热丝测速

Mechanical Engineering

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Overview

资料来源: 里卡多梅希亚-阿尔瓦雷斯和 Hussam Hikmat, 密歇根州立大学机械工程系, 东兰辛, MI

热线风速有很短的时间响应, 这使他们的理想测量迅速波动的现象, 如湍流流。本实验的目的是演示热丝测速的使用。

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JoVE Science Education Database. 机械工程. 热丝测速. JoVE, Cambridge, MA, (2019).

Principles

热线风速仪

热线风速仪是一种用于测量流速的装置, 它是基于极薄的电热导线的散热。由电线, 产生的热量由关系给出:

(1)

其中, 表示导线的电阻和流经导线的电流. 电阻取决于导线的温度根据以下关系:

(2)

其中, 是参照温度下的导线电阻和是依赖于导线材料的常数. 当等式 (1) 表达由电流产生的热量, 热消散由流动, 跟随国王的定律 [2]:

(3)

这里,、和是校准常量, 是绕线的流速. n 的值取决于雷诺数, 并且已经发现对于在这个特定的实验中可以实现的雷诺数的范围是令人满意的. 为了获得温度、电流和速度之间的关系, 我们结合了方程式 (1) 和 (3):

(4)

在这里, 温度依赖性进入通过电阻 (等式 (2))。我们将在当前实验中使用的测量策略是保持导线常数的温度 (因此是电阻)。从方程 (4), 很明显, 如果电阻是恒定的, 电流需要波动, 以跟随速度的趋势。换句话说, 冷却速率随流速的变化而改变, 除非电流被改变以补偿, 否则会使导线的温度发生变化。显然, 有必要有一个快速反应的电力系统来测量一个快速变化的速度信号。这是通过像图 1 (a) 中所示的惠斯桥实现的。从图中, 热线是电路中的四电阻器之一。图 1 (B) 显示了它的物理配置, 这是一个非常细的导线之间的两个尖头 (一个5微米的钨线的当前实验)。控制电阻,, 从图 1 (A) 最初调整, 以产生零桥电压,, 为所需的基线温度 (因此电阻) 的热线. 在运行时, 桥电压作为反馈信号, 以增加或减少电流的导线, 以保持热丝在一个恒定的温度。另一方面, 被放大以实现更容易读取的电压刻度,.此电压与电流通过欧姆定律有关:

(5)

因此, 方程 (4) 可以用电压来表示:

(6)

校准常量现在定义为: 和. 本实验的主要目的是找出这些校准常数的值。为此, 热线探头将在参考流系统中设置。这个流动系统将被用来发出一些已知速度的流动。然后, 将使用最小二乘法回归来找到校准常数。

如图2的示意图所示, 此处使用的参考流是自由射流的腔 contracta 。平均速度在腔 contracta很好的特点是以下等式 [3, 4, 5]:

(7)

在这里, 常数0.61 是射流的放电系数, 是内部压力, 而是大气压. 腔 contracta的位置很好地定义了关系:

(8)

其中, 是沿其中心线的 jet 出口的距离, 是从其发出 jet 的狭缝的宽度. 这是热线风速仪定位的位置。图3和4显示了此处使用的流系统。在这个系统中, 一个风扇加压有两个出口, 一个狭缝来产生射流, 和一个堆栈来分流流。由于流经堆栈的流量受孔板限制 (参见图4以供参考), 射流的流速增加。此设置将帮助我们生成的散点图和在惠斯桥上测量的电压.

Figure 1
图1。平面射流示意图显示: 腔 contracta 和连接关系图.请单击此处查看此图的较大版本.

Figure 2
图2。实验装置(A): 流程设施; 通过离心风机增压。(B): 用于发出平面射流的狭缝。(C): 遍历系统以改变风速仪沿射流的位置.请单击此处查看此图的较大版本.

Procedure

  1. 测量狭缝的宽度, W, 并在表1中记录此值。
  2. 验证数据获取系统是否遵循图 2中的示意图。
  3. 将压力传感器的正端口连接 (请参见图 2以供参考) 到 "压力分路器" ().
  4. 离开压力传感器的负端口, 向大气开放。因此, 该传感器的读数将直接;根据等式 (7) 的要求。
  5. 启动程序进行热线校准。将采样率设置为100赫兹, 共1000年样本 (即10s 的数据)。
  6. 确保数据采集系统中的通道0对应于热线风速仪的电压。
  7. 在与通道0对应的字段中, 选择常量的值为 0.45.
  8. 腔 contracta的位置设置热线风速仪 (在中心线上, 在x = 1.5 W).
  9. 确保数据采集系统中的通道1对应于压力传感器的信号。
  10. 输入本地空气密度 (通常为1.2 公斤/米3的平均值) 和转换常数从伏特到压力 (76.75 Pa/V) 在对应于压力传感器的领域。在表1中记录这些值。这样, 数据采集系统就可以根据方程 (7) 的速度直接在 m/s 中报告数据。
  11. 完全盖住栈以确定射流最大速度的条件。
  12. 打开流程设备。
  13. 获取数据集。
  14. 更改具有较低限制 (较大直径) 的堆叠板
  15. 获取数据集。
  16. 重复步骤1.15 和 1.16, 总共至少四次。确保最后的重复是用堆栈完全无限制 (最低的射流速度) 进行的。
  17. 数据采集程序将进行最小二乘法计算, 并自动报告校准常数。在表1中记录这些值。

表1。实验研究的基本参数。

参数
狭缝宽度 (W) 19.05 (mm)
空气密度 (r) 1.2 (千克/米3)
传感器校准常数 (m_p) 76.75 (Pa/五)
校准常数 A 5.40369 (V2)
校准常数 B 2.30234 (V2 s0.65m-0.65)

Figure 1
图 3.热线风速计电路。(A): 惠斯桥电路, 确保热丝内恒温。(B): 热线的结构细节.请单击此处查看此图的较大版本.

Figure 1
图 4.流量控制系统。在全会顶部的栈服务的目的是分流从射流狭缝允许控制喷气机的出口速度.请单击此处查看此图的较大版本.

热丝测速是在流动试验中测量流体流速的一种常用的实验方法。速度通常是流动的一个重要参数来表征。但与许多流动性质, 它是挑战的测量不影响实验。湍流的测量增加了一个额外的并发症, 因为速度可以在这个制度中迅速波动。热线风速是一个成功的诊断, 因为他们可以做非常小, 以尽量减少其对测量流量的影响。他们有足够快的时间响应来解决流速的快速波动。此视频将说明热丝风速仪在恒温配置中的工作原理。然后显示这些设备是如何被校准的, 以准备在流动实验中使用。

在最简单的形式, 热丝风速计包括一个短电阻线暂停两个支持和放置在流动的利益。电线被电加热到温度高于环境流体温度, 使热量产生抵消对流冷却失去的热量。由于对流冷却速率取决于流体的速度, 因此可以定义电功率与风速的关系和流速。导线的焦耳加热是导线抵抗的产品和电流的正方形。对于大多数材料来说, 电阻是温度依赖性的, 并且是线性关系的近似值, 其中的常数α是由金属丝材料指定的。对流冷却可以用国王定律来模拟。在这个等式 a 和 B 是常数在定标期间被确定。速度 N 的指数通常在0.45 左右。在稳定状态下, 加热和冷却是平衡的。但确定瞬时输入功率取决于同时了解电阻和电流。一种称为恒温测速的策略是只提供足够的电流以保持温度, 从而使导线的电阻恒定。这是完成使用的惠斯桥梁与热线服务作为一条腿的桥梁电路。该桥可以被认为是两个并联的电压分配器, 其输出的不同之处是桥电压。如果比率是一个 R2 和 RW 对 R3 是相等的, 桥梁是平衡的, 并且桥梁电压是零。否则, 桥接电压被放大并作为反馈信号使用。电流将流经热线, 加热, 直到桥梁平衡。通过调整控制电阻 R1, 可以确定热线的基线温度。欧姆定律可以用来将流经热线的电流与桥电压联系起来。现在, 由于我们的 W 保持恒定, 电阻条件可以被吸收到校准常数。并且速度被指定作为桥梁电压的作用。校准常数是通过在参考流系统中放置风速计来确定的。测量必须在几个已知的流速, 使最小平方回归可以执行。自由射流的腔 contracta 是一个有用的参考流, 因为平均流速的特征是流体密度和压差。现在, 您了解了热线风速仪是如何工作的, 让我们来看看如何使用自由射流的腔 contracta 来校准实验装置。

在开始安装之前, 请先熟悉设施的布局和安全程序。流动系统包括由离心风扇加压的一个全会。一个自由的喷气机形式从狭缝一侧的充满和堆栈上的顶部允许的压力, 以调整通过交换限制孔板。现在设置数据获取系统, 如图中所示的文本。将压舱压力表连接到压力传感器的正端口, 并使负端口向大气开放。在数据采集系统上设置通道零, 使风速计的电桥电压和通道一到压力传感器。在数据采集软件中, 将热线通道设置为零和压力传感器通道到1。最后, 将常数 N 设置为 0.45, 采样率为100赫兹, 样本总数为1000。在适当的字段中输入传感器校准常量中的局部空气密度值, 以便数据获取系统以每秒的米为单位报告结果。使用校准间隔将狭缝宽度设置为19.05 毫米或三英寸。然后将热线风速计贴在腔 contracta 的位置上, 距离开口的狭缝宽度1.5 倍。通过在交叉流方向上遍历探头, 直到示波器上的信号显示最小的波动时, 找到飞机的风速计和中平面。现在, 完全覆盖堆栈, 以建立最大的射流速度, 然后打开流动设施。使用软件记录数据点。测量完成后 , 用最小开换孔板。用新的孔板进行另一种测量。继续交换孔板和采取测量, 直到您收集了至少六数据点包括一个与堆栈完全无限制。从数据采集软件中恢复校准常数。

一旦你完成收集数据, 你将有电压测量从桥梁电路对应的一系列不同的流速。将电压平方作为提高到功率0.45 的速度的函数来绘制。然后对数据执行最小平方线性拟合。从合适的斜坡和拦截是这个热线风速仪的校准常数。现在, 风速计已被校准, 它可以用于不同的流量设置, 以测量未知的速度。

热丝风速常用于科学的流动实验。热丝测速广泛用于研究风洞中的边界层流动。边界层是流体力学研究的最古老的学科之一, 因为它们与空气动力学设计、海军工程和发电等技术应用有关。对所有这些领域的损害, 许多涉及边界层的影响仍然 incipiently 理解。高度不规则的粗糙度, 密度和黏度梯度和压缩性提到了一些。考虑到这一点, 在实验室设置中使用热线测速来评估与上述应用相关的边界层流。使用类似于当前实验中演示的策略。工业通风系统用于控制工业环境中的烟雾、微粒、气溶胶、燃烧产品或其他污染物。通常, 每个污染物将以不同的速率生成。因此, 排气系统将需要不同的流速为每个污染物, 以消除它们的有效。这个过程通常是在热线风速仪的帮助下进行的。在其中, 工程师设置阻尼器在每一行的位置, 寻求使读取风速计匹配预先估计的速度值。

你刚刚看了朱庇特的介绍热线测速。你现在应该了解一个恒定的温度风速仪是如何工作的, 以及如何校准这个装置以用于流动实验。谢谢收看

Results

实验测量结果列在表2中, 如图 5所示。这些数据的线性回归为等式 (6) 产生了以下结果:

(9)

它可以用来确定速度作为电压的函数:

(10)

表2。代表性的结果。测量的电压平方和速度在腔 contracta 到0.45 电源.

V_VC ^ 0.45 E^2
3.119 12.584
3.919 14.425
4.143 14.946
4.278 15.256
4.465 15.679

Figure 5
图 5.热磨损风速计的标定曲线.请单击此处查看此图的较大版本.

Applications and Summary

由于湍流表现出高频速度波动, 热线风速是适合其特性的仪器, 因为它们具有很高的时间分辨率。在本实验中, 我们演示了校准热线风速仪的过程。为此, 我们比较了风速计的电压信号与已知的速度值在腔 contracta的特征射流。这些测量用于确定风速计线性响应的校准常数。

热线测速在风洞边界层流动的科学研究中得到了广泛的应用。边界层是流体力学中最古老的研究课题之一, 它与气动设计、造船、发电等技术应用密切相关。对所有这些领域的损害, 许多涉及边界层的影响仍然 incipiently 理解: 高度不规则的粗糙度, 密度和黏度梯度, 和压缩性, 提到了一些。考虑到这一点, 在实验室设置中使用热线测速来评估与上述应用相关的边界层流, 使用的策略与当前实验中演示的方法相似。

References

  1. Chapra, S.C. and R.P. Canale. Numerical methods for engineers. Vol. 2. New York: McGraw-Hill, 1998.
  2. King, L.V. On the convection of heat from small cylinders in a stream of fluid: determination of the convection constants of small platinum wires with applications to hot-wire anemometry. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series A, Containing Papers of a Mathematical or Physical Character 214 (1914): 373-432.
  3. White, F. M. Fluid Mechanics, 7th ed., McGraw-Hill, 2009.
  4. Munson, B.R., D.F. Young, T.H. Okiishi. Fundamentals of Fluid Mechanics. 5th ed., Wiley, 2006.
  5. Buckingham, E. Note on contraction coefficients of jets of gas. Journal of Research, 6:765-775, 1931.
  1. 测量狭缝的宽度, W, 并在表1中记录此值。
  2. 验证数据获取系统是否遵循图 2中的示意图。
  3. 将压力传感器的正端口连接 (请参见图 2以供参考) 到 "压力分路器" ().
  4. 离开压力传感器的负端口, 向大气开放。因此, 该传感器的读数将直接;根据等式 (7) 的要求。
  5. 启动程序进行热线校准。将采样率设置为100赫兹, 共1000年样本 (即10s 的数据)。
  6. 确保数据采集系统中的通道0对应于热线风速仪的电压。
  7. 在与通道0对应的字段中, 选择常量的值为 0.45.
  8. 腔 contracta的位置设置热线风速仪 (在中心线上, 在x = 1.5 W).
  9. 确保数据采集系统中的通道1对应于压力传感器的信号。
  10. 输入本地空气密度 (通常为1.2 公斤/米3的平均值) 和转换常数从伏特到压力 (76.75 Pa/V) 在对应于压力传感器的领域。在表1中记录这些值。这样, 数据采集系统就可以根据方程 (7) 的速度直接在 m/s 中报告数据。
  11. 完全盖住栈以确定射流最大速度的条件。
  12. 打开流程设备。
  13. 获取数据集。
  14. 更改具有较低限制 (较大直径) 的堆叠板
  15. 获取数据集。
  16. 重复步骤1.15 和 1.16, 总共至少四次。确保最后的重复是用堆栈完全无限制 (最低的射流速度) 进行的。
  17. 数据采集程序将进行最小二乘法计算, 并自动报告校准常数。在表1中记录这些值。

表1。实验研究的基本参数。

参数
狭缝宽度 (W) 19.05 (mm)
空气密度 (r) 1.2 (千克/米3)
传感器校准常数 (m_p) 76.75 (Pa/五)
校准常数 A 5.40369 (V2)
校准常数 B 2.30234 (V2 s0.65m-0.65)

Figure 1
图 3.热线风速计电路。(A): 惠斯桥电路, 确保热丝内恒温。(B): 热线的结构细节.请单击此处查看此图的较大版本.

Figure 1
图 4.流量控制系统。在全会顶部的栈服务的目的是分流从射流狭缝允许控制喷气机的出口速度.请单击此处查看此图的较大版本.

热丝测速是在流动试验中测量流体流速的一种常用的实验方法。速度通常是流动的一个重要参数来表征。但与许多流动性质, 它是挑战的测量不影响实验。湍流的测量增加了一个额外的并发症, 因为速度可以在这个制度中迅速波动。热线风速是一个成功的诊断, 因为他们可以做非常小, 以尽量减少其对测量流量的影响。他们有足够快的时间响应来解决流速的快速波动。此视频将说明热丝风速仪在恒温配置中的工作原理。然后显示这些设备是如何被校准的, 以准备在流动实验中使用。

在最简单的形式, 热丝风速计包括一个短电阻线暂停两个支持和放置在流动的利益。电线被电加热到温度高于环境流体温度, 使热量产生抵消对流冷却失去的热量。由于对流冷却速率取决于流体的速度, 因此可以定义电功率与风速的关系和流速。导线的焦耳加热是导线抵抗的产品和电流的正方形。对于大多数材料来说, 电阻是温度依赖性的, 并且是线性关系的近似值, 其中的常数α是由金属丝材料指定的。对流冷却可以用国王定律来模拟。在这个等式 a 和 B 是常数在定标期间被确定。速度 N 的指数通常在0.45 左右。在稳定状态下, 加热和冷却是平衡的。但确定瞬时输入功率取决于同时了解电阻和电流。一种称为恒温测速的策略是只提供足够的电流以保持温度, 从而使导线的电阻恒定。这是完成使用的惠斯桥梁与热线服务作为一条腿的桥梁电路。该桥可以被认为是两个并联的电压分配器, 其输出的不同之处是桥电压。如果比率是一个 R2 和 RW 对 R3 是相等的, 桥梁是平衡的, 并且桥梁电压是零。否则, 桥接电压被放大并作为反馈信号使用。电流将流经热线, 加热, 直到桥梁平衡。通过调整控制电阻 R1, 可以确定热线的基线温度。欧姆定律可以用来将流经热线的电流与桥电压联系起来。现在, 由于我们的 W 保持恒定, 电阻条件可以被吸收到校准常数。并且速度被指定作为桥梁电压的作用。校准常数是通过在参考流系统中放置风速计来确定的。测量必须在几个已知的流速, 使最小平方回归可以执行。自由射流的腔 contracta 是一个有用的参考流, 因为平均流速的特征是流体密度和压差。现在, 您了解了热线风速仪是如何工作的, 让我们来看看如何使用自由射流的腔 contracta 来校准实验装置。

在开始安装之前, 请先熟悉设施的布局和安全程序。流动系统包括由离心风扇加压的一个全会。一个自由的喷气机形式从狭缝一侧的充满和堆栈上的顶部允许的压力, 以调整通过交换限制孔板。现在设置数据获取系统, 如图中所示的文本。将压舱压力表连接到压力传感器的正端口, 并使负端口向大气开放。在数据采集系统上设置通道零, 使风速计的电桥电压和通道一到压力传感器。在数据采集软件中, 将热线通道设置为零和压力传感器通道到1。最后, 将常数 N 设置为 0.45, 采样率为100赫兹, 样本总数为1000。在适当的字段中输入传感器校准常量中的局部空气密度值, 以便数据获取系统以每秒的米为单位报告结果。使用校准间隔将狭缝宽度设置为19.05 毫米或三英寸。然后将热线风速计贴在腔 contracta 的位置上, 距离开口的狭缝宽度1.5 倍。通过在交叉流方向上遍历探头, 直到示波器上的信号显示最小的波动时, 找到飞机的风速计和中平面。现在, 完全覆盖堆栈, 以建立最大的射流速度, 然后打开流动设施。使用软件记录数据点。测量完成后 , 用最小开换孔板。用新的孔板进行另一种测量。继续交换孔板和采取测量, 直到您收集了至少六数据点包括一个与堆栈完全无限制。从数据采集软件中恢复校准常数。

一旦你完成收集数据, 你将有电压测量从桥梁电路对应的一系列不同的流速。将电压平方作为提高到功率0.45 的速度的函数来绘制。然后对数据执行最小平方线性拟合。从合适的斜坡和拦截是这个热线风速仪的校准常数。现在, 风速计已被校准, 它可以用于不同的流量设置, 以测量未知的速度。

热丝风速常用于科学的流动实验。热丝测速广泛用于研究风洞中的边界层流动。边界层是流体力学研究的最古老的学科之一, 因为它们与空气动力学设计、海军工程和发电等技术应用有关。对所有这些领域的损害, 许多涉及边界层的影响仍然 incipiently 理解。高度不规则的粗糙度, 密度和黏度梯度和压缩性提到了一些。考虑到这一点, 在实验室设置中使用热线测速来评估与上述应用相关的边界层流。使用类似于当前实验中演示的策略。工业通风系统用于控制工业环境中的烟雾、微粒、气溶胶、燃烧产品或其他污染物。通常, 每个污染物将以不同的速率生成。因此, 排气系统将需要不同的流速为每个污染物, 以消除它们的有效。这个过程通常是在热线风速仪的帮助下进行的。在其中, 工程师设置阻尼器在每一行的位置, 寻求使读取风速计匹配预先估计的速度值。

你刚刚看了朱庇特的介绍热线测速。你现在应该了解一个恒定的温度风速仪是如何工作的, 以及如何校准这个装置以用于流动实验。谢谢收看

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