敏元件的电压与流体流动速度之间的映射关系，以确定各所述热敏元件的电压与流体流动速度之间的标定函数，所述标准流动速度为用于各所述热敏元件标定的已知量；
在所述装置用于检测流体近壁流动速度和方向时，所述数据采集分析系统获取所述检测组件检测的各所述热敏元件的电压，并根据其获取的各所述热敏元件的电压以及各所述热敏元件的标定函数，判断流体的流动速度以及流动方向。
3.根据权利要求2所述的用于检测流体近壁流动速度和方向的装置，其特征在于，所述检测组件为惠斯通电桥，所述惠斯通电桥通过信号调理电路与所述数据采集分析系统通信连接，所述信号调理电路用于将所述惠斯通电桥检测的电压信号转换为所述数据采集分析系统可读的信号。
4.根据权利要求1所述的用于检测流体近壁流动速度和方向的装置，其特征在于，还包括探杆以及用于连接各所述热敏元件与所述检测组件的导线；
所述固定板固定连接于所述探杆的第一端；
部分所述导线位于所述探杆内，且与各所述热敏元件连接，部分所述导线自所述探杆的第二端伸出，且与所述检测组件连接；
所述第一端和所述第二端为所述探杆相对的两端。
5.根据权利要求4所述的用于检测流体近壁流动速度和方向的装置，其特征在于，所述热敏元件的数量为四个，四个热敏元件均分为两组，四个所述热敏元件的长度方向所在的直线围合形成一个矩形结构，四个所述热敏元件分别位于所述矩形结构的四条边上；
所述固定板为电路板，所述电路板上设置有四个电压输入连接点和四个电压输出连接点，四个所述电压输入连接点和四个所述电压输出连接点均位于所述矩形结构的内部；
每个所述热敏元件对应一个所述电压输入点和一个电压输出点，且各所述热敏元件的电压输入端通过第一连接线与对应的所述电压输入点连接，各所述热敏元件的电压输出端通过第二连接线与对应的所述电压输出点连接；
位于所述探杆内的导线与四个所述电压输入连接点和四个所述电压输出连接点分别连接。
6.根据权利要求5所述的用于检测流体近壁流动速度和方向的装置，其特征在于，四个所述电压输入连接点和四个所述电压输出连接点环绕所述矩形结构的中心设置，且围合形成圆形结构；
所述探杆包括锥形探杆和直型探杆，所述锥形探杆的大头端与所述直型探杆连接，所述锥形探杆的小头端与所述电路板连接。
7.根据权利要求1所述的用于检测流体近壁流动速度和方向的装置，其特征在于，所述第一方向为流体流动的方向。
8.一种用于检测流体近壁流动速度和方向的方法，其特征在于，采用权利要求1-6任一项所述的用于检测流体近壁流动速度和方向的装置来检测流体近壁流动速度和方向，所述方法包括：
确定各所述热敏元件的电压与流体流动速度之间的标定函数；
根据在第二方向上延伸的各所述热敏元件的电压变化，确定流体在第一方向上的流动方向，且根据在第二方向上延伸的各所述热敏元件中的任一个热敏元件的电压以及对应所述热敏元件的标定函数，确定流体在第一方向上的流动速度；
根据在第一方向上延伸的各所述热敏元件的电压变化，确定流体在第二方向上的流动方向，且根据在第一方向上延伸的各所述热敏元件中的任一个热敏元件的电压以及对应所述热敏元件的标定函数，确定流体在第二方向上的流动速度。
9.根据权利要求8所述的用于检测流体近壁流动速度和方向的方法，其特征在于，确定各所述热敏元件的电压与流体流动速度之间的标定函数，包括：
获取各标准流动速度下各所述热敏元件的电压，所述标准流动速度为用于各所述热敏元件标定的已知量；
分析各所述热敏元件的电压与流体流动速度之间的映射关系，确定各所述热敏元件的电压与流体流动速度之间的标定函数。
10.根据权利要求8所述的用于检测流体近壁流动速度和方向的方法，其特征在于，根据在第二方向上延伸的各所述热敏元件中的任一个热敏元件的电压以及所述标定函数，确定流体在第一方向上的流动速度，包括：
根据流体在第一方向上的流动方向，确定在第二方向上延伸的各所述热敏元件中位于上游的热敏元件，根据在第二方向上延伸的各所述热敏元件中位于上游的热敏元件以及所述标定函数，确定流体在第一方向上的流动速度。
CN202210545769.6A 2022-05-19 2022-05-19 用于检测流体近壁流动速度和方向的装置及方法 Active CN115166288B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210545769.6A CN115166288B (zh) 2022-05-19 2022-05-19 用于检测流体近壁流动速度和方向的装置及方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210545769.6A CN115166288B (zh) 2022-05-19 2022-05-19 用于检测流体近壁流动速度和方向的装置及方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN115166288A CN115166288A (zh) 2022-10-11
CN115166288B true CN115166288B (zh) 2024-06-04

Family

ID=83483733

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210545769.6A Active CN115166288B (zh) 2022-05-19 2022-05-19 用于检测流体近壁流动速度和方向的装置及方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115166288B (zh)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7654156B1 (en) * 2007-09-20 2010-02-02 Fluke Corporation Distal tip of fluid velocity probe
CN103308223A (zh) * 2013-05-20 2013-09-18 西北工业大学 基于柔性热敏传感器的壁面剪应力测试装置及其测量方法
CN104698040A (zh) * 2015-03-23 2015-06-10 滁州东润电子科技有限公司 带tds和感温功能的水质测试探头
CN110296786A (zh) * 2019-06-14 2019-10-01 清华大学 一种平行阵列热线探头和壁面剪应力测量方法
CN113219317A (zh) * 2021-03-17 2021-08-06 无锡物联网创新中心有限公司 一种热敏探测器性能参数测试结构和测试方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7333899B2 (en) * 2004-10-13 2008-02-19 Therm-O-Disc, Incorporated Fluid flow rate sensor and method of operation

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7654156B1 (en) * 2007-09-20 2010-02-02 Fluke Corporation Distal tip of fluid velocity probe
CN103308223A (zh) * 2013-05-20 2013-09-18 西北工业大学 基于柔性热敏传感器的壁面剪应力测试装置及其测量方法
CN104698040A (zh) * 2015-03-23 2015-06-10 滁州东润电子科技有限公司 带tds和感温功能的水质测试探头
CN110296786A (zh) * 2019-06-14 2019-10-01 清华大学 一种平行阵列热线探头和壁面剪应力测量方法
CN113219317A (zh) * 2021-03-17 2021-08-06 无锡物联网创新中心有限公司 一种热敏探测器性能参数测试结构和测试方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
微型柔性热敏传感器阵列应用研究;刘奎 等;仪器仪表学报;20070930;第28卷(第09期);第1583-1587页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN115166288A (zh) 2022-10-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Tavoularis et al. Measurement in fluid mechanics
Van Oudheusden Silicon thermal flow sensors
Klausner et al. Vapor bubble departure in forced convection boiling
US20090084177A1 (en) Thermal flow measurement system and method
Ruedi et al. Evaluation of three techniques for wall-shear measurements in three-dimensional flows
Sturm et al. Membrane-based thermal flow sensors on flexible substrates
CN105004466A (zh) 一种高精度非接触气动摩擦阻力测量方法及测量装置
CN111238672B (zh) 一种基于磁显微法的超导带材动态温度测量方法
CN108195510A (zh) 一种热膜式剪应力传感器的热风洞校准方法
CN115166288B (zh) 用于检测流体近壁流动速度和方向的装置及方法
US3995480A (en) Thermal sensor for measurement of ocean current direction
CN116358823B (zh) 高速风洞自由来流质量流量和总温脉动不确定度评估方法
CN210321856U (zh) 一种空气热式流量计
CN108955956A (zh) 基于柔性微梁的摩擦阻力测量系统及方法
CN109401956B (zh) 针对pcr仪的温度检测仪
CN105910662A (zh) 具有环境温度补偿功能的热式空气流量变送器
US4361054A (en) Hot-wire anemometer gyro pickoff
Nagano et al. Recent developments in hot-and cold-wire techniques for measurements in turbulent shear flows near walls
CN110208132B (zh) 一种磁流体热膨胀系数测量系统及方法
US20050199052A1 (en) System and method for closed loop control of boundary layer shear stress
CN106840287A (zh) 流量传感器、流量计及流量检测方法
CN208751746U (zh) 基于柔性微梁的摩擦阻力测量系统
CN209685798U (zh) 针对pcr仪的温度检测仪
Krassow et al. The smart-orifice meter: a mini head meter for volume flow measurement
Dobbeling et al. Basic considerations concerning the construction and usage of multiple hot-wire probes for highly turbulent three-dimensional flows

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant