CN117825753A - 一种极低速度范围的单丝热线标定装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种极低速度范围的单丝热线标定装置及方法，属于气流速度场测量领域。其包括角度调节机构、密封舱、电动直线滑台、支撑机构、探头姿态调节机构、探头夹具、摄像头和环境监测与调节系统。角度调节机构上安装有密封舱，设在密封舱中的电动直线滑台带动热线探头做匀速直线运动，使热线探头感受相对的匀速气流实现速度标定。电动直线滑台上安装支撑机构、探头姿态调节机构和探头夹具。环境监测与调节系统改变密封舱内的气体种类、压力和温度。密封舱内设有摄像头。本发明能够根据热线使用的真实测量环境和真实安装条件对热线探头进行标定，有效提高极低速度条件下的单丝热线标定精度，帮助开展热线测量的方向特性研究以及热线热力羽流研究。

Description

一种极低速度范围的单丝热线标定装置及方法

技术领域

本发明涉及一种极低速度范围的单丝热线标定装置及方法，属于气流速度场测量领域。

背景技术

热线风速仪是一种用于气流速度场测量的仪器，主要由主机、标定器和热线探头组成。热线探头的头部有一根用于感受气流速度的金属热丝，其两端通过导体连接在主机内部的惠斯通电桥中，并通电加热。当将热线探头放入流场中时，探头的热丝与周围流体之间发生强迫对流换热。当流速改变时，热交换就会发生变化，热丝的温度和电阻也随之改变，进而引起电桥的不平衡。通过建立流速与加热电压或加热电流之间的函数关系即可实现速度测量。而标定器就是用于产生给定速度，帮助热线风速仪标定热线探头的速度解算方程的装置。

传统的热线标定器是利用高压气体通过特定喷嘴产生低湍流度自由射流的方式进行热线标定的。但这种标定方式在极低速度条件下具有非常大的局限性，主要体现为极低速度的标定精度较低。一方面，由于标定器产生的是自由射流，因此标定器四周的环境气流对标定结果是有影响的，这种影响在较高速度时是可以忽略不计的。但随着射流速度的降低，环境气流的影响逐渐增强。当射流速度极低时，环境气流速度与射流速度仅相差一个数量级甚至处于同一量级，标定精度将很大程度上受到环境气流的影响。另一方面，受限于压力传感器的量程和精度，当速度极低时标定器的射流速度调节误差较大，从而达不到让人满意的标定精度。因此，使用热线风速仪对极低速度进行精确测量一直以来都是个难题，故亟需提出一种新型的极低速度范围的单丝热线标定装置，以解决上述技术问题。

发明内容

本发明研发目的是为了提供一种在极低速度范围（0.02m/s～1m/s）对热线风速仪的单丝热线探头进行标定的装置。解决在极低速度范围热线探头标定精度差从而导致使用热线风速仪对极低速度无法进行精确测量的问题，当密封舱内的气体处于静止状态时，使热线探头做匀速直线运动，此时热线探头感受到的气流速度就等效于静止的热线探头感受相同速度的匀速气流速度。此外，该装置还具有角度调节功能，既可以改变运动方向与水平面之间的角度，又可以改变热线探头与运动方向之间的角度，这样不仅能够模拟真实安装条件对热线探头进行标定，还可帮助开展热线测量的方向特性研究以及热线热力羽流研究。在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。

本发明的技术方案：

方案一、一种极低速度范围的单丝热线标定装置，包括角度调节机构、密封舱、电动直线滑台、支撑机构、探头姿态调节机构、探头夹具、摄像头、环境监测与调节系统、隔板和热线探头，角度调节机构上安装有密封舱，密封舱通过隔板将其内部空间分为上层空间和下层空间，在密封舱的下层空间内设置有电动直线滑台，隔板上开设有直线槽，支撑机构一端固定安装于电动直线滑台上，支撑机构另一端穿过隔板上的直线槽后，探入密封舱的上层空间内与探头姿态调节机构建立连接，探头姿态调节机构上安装有探头夹具，探头夹具装夹有热线探头，所述密封舱内部设置有摄像头；

所述环境监测与调节系统包括高压气瓶、真空泵、压力控制器、压力传感器、温度控制器、温度传感器和换热器，所述高压气瓶和真空泵均通过压力控制器与密封舱连通，压力传感器、温度传感器和换热器均设置于密封舱内部，所述压力控制器与压力传感器电性连接，温度控制器与温度传感器和换热器电性连接。

优选的：还包括探头姿态调节机构控制器、角度调节机构控制器和电动直线滑台控制器，所述探头姿态调节机构控制器与探头姿态调节机构电性连接，所述角度调节机构控制器与角度调节机构电性连接，所述电动直线滑台控制器与电动直线滑台电性连接。

优选的：所述密封舱顶部具有口盖，口盖四周用密封垫做密封处理。

优选的：所述密封舱的壳体由内壁和外壁组成，在内壁和外壁之间填充保温层，所述换热器固定安装于密封舱的内壁上。

优选的：所述摄像头的数量为2个，分别安装在密封舱的上层空间的前后两个对角处。

优选的：所述热线探头包括保护壳、两根探针和热丝，保护壳内填充有绝缘材料，两根探针平行固定设置于保护壳内，同时热丝横跨在两根探针的尖端。

优选的：所述角度调节机构放置于水平台面上，所述热线探头运动方向与水平面之间的俯仰角度ω的范围为0°～90°；

所述热线探头的保护壳的轴线在热线探头运动方向所在竖直平面内的投影与热线探头运动方向之间的夹角为倾角θ，倾角θ的调节范围为-90°～90°；

热线探头的保护壳的轴线与热线探头运动方向所在竖直平面之间的夹角为偏角φ，偏角φ的调节范围为-90°～90°。

优选的：所述密封舱内外之间的电气连接通过密封舱壳体上的气密封电连接器实现，或在密封舱壳体上的电气接口处用密封胶和密封垫进行密封处理。

优选的：还包括计算机以及待标定的热线探头所配套的热线主机，所述摄像头、电动直线滑台控制器、探头姿态调节机构控制器、热线主机和角度调节机构控制器均与计算机电性连接，所述环境监测与调节系统的压力控制器和温度控制器均与计算机电性连接。

方案二、一种极低速度范围的单丝热线标定方法，其依托于方案一所述的一种极低速度范围的单丝热线标定装置，包括以下步骤：

S1，将角度调节机构放置于水平台面上；

S2，开启密封舱的口盖，将热线探头固定在探头夹具上，热丝置于水平方向；

S3，关闭密封舱的口盖，通过计算机的控制程序或软件向环境监测与调节系统发送指令，调节密封舱内部压力和温度；

S4，通过计算机的相应控制程序或软件向探头姿态调节机构控制器和角度调节机构控制器发送指令，调节俯仰角度ω、倾角θ和偏角φ；

S5，待密封舱内部压力和温度稳定在指定数值且密封舱内部气体静止后，通过计算机的控制程序或软件向电动直线滑台控制器和热线主机发送指令，进行给定速度下的热线标定；

S6，通过计算机的控制程序或软件向电动直线滑台控制器发送指令使滑块回到初始位置后重复步骤S5直至完成所有速度点的热线标定。

本发明具有以下有益效果：

1.本发明的热线探头置于密封舱中，隔绝外界环境气流影响，能够有效提高极低速度条件下的标定精度；

2.本发明的密封舱中可以根据需求填充包括空气在内的多种气体，且腔内压力和温度均可以控制。即本发明可以根据热线使用的真实测量环境对热线探头进行标定，这样可以提高热线测量的精度；

3.本发明通过让热线探头在静止气体中做匀速直线运动来代替气流流经静止热线探头的方式进行标定，可以有效避免传统射流式标定器在极低速度时速度控制精度差的弊端；

4.本发明具有角度调节功能，不仅能够模拟真实安装条件对热线探头进行标定，消除由于标定和测量时热线探头安装角度不同所引入的误差，还可帮助开展热线测量的方向特性研究以及热线热力羽流研究。

附图说明

图1是一种极低速度范围的单丝热线标定装置的结构示意图；

图2是环境监测与调节系统的结构示意图；

图3是密封舱的壳体的结构示意图；

图4是电动直线滑台的结构示意图；

图5是一种极低速度范围的单丝热线标定装置的使用状态图；

图6是热线探头的结构示意图；

图7是具体实施方式一所述的倾角θ和偏角φ的位置示意图。

图中：1-角度调节机构，2-密封舱，3-电动直线滑台，4-支撑机构，5-探头姿态调节机构，6-探头夹具，7-摄像头，8-环境监测与调节系统，9-电动直线滑台控制器，10-探头姿态调节机构控制器，11-热线主机，12-角度调节机构控制器，13-计算机，14-隔板，15-热线探头，16-高压气瓶，7-真空泵，18-压力控制器，19-压力传感器，20-温度控制器，21-温度传感器，22-换热器，23-内壁，24-外壁，25-保温层，26-保护壳，27-两根探针，28-热丝，29-水平台面。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

具体实施方式一：结合图1-图7说明本实施方式，本实施方式的一种极低速度范围的单丝热线标定装置，包括角度调节机构1、密封舱2、电动直线滑台3、支撑机构4、探头姿态调节机构5、探头夹具6、摄像头7、环境监测与调节系统8、隔板14和热线探头15，角度调节机构1上安装有密封舱2，密封舱2通过隔板14将其内部空间分为上层空间和下层空间，在密封舱2的下层空间内设置有电动直线滑台3，隔板14上开设有直线槽，支撑机构4一端固定安装于电动直线滑台3上，支撑机构4另一端穿过隔板14上的直线槽后，探入密封舱2的上层空间内与探头姿态调节机构5建立连接，支撑机构4与探头姿态调节机构5既可以采用固定连接也可以采用可拆卸连接，本实施方式优选地采用可拆卸连接会更适合后期维护，探头姿态调节机构5上安装有探头夹具6，探头夹具6装夹有热线探头15，所述密封舱2内部设置有摄像头7；

所述环境监测与调节系统8环境监测与调节系统8用于测量并控制密封舱2内部的压力和温度，其包括高压气瓶16、真空泵17、压力控制器18、压力传感器19、温度控制器20、温度传感器21和换热器22，所述高压气瓶16和真空泵17均通过压力控制器18与密封舱2连通，压力传感器19、温度传感器21和换热器22均设置于密封舱2内部，所述压力控制器18与压力传感器19电性连接，温度控制器20与温度传感器21和换热器22电性连接。环境监测与调节系统8通过压力传感器19和温度传感器21实时测量密封舱2内部的压力和温度，通过高压气瓶16、真空泵17和压力控制器18调节密封舱2内部的压力，并且可以通过更换高压气瓶16的气体种类从而改变密封舱2内部的气体种类，通过温度控制器20和换热器22调节密封舱2内部的温度。

所述的高压气瓶16可以根据需求更换为其他气体种类的高压气瓶16，从而改变密封舱2内部的气体种类。

还包括电动直线滑台控制器9、探头姿态调节机构控制器10和角度调节机构控制器12，所述探头姿态调节机构控制器10与探头姿态调节机构5电性连接，所述角度调节机构控制器12与角度调节机构1电性连接，所述电动直线滑台控制器9与电动直线滑台3电性连接。

所述的密封舱2是一个密闭壳体，隔绝外界环境干扰，安装在角度调节机构1上。所述密封舱2顶部具有口盖，方便对热线探头15进行拆装，口盖四周用密封垫做密封处理。所述密封舱2内外之间的电气连接通过密封舱2壳体上的气密封电连接器实现，或在密封舱2壳体上的电气接口处用密封胶、密封垫等材料进行密封处理。

所述的电动直线滑台3由电动直线滑台控制器9驱动，安装在密封舱2内部下层空间的底板上，其上的滑块带动热线探头15做直线运动，所述的电动直线滑台3是直线滑台的一种，由直线滑台与马达驱动的结合构成，如图4所示。支撑机构4安装在电动直线滑台3的滑块上，随电动直线滑台3的滑块一起做直线运动。支撑机构4从密封舱2内部隔板14上的直线槽中穿过。

所述密封舱2的壳体由内壁23和外壁24组成，在内壁23和外壁24之间填充保温层25，所述换热器22固定安装于密封舱2的内壁23上，通过管路与密封舱2外部的温度控制器20连接，在密封舱2的壳体连接处同样需要做密封处理。

所述摄像头7的数量为2个，分别安装在密封舱2的上层空间的前后两个对角处，可以对热线探头15在前后两个运动方向上的标定过程进行实时监控。

所述热线探头15包括保护壳26、两根探针27和热丝28，保护壳26内填充有绝缘材料，两根探针27平行固定设置于保护壳26内，即两根平行的探针27穿过一个填充绝缘材料的圆柱形保护壳26，同时热丝28横跨在两根探针27的尖端。在探头夹具6上固定热线探头15时，需将热丝置于水平方向。

所述角度调节机构1放置于水平台面29上，所述热线探头15运动方向与水平面之间的俯仰角度ω的范围为0°～90°；角度调节机构1由角度调节机构控制器12驱动，用于改变热线探头15运动方向与水平面之间的角度ω，且角度调节机构1需放置于稳固的水平台面上，所述角度调节机构1为电动俯仰角度调节平台。

所述热线探头15的保护壳26的轴线在热线探头15运动方向所在竖直平面内的投影与热线探头15运动方向之间的夹角为倾角θ，倾角θ的调节范围为-90°～90°；

热线探头15的保护壳26的轴线与热线探头15运动方向所在竖直平面之间的夹角为偏角φ，偏角φ的调节范围为-90°～90°。

即本实施方式以热线探头15的运动方向为x轴，以水平方向为y轴，建立o-xyz坐标系，如图7所示，其中热线探头15的保护壳26的轴线为线b，热线探头15的保护壳26的轴线b在xz平面内的投影为线a。

所述的探头姿态调节机构5由探头姿态调节机构控制器10驱动，安装在支撑机构4上，随电动直线滑台3的滑块一起做直线运动，用于改变热线探头15的倾角θ和偏角φ。探头姿态调节机构5能够实现前后转换，使热线探头15可以沿电动直线滑台3的两个运动方向进行标定，如图1和5所示。

所述的探头夹具6安装在探头姿态调节机构5上，随电动直线滑台3的滑块一起做直线运动，用于夹持固定热线探头15。

本发明使用时需搭配计算机13，以及待标定的热线探头15所配套的热线主机11，并且需要在计算机13上安装摄像头7、环境监测与调节系统8、电动直线滑台控制器9、探头姿态调节机构控制器10、热线主机11和角度调节机构控制器12相对应的控制程序或软件，所述摄像头7、电动直线滑台控制器9、探头姿态调节机构控制器10、热线主机11和角度调节机构控制器12均与计算机13电性连接，所述环境监测与调节系统8的压力控制器18和温度控制器20均与计算机13电性连接；

计算机13的控制程序或软件通过控制摄像头7获得实时图像信号，计算机13的控制程序或软件通过控制电动直线滑台控制器9驱动电动直线滑台3向前或向后进行直线运动，计算机13的控制程序或软件通过控制探头姿态调节机构控制器10控制探头姿态调节机构5的装夹姿态角度，计算机13的控制程序或软件通过控制热线主机11获得热线探头15测得的数据，计算机13的控制程序或软件通过角度调节机构控制器12控制角度调节机构1的角度，即热线探头15运动方向与水平面之间的俯仰角度ω；

计算机13的控制程序或软件通过压力传感器19获得的压力信号判断密封舱2内的压力值，同时还控制压力控制器18通过高压气瓶16和真空泵17对密封舱2内的压力进行调节，计算机13的控制程序或软件通过温度传感器21获得的温度信号判断密封舱2内的温度值，同时还控制温度控制器20通过换热器22对密封舱2内的温度进行调节。

具体实施方式二：结合图1-图4说明本实施方式，本实施方式的一种极低速度范围的单丝热线标定方法，是依托于具体实施方式一所述的一种极低速度范围的单丝热线标定装置实现的，包括以下步骤：

S1，将角度调节机构1放置于一个稳固的水平台面29上，尽可能减小振动的影响；

S2，开启密封舱2的口盖，将热线探头15固定在探头夹具6上，热丝28置于水平方向；

S3，关闭密封舱2的口盖，通过计算机13的控制程序或软件向环境监测与调节系统8发送指令，调节密封舱2内部压力和温度；

S4，通过计算机13的相应控制程序或软件向探头姿态调节机构控制器10和角度调节机构控制器12发送指令，调节俯仰角度ω、倾角θ和偏角φ；

S5，待密封舱2内部压力和温度稳定在指定数值且密封舱2内部气体静止后，通过计算机13的控制程序或软件向电动直线滑台控制器9和热线主机11发送指令，进行给定速度下的热线标定，即通过电动直线滑台3带动热线探头15做匀速直线运动，从而使热线探头15感受相对的匀速气流来实现速度标定；

S6，通过计算机13的控制程序或软件向电动直线滑台控制器9发送指令使滑块回到初始位置后重复步骤S5直至完成所有速度点的热线标定。

需要说明的是，在以上实施例中，只要不矛盾的技术方案都能够进行排列组合，本领域技术人员能够根据排列组合的数学知识穷尽所有可能，因此本发明不再对排列组合后的技术方案进行一一说明，但应该理解为排列组合后的技术方案已经被本发明所公开。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种极低速度范围的单丝热线标定装置，其特征在于：包括角度调节机构（1）、密封舱（2）、电动直线滑台（3）、支撑机构（4）、探头姿态调节机构（5）、探头夹具（6）、摄像头（7）、环境监测与调节系统（8）、隔板（14）和热线探头（15），角度调节机构（1）上安装有密封舱（2），密封舱（2）通过隔板（14）将其内部空间分为上层空间和下层空间，在密封舱（2）的下层空间内设置有电动直线滑台（3），隔板（14）上开设有直线槽，支撑机构（4）一端固定安装于电动直线滑台（3）上，支撑机构（4）另一端穿过隔板（14）上的直线槽后，探入密封舱（2）的上层空间内与探头姿态调节机构（5）建立连接，探头姿态调节机构（5）上安装有探头夹具（6），探头夹具（6）装夹有热线探头（15），所述密封舱（2）内部设置有摄像头（7）；

所述环境监测与调节系统（8）包括高压气瓶（16）、真空泵（17）、压力控制器（18）、压力传感器（19）、温度控制器（20）、温度传感器（21）和换热器（22），所述高压气瓶（16）和真空泵（17）均通过压力控制器（18）与密封舱（2）连通，压力传感器（19）、温度传感器（21）和换热器（22）均设置于密封舱（2）内部，所述压力控制器（18）与压力传感器（19）电性连接，温度控制器（20）与温度传感器（21）和换热器（22）电性连接。

2.根据权利要求1所述的一种极低速度范围的单丝热线标定装置，其特征在于：还包括电动直线滑台控制器（9）、探头姿态调节机构控制器（10）和角度调节机构控制器（12），所述探头姿态调节机构控制器（10）与探头姿态调节机构（5）电性连接，所述角度调节机构控制器（12）与角度调节机构（1）电性连接，所述电动直线滑台控制器（9）与电动直线滑台（3）电性连接。

3.根据权利要求2所述的一种极低速度范围的单丝热线标定装置，其特征在于：所述密封舱（2）顶部具有口盖，口盖四周用密封垫做密封处理。

4.根据权利要求3所述的一种极低速度范围的单丝热线标定装置，其特征在于：所述密封舱（2）的壳体由内壁（23）和外壁（24）组成，在内壁（23）和外壁（24）之间填充保温层（25），所述换热器（22）固定安装于密封舱（2）的内壁（23）上。

5.根据权利要求4所述的一种极低速度范围的单丝热线标定装置，其特征在于：所述摄像头（7）的数量为2个，分别安装在密封舱（2）的上层空间的前后两个对角处。

6.根据权利要求5所述的一种极低速度范围的单丝热线标定装置，其特征在于：所述热线探头（15）包括保护壳（26）、两根探针（27）和热丝（28），保护壳（26）内填充有绝缘材料，两根探针（27）平行固定设置于保护壳（26）内，同时热丝（28）横跨在两根探针（27）的尖端。

7.根据权利要求6所述的一种极低速度范围的单丝热线标定装置，其特征在于：所述角度调节机构（1）放置于水平台面（29）上，所述热线探头（15）运动方向与水平面之间的俯仰角度ω的范围为0°～90°；

所述热线探头（15）的保护壳（26）的轴线在热线探头（15）运动方向所在竖直平面内的投影与热线探头（15）运动方向之间的夹角为倾角θ，倾角θ的调节范围为-90°～90°；

所述热线探头（15）的保护壳（26）的轴线与热线探头（15）运动方向所在竖直平面之间的夹角为偏角φ，偏角φ的调节范围为-90°～90°。

8.根据权利要求7所述的一种极低速度范围的单丝热线标定装置，其特征在于：所述密封舱（2）内外之间的电气连接通过密封舱（2）壳体上的气密封电连接器实现，或在密封舱（2）壳体上的电气接口处用密封胶和密封垫进行密封处理。

9.根据权利要求8所述的一种极低速度范围的单丝热线标定装置，其特征在于：还包括计算机（13）以及待标定的热线探头（15）所配套的热线主机（11），所述摄像头（7）、电动直线滑台控制器（9）、探头姿态调节机构控制器（10）、热线主机（11）和角度调节机构控制器（12）均与计算机（13）电性连接，所述环境监测与调节系统（8）的压力控制器（18）和温度控制器（20）均与计算机（13）电性连接。

10.一种极低速度范围的单丝热线标定方法，其依托于权利要求9所述的一种极低速度范围的单丝热线标定装置，其特征在于，包括以下步骤：

S1，将角度调节机构（1）放置于水平台面（29）上；

S2，开启密封舱（2）的口盖，将热线探头（15）固定在探头夹具（6）上，热丝（28）置于水平方向；

S3，关闭密封舱（2）的口盖，通过计算机（13）的控制程序或软件向环境监测与调节系统（8）发送指令，调节密封舱（2）内部压力和温度；

S4，通过计算机（13）的相应控制程序或软件向探头姿态调节机构控制器（10）和角度调节机构控制器（12）发送指令，调节俯仰角度ω、倾角θ和偏角φ；

S5，待密封舱（2）内部压力和温度稳定在指定数值且密封舱（2）内部气体静止后，通过计算机（13）的控制程序或软件向电动直线滑台控制器（9）和热线主机（11）发送指令，进行给定速度下的热线标定；

S6，通过计算机（13）的控制程序或软件向电动直线滑台控制器（9）发送指令使滑块回到初始位置后重复步骤S5直至完成所有速度点的热线标定。