專利名稱：一種聲場中的熱線風速儀標定裝置及標定方法
技術領域：
本發明主要涉及流體速度測量，特別是用于聲場中測量介質速度的熱線風速儀(Hot Wire Anemoraetry )標定裝置及標定方法。
技術背景熱線風速儀是一種用于流場測速的儀器，通常公知的測速感應元件 為焊接于兩叉桿間的熱線(hot wire)或熱膜(hot film),材料通常為 鉤或鉑金屬，以下說明中統稱熱線。根據探針上感應元件即熱線的數目， 比如l-3個，可對流場做單點一維至三維的速度測量，圖l示出了一維 探針的結構，探針的一端有兩個叉桿2，兩叉桿2間安裝熱線1，探針 的另一端有引腳3用于連接控制電路以控制熱線工作狀態。風速儀的系 統簡圖如圖2所示， 一維熱線探針4由支撐桿5置于流場當中，探針4 通過導線被電路控制箱6控制加熱到高于流體溫度，流體流過探針4時， 會與探針4上的熱線發生對流換熱，帶走探針4上熱絲的熱量；維持熱 線或熱膜工作在某一恒定參數(例如電壓、電流、電阻中任一參數)， 被加熱的熱線感應元件與待測流體之間的換熱量與流體流速間存在一 定的函數關系，通過采集系統7測量熱絲的加熱電流或電壓(與換熱量 等效)可以推算出流速的大小。在實際應用當中，上述熱線信號與流速 的函數關系需要在與待測流場相近的工況下通過特定的標定程序建立，即通過其他標定過程先得知流速與對應熱線信號，從而確定函數關系。 這里所指的相似工況，是用無量綱數來判定， 一般來說，對于穩態標定， 即除了以熱絲直徑為特征尺度的雷諾數Re以外的其它換熱相關無量綱 數均相同。目前熱線的常用標定手段分為靜態和動態標定。靜態標定只能得到 穩定流動下的函數關系，例如利用校準風洞產生已知的穩定流速。文獻 1:"盛森芝等，熱線熱膜流速計，中國科學技術出版社，2003"中公開 了管流的充分發展層流校準法、射流噴嘴標定裝置以及能使探針勻速運 動的旋臂機等技術，其中現有技術中射流噴嘴標定裝置應用更為普遍。如圖(3)所示，為一種噴嘴式標定裝置示意圖。高壓氣源13內的氣體 通過控制閥12流入腔體8內，在腔體8的底層填充了絲網10，氣流經 過絲網10層流化、均勻化后，流出噴嘴9，在噴嘴口附近產生分布均勻 的穩定的速度場。標定時即將熱線探針置于噴嘴正上方流場中。流出噴 嘴口的速度由壓力傳感器11測量壓力并進行計算得到。調節控制閥12， 以改變噴嘴口處的流體速度，可對多個不同速度點進行標定，即可擬合 得到熱線的標定函數。對標定函數的擬合一般都基于King定律的修正 形式，最簡單的是認為無量綱換熱系數Nusselt數與以熱絲直徑為特征 尺度的雷諾數的n次方成線性關系，穩定流動的標定過程也就是這一線 性函數的兩個系數和n的確定過程；更為一般的處理方法是將Nusselt 數當作以雷諾數為變量的多項式函數。而動態標定則采用方波(或正弦 波)信號加于熱線測量系統，根據一定的理論假設比如文獻2:"Freymuth P.， J. Phys. Eng. ， Vol. 10， 1977"中公開的理論假設，速度脈動的響應和對方波(或正弦波)信號的響應具有相似性，即可用電信號試驗來 代替風速試驗。但該方法基于對電路系統的一定假設，所得結果可靠性 不強，且其主要針對湍流度的測量。上述現有技術主要是用于一般流場的流體速度測量， 一般流場的速 度波動量相較于平均速度是較小的，換熱量大小主要依賴于平均速度。 但是在聲場當中，流體做交變流動，流速的波動幅值大于(甚至遠大于) 平均流速，換熱的主要機制源于流體的往復流動。聲場中由于流場隨時 間周期性變化，換熱也將產生周期性變化，不再僅依賴于速度，還應受 頻率的影響。且一般穩態標定方式設計在一大氣壓下，不便對平均壓力 的影響做標定，而聲場的測量則常常需要在高于大氣壓環境下進行。基 于以上原因，現有技術存在的一個不足就是穩定流動下標定的函數關系 在聲場中會失效，這就需要對熱線在交變流動下進行標定。現有技術中，另外的聲場中熱線風速儀標定方案是建立速度已知的 標準聲場，然后與此聲場下的熱線電信號一一對應，從而確定交變流動下的函數關系，比如文獻3: "G. Huelszetal， Experiments in Fluids, Vol.30,2001"公開的技術。但該方法在標定流速超出一定范圍后，聲 場會顯示非線性特征及湍流等，限制了標定范圍并增加了標定難度和不 確定性。鑒于現有技術的不足，就希望有一種裝置簡單的聲場熱線風速儀標 定裝置及標定方法，能夠使得標定速度范圍廣，且標定后的熱線風速儀 測量更加準確。發明內容本發明的目的是克服現有技術的不足，提供一種聲場中的熱線風速 儀標定裝置及標定方法。一種聲場中的熱線風速儀標定裝置，包括密閉容器；用于固定并驅動待標定的熱線風速儀的的探針在所述密 閉容器內運動的驅動裝置；用于感知所述探針運動速度的位移傳感器。在上述技術方案中，該裝置還包括用于測量所述密閉容器內工質壓 力的壓力傳感器。在上述技術方案中，該裝置還包括用于測量所述密閉容器內工質溫 度的溫度傳感器。在上述技術方案中，所述驅動裝置安裝在所述密閉容器內部，所述 驅動裝置有一個伸出的輸出導桿，所述探針通過所述輸出導桿連接到所 述驅動裝置。在上述技術方案中，所述驅動裝置安裝在所述密閉容器外部，所述 驅動裝置有一個伸出的輸出導桿，所述輸出導桿通過動密封部件伸入到 所述密閉容器內部，所述探針通過所述輸出導桿連接到所述驅動裝置。在上述技術方案中，所述驅動裝置驅動所述輸出導桿作直線往復運 動，進而驅動所述探針作直線往復運動。在上述技術方案中，所述容器具有流體工質輸入閥門和輸出閥門。在上述技術方案中，所述探針包括形成夾角的兩個叉桿和連接在叉 桿之間的熱線或熱膜。在上述技術方案中，所述探針與所述導桿是垂直固定的，所述探針 的由叉桿和熱線或熱膜形成的平面與所述導桿垂直，使得熱線或熱膜垂 直于其運動方向。一種聲場中的熱線風速儀的標定方法，包括如下步驟(1) 對密閉容器抽真空后，充入待測工質；(2) 設定第一組工況點在工質密度與探針往復運動的速度幅值 的乘積為第一常數的情況下，設定工質密度與往復運動圓頻率的乘積的 多個離散點；(3) 設定第二組工況點在工質密度與探針往復運動的圓頻率的乘積為第二常數的情況下，設定工質密度與探針往復運動速度幅值的乘積的多個離散點；(4) 設定控制電路參數以設置探針熱線的工作方式，對于上述第 一、第二組工況點分別采集對應工況點的熱線電信號；所述熱線電信號 包括電流或電壓；(5) 對第一組工況點和對應的熱線電信號進行數據擬合，得到熱 線電信號與工質密度和圓頻率乘積的第一函數關系；對第二組工況點和 對應的熱線電信號進行數據擬合，得到熱線電信號與工質密度和速度幅 值乘積的第二函數關系；(6) 對第一函數關系和第二函數關系進行合并擬合，得到熱線電 信號與速度幅值、圓頻率以及工質密度的函數關系。在上述技術方案中，設置探針熱線的工作方式包括恒定溫度，或恒 定熱流，或恒定電壓等。在上述技術方案中，所述步驟(2)中多個離散工況點通過對各參 數做如下選擇得到首先選定工質密度，則所需驅動圓頻率為離散工況 點值除以工質密度，在該圓頻率下所需速度振幅為第一常數除以工質密度；若在選定工質密度下，驅動裝置不能提供所需頻率或速度振幅，則通過向容器中充入或從容器中放出工質來調整工質密度，從而使所需頻 率或速度振幅進入驅動裝置的調節范圍。在上述技術方案中，所述步驟(3)中多個離散工況點通過對各參數做如下選擇得到首先選定工質密度，則所需驅動圓頻率為第二常數 除以工質密度，在該圓頻率下所需速度振幅為離散工況點值除以工質密 度；若在選定工質密度下，驅動裝置不能提供所需頻率或速度振幅，則 通過向容器中充入或從容器中放出工質來調整工質密度，從而使所需頻 率或速度振幅進入驅動裝置的調節范圍。與現有技術相比，本發明的優點在于本發明使探針熱線以一定的頻率和速度幅值進行往復運動，熱線周 圍流體的平均壓力(密度)可以調節，從而得到相對流速、振動頻率、 以及流體密度與熱線電信號之間的函數關系，完成標定過程，以待對聲 場中流速做精確測量；與穩定流動標定相比，本發明對聲場的測量更為 準確；與標準聲場標定方法相比，本發明可標定更大速度范圍。


圖1是已有技術的一維熱線探針示意圖； 圖2是己有技術的熱線風速儀系統示意圖；圖3是已有技術的射流噴嘴式標定系統示意圖；圖4是本發明一實施例的全封閉式熱線風速儀標定裝置示意圖；圖5是本發明一實施例的半封閉式熱線風速儀標定裝置示意圖；圖面說明1一熱絲，2_叉桿，3 —引腳；4一熱絲探針，5—探針支撐桿，6—電路控制箱，7—信號采集系統; 8 —腔體，9 —噴嘴，10 —絲網，ll一壓力傳感器，12 —流量控制伐; 13 —高壓氣源；14一密閉容器，15 —導桿裝置，16 —往復運動驅動器；17 —熱線信號及電源引線，18 —動密封機構。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細描述 實施例1如圖4所示，本發明聲場中的熱線風速儀是采用動探針式標定法的 裝置，主要包括帶有流體工質輸入閥門和輸出閥門的承壓密閉容器14; 用于固定和驅動待標定的熱線風速儀的熱線探針4在所述密閉容器中運 動的驅動裝置16，該驅動裝置16通過其上的一個導桿裝置15來固定和 驅動探針4運動；用來感知探針4往復運動速度的安裝于驅動裝置上的 位移傳感器；安裝在密閉容器上用于測量密閉容器內工質壓力和溫度的 壓力傳感器和溫度傳感器。密閉容器14的大小除了要根據容器內所置部件體積進行設計外，還需考慮到運動部件對測量工質的擾動，容器能提供足夠大空間使探針 在離開驅動裝置運動部件一定距離內所受擾動足夠小，即工質所受擾動 應遠小于熱絲的振動速度幅值。熱線探針4通過卡緊裝置固定在導桿15上，導桿可以是截面形狀任意的直桿。安裝時要確保叉桿與熱絲所組成平面與振動方向垂直，以 避免振動方向上熱絲附近流場上、下游的不對稱，熱線探針的具體結構 如圖l所示。導桿15連接在驅動裝置16上，其主要作用除了傳遞驅動裝置產生 的往復運動外，還能將熱線遠離驅動裝置一段距離，離開驅動裝置對周 邊流體的擾動區。由于導桿可能在除所需振動方向以外的方向上產生振 動，例如擺動，因此要求導桿與驅動裝置的安裝要緊固且導桿應該有足 夠大小的粗細和長度，不宜過細過長，以能夠避免擺動為宜。帶動導桿以及探針運動的驅動裝置16是可變頻率，變振動速度的 往復運動裝置。驅動裝置16和其導桿15可以是電機帶動的傳動裝置， 或是壓縮機活塞帶動的裝置。驅動裝置16與密閉容器需保持相對靜止， 以確保容器內所充工質與驅動裝置16所驅動的探針間只有相對往復運 動。為獲得探針振動速度以及周圍流體的狀態參數，標定過程中還需用 到能獲知振動位移的位移傳感器，測量密閉容器中平均壓力與平均溫度 的壓力傳感器與溫度傳感器，這些部件的安裝位置和方式為本領域技術 人員所公知。根據驅動機構是否在密閉容器內，動探針式標定方法的裝置可選擇全封閉式與半封閉式兩種。本實施例是全封閉式的，是將探針與驅動機構一同置于密閉的測量工質之中，只將電源和信號線組17引出，見圖4 所示。全封閉式的優點為密封簡單，但腔體內包括了驅動裝置，特別是 采用壓縮機活塞做驅動源時，由于壓縮機一般體積較大，因而密閉腔容 積大，且容器需有大的開口以放置壓縮機。 實施例2如圖5所示，本發明聲場中的熱線風速儀是采用動探針式標定法的裝置，與實施例l不同的是如圖5所示，本實施例為半封閉式的，是將驅動裝置16置于密封容器14外，熱線探針4通過導桿15置于密閉 腔體14中，導桿15與密封容器14間需做動密封處理比如借助于一個 動密封機構18。半封閉式的優點是密閉腔內的運動部件只有探針與導 桿裝置，因而容積較小，但增加了動密封的要求，且容器內充高壓時給 驅動機構增加了導桿兩側產生的壓差載荷。在實施例1和2中壓力傳感 器與溫度傳感器都可裝在密閉容器壁上。其他同實施例l。針對上述實施例1和實施例2的熱線風速儀的標定方法如下 將影響換熱系數佈數的三個變量——速度(以速度幅值表征)，頻 率，平均密度做無量綱處理，無量綱化后得到兩個無量綱變量Re和R、。 標定工況應按照這兩個無量綱數進行選擇。雷諾數Re與動態雷諾數R^的定義分別為Re = ^， Reffl=^。其中p是密閉容器內工質的密度，工質密度與工質的壓力、溫度以及工質種類有關，這是本領域技術人員 熟知的；t/是往復運動速度幅值；d為熱絲直徑；"是密閉容器內工質的 動力粘性系數，受平均壓力的影響可忽略；w為熱絲往復運動的圓頻率。通過調節速度幅值與工質壓力來改變工質的相對運動質量流幅值/^/ ，獲 得雷諾數的變化。對往復運動頻率以及工質壓力的調節可以改變/^，從而獲得動態雷諾數的變化。因此，標定時，所有工況點分為兩組， 一組 是/7t/數不變，而，變化；另一組是/^不變，而/7[/變化。在對熱線風速儀進行標定之前，應大致估計待測聲場測點處的p[/， /^范圍，這對于本領域技術人員來說是容易做到的。如圖4，圖5所示， 驅動裝置16產生往復運動，設置驅動裝置16產生的往復運動位移應按 正弦或近正弦變化，且速度幅值與頻率范圍選擇需滿足pf/以及^范 圍必須包含待測聲場測點處的/^/,，范圍。具體標定方法，包括如下步驟(1) 首先安裝標定設備；檢測各傳感器以及采集系統無誤后對系 統抽真空；充入待測工質。(2) 設定第一組工況點。密度p與往復運動的速度幅值"的乘積為 一常數C,即pt/ = C，，設定密度p與往復運動圓頻率《的乘積的"個離散點，pw",,,.../—該組工況點的獲得是通過調節頻率為主，輔以密度的調 節來擴大/^的離散范圍。"個離散工況點中的第/個點通過對各參數做如下選擇得到首先選定密度P，則所需驅動圓頻率w,^,/p，在該圓頻 率下所需速度振幅為tZ-C,/p。若在選定密度p下，驅動機構提供不了所 需頻率或速度振幅，則可考慮調整密度值，例如所需頻率過高，則可向 系統充氣，增加其工質密度，從而使所需頻率進入驅動機構可調范圍。(3) 設定第二組工況點。密度p與往復運動圓頻率w的乘積為一常數C2即p必=C2,設定密度p與往復運動的速度幅值t/的乘積pf/的附個離散點，/^"^.&。該組工況點的獲得是通過調節速度振幅為主，輔以 密度的調節來擴大PV的離散范圍。m個離散工況點中的第Z個點通過對 各參數做如下選擇得到首先選定密度…則所需驅動圓頻率c^CVp， 在該圓頻率下所需速度振幅為[/,=/2,/^。與第一組工況點類似，若在選 定密度P下，驅動機構提供不了所需頻率或速度振幅，則可考慮調整密 度值，例如所需速度幅值過高，則可向系統充氣，增加其工質密度，從 而使所需速度振幅進入驅動機構可調范圍。(4) 根據設計的兩組工況點，在所需工質平均壓力下，調節驅動 機構對導桿的驅動頻率以及速度幅度，采集設計工況點的信號。調節驅 動機構時需注意導桿的運動頻率及速度振幅只能漸變，不能突變其運動 狀態，以防加速度過大，焊接于叉桿間的熱絲脫落。(5) 采集到所設計工況數據后，基于不同頻率下，速度振幅f/對熱線換熱影響的相似性(參見文獻"G. Huelsz et al， Experiments inFluids, Vol.30，2001"中公開的技術)，對兩組工況下數據分別擬合，如所測熱線電信號(這里以電壓r為例)的兩組擬合表達式分別為 J2 ， " =gGat/)。(6) 然后對上述兩個擬合再做合并擬合，如總的擬合式有如下形式]/2=。/(拜).，)其中c為常數。根據上述方法擬合出熱線探針的標定曲線r2 =o/(^).g0^)，可以用 于聲場測量。最后所應說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非 限制。盡管參照實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人 員應當理解，對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，都不脫離本發明技術方案的精神和范圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當 中。
權利要求
1. 一種聲場中的熱線風速儀標定裝置，其特征是，包括密閉容器；用于固定并驅動待標定的熱線風速儀的的探針在所述密閉容器內運動的驅動裝置；用于測量所述探針運動速度的位移傳感器。
2、 根據權利要求l所述聲場中的熱線風速儀標定裝置，其特征是， 該裝置還包括用于測量所述密閉容器內工質壓力的壓力傳感器和用于 測量所述密閉容器內工質溫度的溫度傳感器。
3、 根據權利要求1或2所述的聲場中的熱線風速儀標定裝置，其 特征是，所述驅動裝置安裝在所述密閉容器內部，所述驅動裝置有一個 伸出的輸出導桿，所述探針通過所述輸出導桿連接到所述驅動裝置。
4、 根據權利要求1或2所述的聲場中的熱線風速儀標定裝置，其 特征是，所述驅動裝置安裝在所述密閉容器外部，所述驅動裝置有一個 伸出的輸出導桿，所述輸出導桿通過動密封部件伸入到所述密閉容器內 部，所述探針通過所述輸出導桿連接到所述驅動裝置。
5、 根據權利要求1所述的聲場中的熱線風速儀標定裝置，其特征 是，所述驅動裝置驅動所述輸出導桿作直線往復運動，進而驅動所述探 針作直線往復運動。
6、 根據權利要求5所述的聲場中的熱線風速儀標定裝置，其特征 是，所述探針包括形成夾角的兩個叉桿和連接在叉桿之間的熱線或熱 膜，所述探針是與所述導桿垂直固定，由叉桿和熱線或熱膜形成的平面 與所述導桿垂直。
7、 一種利用權利要求1或2所述熱線風速儀標定裝置的聲場中的熱線風速儀標定方法，包括如下步驟(1) 對密閉容器抽真空后，充入待測工質；(2) 設定第一組工況點在工質密度與探針往復運動的速度幅值 的乘積為第一常數的情況下，設定工質密度與往復運動圓頻率的乘積的 多個離散點；(3) 設定第二組工況點在工質密度與探針往復運動的圓頻率的 乘積為第二常數的情況下，設定工質密度與探針往復運動速度幅值的乘 積的多個離散點；(4) 設定控制電路參數以設置熱線探針的工作方式，對于上述第 一、第二組工況點分別采集對應工況點的熱線電信號；(5) 對第一組工況點和對應的熱線電信號進行數據擬合，得到熱 線電信號與工質密度和圓頻率乘積的第一函數關系；對第二組工況點和 對應的熱線電信號進行數據擬合，得到熱線電信號與工質密度和速度幅 值乘積的第二函數關系；(6) 對第一函數關系和第二函數關系進行合并擬合，得到熱線電 信號與速度幅值、圓頻率以及工質密度的函數關系。
8、 根據權利要求7所述聲場中的熱線風速儀標定方法，其特征是， 所述設置熱線探針的工作方式包括恒定溫度，或恒定熱流，或恒定電壓。
9、 根據權利要求7所述聲場中的熱線風速儀標定方法，其特征是， 所述步驟(2)中多個離散工況點通過對各參數做如下選擇來得到首 先選定工質密度，則所需驅動圓頻率為離散工況點值除以工質密度，在 該圓頻率下所需速度振幅為第一常數除以工質密度；若在選定工質密度下，驅動裝置不能提供所需頻率或速度振幅，則通過向容器中充入或從 容器中放出工質來調整工質密度，從而使所需頻率或速度振幅進入驅動 裝置的調節范圍。
10、根據權利要求7-9任一項所述聲場中的熱線風速儀標定方法， 其特征是，所述步驟(3)中多個離散工況點通過對各參數做如下選擇 來得到首先選定工質密度，則所需驅動圓頻率為第二常數除以工質密 度，在該圓頻率下所需速度振幅為離散工況點值除以工質密度；若在選 定工質密度下，驅動裝置不能提供所需頻率或速度振幅，則通過向容器 中充入或從容器中放出工質來調整工質密度，從而使所需頻率或速度振 幅進入驅動裝置的調節范圍。
全文摘要
本發明公開了一種聲場中的熱線風速儀標定裝置及標定方法，該裝置包括密閉容器；固定安裝于密閉容器中的驅動裝置；與所述驅動裝置相連接的探針在所述驅動裝置的驅動下運動，所述驅動裝置有位移傳感器；所述容器內部安裝壓力傳感器和溫度傳感器；導線。該方法包括對密閉容器抽真空后，充入待測工質；設定第一組工況點；設定第二組工況點；對第一、第二組工況點分別采集對應工況點的熱線電信號；對第一、二組工況點和對應的熱線電信號分別進行數據擬合；對得到的兩個數據擬合再進行合并擬合。本發明對熱線風速儀的標定更為準確并能夠標定更大速度范圍。
文檔編號G01R5/00GK101275976SQ20071006493
公開日2008年10月1日 申請日期2007年3月29日 優先權日2007年3月29日
發明者吳張華, 巍 戴, 羅二倉, 陳燕燕 申請人:中國科學院理化技術研究所