Transcript 热膜式防沙风速廓线仪研制

热膜式防沙风速廓线仪研制
报告人：赵爱国
2010-01-19
1、研制目的意义
为防止风沙危害，摸清风沙规律，认识沙丘的流
场特征。如何在恶劣的风沙流环境中获得宝贵的数据，
特别是对野外阵风进行满足一定频率的高频测量，一
直是风沙物理学研究需要解决的问题。
皮托管可用于风沙流研究，只是其频响过低。
转杯风速计一直是野
外测量的首选。但其响应
滞后，在脉动风中存在1％- 10％的转杯过转，再加上
挟沙风中颗粒对转碰撞和
轴承磨损造成的标定漂移
和不确定度，而且用于近
地表风速廓线测量很难达
到需要精度，误差比较大，
局限了它们在风沙动力学
研究中的应用。
目前 ,热线风速仪 (HWA)、粒子图像测速仪
(PIV)、激光多普勒测速仪 (LDV)等是研究微观流场最
先进的测试设备。其中热线风速仪空间和时间分辨率
高、频带宽、背景噪声低、信号连续、能够准确地对
流场进行频谱分析 ,适用于各种复杂流场 ,特别是在低
速流和湍流边界层流场研究中显示了较大的优越性 。
2、热线风速仪基本原理与应用
热线风速仪，发明于20世纪20年代。基本原理是
将一根细的金属丝放在流体中，通电流加热金属丝，
使其温度高于流体的温度，因此将金属丝称为“热
线”。当流体沿垂直方向流过金属丝时，将带走金属
丝的一部分热量，使金属丝温度下降。根据强迫对流
热交换理论，可导出热线散失的热量Q与流体的速度v
之间存在关系式2
'
U
 A  B' v
上式中U为热线的输出电压，A’，B’为与热线的电
阻温度系数有关的物理常数，由实验确定。这样通过
测量热线两端的电压，即可确定流速。
2.1、热线风速仪的优点
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（1）体积小，对流场干扰小；
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（2）适用范围广。不仅可用于气体也可用于液体，除了测量
平均速度外，还可测量脉动值和湍流量；除了测量单方向运
动外还可同时测量多个方向的速度分量。

（3）频率响应高，可高达1 MH z。
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（4）测量精度高，重复性好。

热线风速仪的缺点是探头容易断裂。
2.2、热线风速仪的主要用途
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（1）测量平均流动的速度和方向。
（2）测量来流的脉动速度及其频谱。
（3）测量湍流中的雷诺应力及两点的速度相关性、
时间相关性。
（4）测量壁面切应力（通常是采用与壁面平齐放置
的热膜探头来进行的，原理与热线测速相似）。
（5）测量流体温度（事先测出探头电阻随流体温度
的变化曲线，然后根据测得的探头电阻就可确定温度。
除此以外还开发出许多专业用途
2.3、热线风速仪在风沙研究中使用
由于多数商用探头和传感器不加护壳，在含有颗粒物的
气流中极易碎裂，不适合风沙动力学研究。因此，具备一定
抗沙粒击打能力，较高频响的热膜式风速仪逐渐开始在风沙
迁移研究中使用。
热线式风速仪应用于风沙动力学测量1982年，Jensen等
人首次将热线式风速仪应用于风沙动力学测量； 1、湍流中
输沙率对脉动风速响应的研究；2、床面粗糙度与跃移沙粒
的关系；3、在野外环境研究了非定常湍流对输沙量的影响；
4、在沙漠实地测量风沙质量迁移与跃移起动风速的关系；5、
研究沙粒跃移现象对风速廓线的影响。
3、热膜式防沙风速廓线采集仪
3.1、解决探头在含有颗粒物的气流中极易碎裂问题：
尽管在以往的风沙动力学研究中研究者已部分地使
用了热线式风速仪，但作为主要生产厂商通常提供的仅
是这些探头在净风条件下的性能参数。至于在风沙流中
探头的频响性能、抗风沙击打能力、测速如何修正等问
题，一直没有进行过细致的研究。
我们向厂家提出对热膜探头进行加固处理，通过在
热膜传感器表面镀镍或其他材料，使得传感器更加牢固
耐用，降低了使用的环境限制，延长了探头在风沙流中
使用寿命。虽然表面护壳会造成探头频响衰减，但仍远
远高于皮托管、转杯风速仪这类传统测量仪器；
3.2、技术路线
热膜风速仪由四部分组成：（1）热膜传
感器；（2）垂直分布和水平分布传输线变送
器；（3）数据采集仪；（4）野外直流供电装
置。
3.3、研制的热膜式防沙风速廓线采集仪攻关目标
是：（1）防沙热膜探头；（2）多路同步连续
采集；（3）数据自动存储；（4）能够在室内
和野外恶劣环境中运行和安装。
3.4、技术指标
测量范围：
0~1m/s 、0~3m/s......0－40m/S（可选择）
输出信号：
4-20mA或0-10V，线性
精度： （20℃/45%RH）
0-3m/s:：±（0.06m/s+2%m.v.)
0-30m/s：±（0.2m/s+3%m.v.)
0-40m/s：±（0.4m/s+5%m.v.)
供电电压： 24VDC/AC( ±20％)
耗电流：
<50mA
工作温度范围：
-10 ~ +50℃
电器连接：3位接线端子 电缆防水接头，可接电缆外径4.5 - 10 mm
外壳: 壳体: ABS塑料 ，IP65密封等级
3.5、输出曲线图：
3.6、热线风速仪应用程序
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BEGIN"TUNNEL"
/n/c/U/T P33=10 S1=0,1,0,10"M/S" S2=0,3,0,10"M/S"
S3=0,30,0,10"M/S" S4=0,40,0,10"M/S"
RA2S
101HV(S1) 102HV(S1) 103HV(S1) 104HV(S1) 105HV(S1)
106HV(S1) 107HV(S1)
108HV(S2) 109HV(S2) 110HV(S2) 111HV(S2) 112HV(S2)
113HV(S2) 114HV(S2)
115HV(S3) 116HV(S3) 117HV(S3) 118HV(S4) 119HV(S4)
RB2S
101HV 102HV 103HV 104HV 105HV 106HV 107HV
108HV 109HV 110HV 111HV 112HV 113HV 114HV
115HV 116HV 117HV 118HV 119HV
LOGON
END
4、热线风速仪在风洞中应用
试验流场压力用皮托管和
微压计来测量和监控 ,风速采集
采用热膜风速仪 ,热膜风速仪分
布在风洞试验段中心点垂直向
上的直线上 ,离地距离分别为
0.5，1 ,2 ,4 ,8 ,12 ,16,20，
24 ,32 ,40,56cm 共得到平均速
度和湍流度数值 10个. 试验结
果。

开展研究洞窟内流场分布及动态监测洞窟内的
气流携带风沙尘的走向流场是如何变化，进入
洞窟以后对壁画表面是如何进行磨蚀？对保护
洞窟有着深远意义。
5、结论
对极低风速有灵敏的响应，接近0m/s空气速
率的准确测量。传感器在24VDC供电下，输出
为4-20mA或0-10V标准信号，输出信号与风速
为线性关系。采用整体的热膜风速元件，抗振
和抗污染能力远远高于传统的热线风速计，具
有很高的长期稳定性。多种安装方式，可以很
方便的将探头固定在被测气流位置。精度高，
一致性好， 同时可测多达16个点。
谢 谢 各 位 专 家
敬 请 批 评 指 正