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超声波风速

风速传感器的基本原理

时间:2013-11-02 11:04:06  来源:

1 概述

变风量末端装置是变风量空调系统的主要设备之一。风速传感器又是变风量末端装置的关键部件,因此,风速传感器的类型与性能直接影响系统风量的检测和控制质量。

风速传感器一般由各末端装置生产厂家自行开发或委托控制设备商配套生产。风速传感器品种繁多,最常用的是皮托管式风速传感器,超声波涡旋式风速传感器,螺旋桨风速传感器和热线、热膜式风速传感器等。

目前,我国及欧美各厂家的变风量末端装置均采用皮托管式风速传感器,而日本各厂家无一采用皮托管式风速传感器。风速测量的方法多种多样,风速检测范围、精度要求、使用要求都是选择风速传感器的主要依据。风速测量方法有气压法、机械法与散热率法等。气压法是通过测量全压和静压的差值求得风速,如皮托管式风速传感器;机械法是利用流体的动压推动机械装置旋转来求得风速,如螺旋桨风速传感器;散热率法利用流速与散热率成对应关系的原理,通过测量相等散热量的时间,或测温度变化,或保持原温度的加热电流量的变化来确定风速。 

随着现代科学技术的发展,激光、超声波等一些新式的风速传感器也在风速检测中使用。 

风速传感器的基本原理

2. 1 皮托管式风速传感器

皮托管是测压管,由于其结构简单,使用方便,理论研究完善而得到广泛应用。皮托管根据流体流动引起的压差进行流速检测[1 ] 。

标准皮托管是一根弯成直角的金属细管,它由感测头、外管、内管、管柱与全压、静压引出导管等组成。在皮托管头部的顶端,迎着来流开有一个小孔,小孔平面与流体流动方向垂直。在皮托管头部靠下游的地方,环绕管壁的外侧又开了多个小孔,流体流动的方向与这些小孔的孔面相切。顶端的小孔与侧面的小孔分别与两条互不相通的管路相连。进入皮托管顶端小孔的气流压力(称为全压) ,除了流体本身的静压,还含有流体滞止后由动能转变来的那部分压力,而进入皮托管侧面小孔的气流压力仅仅是流体的静压,根据全压和静压即可求出动压,从而求出风速。用皮托管只能测量某一点处的流速,而流体在管道中流动时,同一截面上各点的流速各不相同。

在变风量末端装置中,由于管道截面较大,测量某一点的流速不能反映该截面的平均流速。实际上,人们采用一种变形的皮托管即均速管来测量流经末端装置的风速,对被测截面上各测点的动压取平均值,求取平均流速。

均速管也称为阿纽巴。一般用于圆形管道,用一根细的管子插入变风量装置的入口,将被测截面分成若干区域,在每个区域中心位置的细管上开小孔作为测点,迎着气流方向,这些孔就是全压测孔,同时,在另一根相同截面的细管的背流方向开一个或多个静压测压孔。变风量末端装置的皮托管式风速传感器本身不输出电信号,只能输出压差信号。用皮托管式风速传感器测出的压差与空气流速呈二次曲线关系,其数学表达式为

Δp = K ρ v2

式中 Δp ———皮托管式风速传感器的输出压差,Pa ;

K ———皮托管式风速传感器放大系数, K值最大为3 ,一般K ≤2 ;

v ———测点处气流的速度,m/ s ;

ρ———流体密度,kg/ m3 。

皮托管式风速传感器由铜管或不锈钢管制成[2 ] ,其外径越小对气流干扰越小,测量精度越高。

一般来说,全压测孔的总面积应小于测压管总面积的3 %。为了保证传感器具有足够的刚度,一般测压管的外径与管道内径之比在0. 04~0. 09 之间,测压管上全压测孔的直径应是测压管内径的0. 2~0. 3 倍,且应在0. 5~1. 5 mm 之间。皮托管式风速传感器应具有抗堵塞性、抗偏流性和抗破坏性的能力。

在我国常用的几种皮托管式风速传感器的基本结构和特点见表1 ①。

表1 几种常用皮托管式风速传感器基本结构及特点

基本结构及特点

平均风速十字分布,4 测孔布置,全压、静压测管重合,中心抽出

结构一

压差测管

等面积十字分布,多测孔布局,全压、静压测管呈45°错位,中心

结构二

抽出压差测管

等面积一字分布,多测孔布局,全压、静压测管呈90°错位,端头

抽出压差测管,采用大开孔,不易造成测孔堵塞,测管直径随

结构三

装置入口直径而变化,增加了传感器抗碰抗拉能力

等面积十字分布,多测孔布局,全压、静压测管重合,端头抽出压

差测管,采用大开孔,不易造成测孔堵塞,测管直径随装置入

口直径而变化,增加了传感器抗碰抗拉能力,是目前惟一经国

结构四

家空调设备质量监督检验中心认证的变风量末端装置传感器

结构五

半径中部十字分布,多测孔布局,中心抽出压差测管

注:表中所列风速传感器的测压管材质均为铝合金。

如采用标准皮托管,取空气密度ρ= 1. 2 kg/m3 ,放大系数K = 0. 97 , v = 1 m/ s 时,测得的压差值是0. 582 Pa 。要将如此小的压差信号变送为电信号,还要保持其精度,就要采用昂贵的微压差传感器。因此不同厂家对皮托管式风速传感器均采用不同的压差输出增幅技术。当K = 3 ,压差测量范围为0~200 Pa ,测量精度为全量程3 %时,其误差值是±6 Pa ,折合成风速为±1. 8 m/ s。对于放大系数为3 的传感器,1. 8 m/ s 以下的风速信号没有意义。同样,当K = 3 ,压差测量范围为0~400Pa ,测量精度为全量程3 %时,风速传感器的误差值为±12 Pa 。所测量的风速低于2. 58 m/ s 时,其所测得的风速信号没有意义。

皮托管式风速传感器的测量范围为0 <Δp < 0. 4 kPa ,当风速在4~16 m/ s 范围内时可保证适当的测量精度。采用皮托管作为流速传感器,应满足下列要求:

1) 被测流体的流速不能太小,一般要求其全压测孔处雷诺数大于200 ;

2) 应避免皮托管对被测流体的干扰过大,保证皮托管的直径与被测管道的直径之比在0. 04~0. 09 之间;

3) 被测管道的相对粗糙度应不大于0. 01 ;

4) 测量时应保证全压测孔迎着流体的流动方向,并使其轴线与流体流动方向一致;

5) 防止测压孔堵塞。

2. 2 螺旋桨风速传感器

螺旋桨风速传感器由螺旋桨叶片、传感器轴、传感器支架及磁感应线圈等组成①。它利用流动空气的动能来推动传感器的螺旋桨旋转,然后通过螺旋桨的转速求出流过末端装置的空气流速。螺旋桨风速传感器可以分成平行轴式和垂直轴式两种形式。

图1 是一种平行轴式风速传感器,它由四片叶片组成。传感器支架内侧设置两组N 极和S 极间隔排列的磁性物质,在不旋转的螺旋桨支架内侧的轴上设置一个固定磁极,当螺旋桨旋转时,固定磁极就可根据其感知的磁力线的变化,测出螺旋桨在单位时间内的旋转次数,从而根据传感器旋转次数与风速的关系计算出流过末端装置的风速。

图1 螺旋桨风速传感器基本构造 图2 螺旋桨风速传感器转子的转速与迎面风速的关系

图2为该传感器转子的转速与迎面风速的关系曲线。

螺旋桨风速传感器属于非接触性传感器,它不受重力的影响,可安装在任何位置。且不像皮托管式风速传感器的测压孔可能被空气中的灰尘堵塞而失去测速作用,可靠性高。螺旋桨叶片的形状和表面光洁度,转子的质量以及转子轴承的阻力均影响风速测量性能。

螺旋桨风速传感器具有下列特点:

1) 利用磁石环抗磁芯子,不用接触就能检测出螺旋桨转子的转速,有良好的可靠性和耐久性,使用寿命长;

2) 利用飞散效果使空气中的尘粒无法附着在叶轮上,使尘粒对传感器部件的影响减至最小;

3) 轴承采用性能良好的树脂制作,在制造阶段进行了特殊处理,润滑油分散在轴承中,不需添加润滑油就可使用,使得轴承和叶轮长轴之间几乎没有磨损;

4) 几乎不需维护和保养。螺旋桨风速传感器的量程为1~10 m/ s ,全量程范围内测量精度为±1. 5 % ,最大误差为±0. 15m/ s。

2. 3 超声波式风速传感器

超声波式风速传感器可以分成主动型传感器、被动型传感器、涡流(街) 式传感器、相关式传感器等类型。表2 为超声波风速传感器测速原理一览表 

表2 超声波风速传感器测速原理

超声波利用方法

种 类

测定原理

检测量

 

相位差

 

时间差

 

直接利用

 

主动型

 

顺流、逆流超声波传播速度差

 

频率差

 

被动型

 

流体的发声

 

声音的大小

 

涡流(街) 式

 

卡门涡流

 

通过波振幅

 

间接利用

 

相关式

 

流体的湍流程度

 

振幅及其相位

 

图3 为日本某公司为其变风量装置专门开发的超声波

 

风速传感器②。这是一种卡门涡街式风速传感器。它由

 

超声波发生器、涡流发生器、超声波接收器、发生器导

 

线、接收器导线以及外壳等组成,传感器本体采用ABS

 

制作。其构造见图3 。

 

图3 卡门涡街式风速传感器构造

 

黏性流体围绕圆柱体流动。当流体速度很小时,流体的前驻点速度为零,流体绕圆柱左右两侧

 

流动。在圆柱体前半部分速度逐渐增大,压力下降,在后半部分速度逐渐下降,压力升高,后驻点速度为零。此时的流动与理想流体绕圆柱体流动相同。

 

随着流体的流速增加,圆柱体后半部分的压力梯度增大,引起流体附面层的分离。当流体的雷诺数再增大,圆柱体后半部附面层中的流体微团受到更大的阻滞时,就会在附面层的分离点处产生一对旋转方向相反的对称涡旋,称为卡门涡旋。

 

对于圆柱型涡旋发生体,当雷诺数在3 ×102~2 ×105范围内时,稳定的卡门涡街的涡旋脱落频率与流体速度成正比,其表达式为

 

f ≈ 0. 2 v

 

d

 

式(2) 也可写成:

 

S r = f ≈ 0. 2

 

dv

 

式中 S r 称为斯特劳哈尔数,是个常数,约等于0. 2 。当雷诺数更大时,圆柱体周围的边界层将变成湍流,不符合涡街的稳定条件。

 

该公司变风量末端装置超声波风速传感器频率与风速的关系见图4 。

 

涡旋发生体形状多种多样,但必须具有相同的基本要求:

 

1) 为了产生涡旋,要有钝的(非流线型) 截面形状;

 

2) 使流体的流动接近二维流动,涡旋发生体上下截面相同,且左右对称;

 

3) 边界层分离点固定,使斯特劳哈尔数恒定。

 

该公司变风量末端装置所用超声波风速传感器具有较高的测量精度。风速在1~5 m/ s 范围内时,传感器单体测量误差在1. 5 %以内,最大绝对误差为±0. 375 m/ s。具有理想的比例特性,依靠超声波(40 Hz) 的自清洗作用,传感器本身不会附着灰尘,不受流体温湿度的影响,没有机械运动部件。设计使用寿命长达1 ×105 h ,法定使用年限为10 a。

 

2. 4 霍耳效应电磁风速传感器

 

在半导体上通电并将其置于磁场中,如果磁场与电流的方向垂直,则在磁场的作用下,载流子(电子或空穴) 的运动方向发生偏转。在垂直于电流和磁场的方向上就会形成电荷积累,出现电势差。其输出电压与磁场强度成正比。这一现象称为霍耳效应( Hall effect) 。

 

尽管人们早在1879 年就知道了霍耳效应,但直到20 世纪60 年代末,随着CMOS(complementary metalOoxide semiconductor ,互补性氧化金属半导体) 技术的不断发展,出现了具有成本低、质量好、性能可靠、体积小等多种优点的霍耳传感器。芯片集成技术的发展,减少了电压偏置与漂移问题。霍耳效应电磁传感器能较好地应用于一些较恶劣如受灰尘、温度、振动及其他与环境相关因素影响的场合。

 

霍耳效应电磁风速传感器将霍耳元件固定在传感器支架上,将永磁铁安装在风动簧片上(倒过来也可以) 。风速推动簧片变形,改变霍耳元件与永磁铁的距离。霍耳元件与永磁铁距离的改变,改变了加在霍耳元件上的磁场,从而引起霍耳元件感应电压的改变。霍耳元件感应电压的改变量经反向放大电路放大,变为霍耳效应电磁风速传感器的输出电压。风速越大,霍耳元件与永磁铁的距离越远,霍耳元件感应电压越小,反向放大电路的输出越大,霍耳效应电磁风速传感器的输出电压也越大。

 

图5 是日本另一公司变风量末端装置所用霍耳效应电磁风速传感器①。图6 是霍耳效应电磁风速传感器风速与输出电压的关系。这种传感器构造简单,无磨损件,抗灰尘。缺点是弹性簧片的弹性决定了风速传感器的测量精度和耐用性。簧片的形状和弹性及表面光洁度均影响风速测量性能。簧片弹性的耐久性越好,传感器的耐用性越好。该风速传感器的量程为1~20m/ s ,全量程范围内测量精度为±1. 1 % ,最大误差为±0. 22 m/ s。

 

1风动簧片 2传感器支架 3霍尔元件

 

4 永磁铁 5 保护框 6 屏蔽导线

 

2. 5 热线、热膜式风速传感器

 

热线式风速传感器是以热丝(钨丝或铂丝) 或是以热膜(铂或铬制成薄膜) 为探头,裸露在被测空气中,并将它接入惠斯顿电桥,通过惠斯顿电桥的电阻或电流的平衡关系,检测出被测截面空气的流速。热膜式风速传感器的热膜外涂有极薄的石英膜绝缘层,以便和流体绝缘,并可防止污染,可在带有颗粒的气流中工作,其强度比金属热线丝高。

 

当空气温度稳定不变时,热丝上的耗电功率等于热丝在空气中瞬时耗去的热量。热丝电阻随温度而变化,热线的电阻和热线温度在通常温度范围(0~300 ℃) 之内,表现为线性关系。放热系数与气流速度有关,流速越大,对应的放热系数也越大,即散热快;流速小,则散热慢。

 

热线、热膜式风速传感器所测气流速度是电流与电阻的函数。将电流(或电阻) 保持不变,所测气流速度仅与电阻(或电流) 一一对应。热线式风速传感器有恒流与恒温两种设计电路。恒温式热线风速传感器较为常用。恒温法原理是测量过程中保持热丝温度恒定,使电桥平衡,此时热丝电阻保持不变,气流速度只是电流的单值函数,根据已知的气流速度与电流的关系可求得通过末端装置的气流速度。

 

恒流式热线风速传感器在测量过程中保持流经热丝的电流值不变。当电流值不变时,气流速度仅仅与热丝电阻有关。根据已知的气流速度与热丝电阻的关系可求得通过风速传感器的气流速度。热线式风速传感器有X 形、V 形以及平行形等种类。热线式风速传感器可测量脉动风速。恒流式风速传感器热惯性较大,恒温式风速传感器的热惯性相对较小,具有较高的速度响应。热线式风速传感器的测量精度均不很高,使用时要注意温度补偿。

 

图7 为一种热线式风速传感器①。这种热线式风速传感器属于恒温式风速传感器。在传感器的基座上设有两个热电阻,对其中一个热电阻加热,使两个热电阻之间的温差保持在20 ℃。通过检测热线风速传感器的电压获得流经风速传感器的风量。

 

图8 为该热线式风速传感器的电压与风速的关系。该热线式风速传感器的风速测量范围为0~10 m/ s ,推荐风速为7. 5 m/ s。使用温度范围0~60 ℃。风量检测误差在±5 %以内。

 

3 各种风速传感器的性能参数比较(见表3)

 

表3 各种风速传感器性能参数比较

 

流速范围/

 

精度/

 

名 称

 

原 理

 

(m/ s)

 

%

 

使用场合

 

压力式风速传感

 

器(皮托管等)

 

根据伯努利定理, 测得动压值求出截面平均风速

 

≥3

 

风速较小时精度较差,适用于较干净的气流,进口处要有一定的稳定段

 

风车型风速传感器

 

根据流体推动叶轮旋转次数求得截面风速

 

1~10

 

1. 5

 

适用于有颗粒的气流

 

热线、热膜式风速传感器

 

根据惠斯顿电桥平衡原理,测出电流或电阻值求得截面风速

 

1~9



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