風(fēng)向風(fēng)速儀中測量小流量氣體的原理介紹
測量小流量氣體的速度的應(yīng)用范圍十分廣泛，尤其是應(yīng)用在風(fēng)速風(fēng)向儀上，可以非常有效的測量風(fēng)的速度和方向，那么風(fēng)向風(fēng)速儀中測量小流量氣體的原理是什么呢？你是否思考過？
風(fēng)向風(fēng)速儀的流量計(jì)的基本原理是流體流過被加熱的物體時(shí)導(dǎo)致物體溫度下降。所有的熱量式氣流計(jì)都是基于該基本原理，但是該風(fēng)向風(fēng)速儀的流量計(jì)不是使用金屬絲或金屬片作為被加熱元件，而是使用以脈沖方式工作的熱電偶，其原理如圖1所示。熱電偶用焊點(diǎn)1和2表示，其材料可選用常用的熱電偶材料，例如銅-康銅。
熱電偶的工作電流由一個(gè)外部恒流源4提供。當(dāng)工作電流通過焊點(diǎn)1和2時(shí)，其中一個(gè)焊點(diǎn)變熱，另一個(gè)焊點(diǎn)變冷，兩個(gè)焊點(diǎn)最終達(dá)到的溫度為T1和T2，其中T1、T2與環(huán)境溫度T0之間的簡單關(guān)系式為：T0-T1=T2-T0=KaIk
式中，Ik為通過2個(gè)焊點(diǎn)的電流，Ka為一個(gè)與環(huán)境溫度和熱電偶材質(zhì)有關(guān)的常數(shù)。達(dá)到最終溫度T1和T2的時(shí)間值取決于熱電偶的熱慣性。T1和T2溫度值將是漸近地到達(dá)。在測量過程中，熱電偶的加熱周期可以縮短到毫秒。在操作中，由雙極開關(guān)5來切斷電流，然后測量程序開始。由于對(duì)環(huán)境的熱傳導(dǎo)，溫度T1和T2將漸變到T0，此時(shí)將產(chǎn)生一個(gè)與溫度成正比的電壓值。這個(gè)電壓值經(jīng)放大器7放大，并經(jīng)取樣保持電路輸出一個(gè)穩(wěn)定的電壓值。在沒有流體通過時(shí)，這個(gè)電壓值將逐漸減弱，其減弱的程度僅僅取決于熱傳導(dǎo)率。但是，在有流體通過熱電偶時(shí)，加熱和冷卻過程的時(shí)間常數(shù)將會(huì)改變，因?yàn)榇嬖跓崃總鹘o熱電偶然后再逐漸散失的過程。測量完成后，可以通過再加熱重新開始測量。這樣，根據(jù)熱電偶元件的實(shí)際熱慣性和傳導(dǎo)情況就可以用相對(duì)較高的頻率測出流量值。相對(duì)于環(huán)境溫度，熱電偶的加熱量還是相對(duì)較低的，其中一個(gè)典型溫度值為10℃。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況，可以通過許多種不同的方法來實(shí)現(xiàn)。
風(fēng)向風(fēng)速儀的流量計(jì)的特性：1，高強(qiáng)度傳感器：使用熱量式氣流計(jì)的主要問題之一是其探頭較易損壞，獲得一個(gè)高靈敏度和高頻率響應(yīng)的探頭是很必要的。盡管這種流量計(jì)不要求達(dá)到與通常熱線式氣流計(jì)相同數(shù)量級(jí)的頻率響應(yīng)，但也要求達(dá)到幾百赫茲的頻率響應(yīng)，這主要取決于探頭的幾何形狀。在大多數(shù)應(yīng)用條件下，都要求傳感器具有很高的強(qiáng)度。這一點(diǎn)對(duì)于延長風(fēng)向風(fēng)速儀的使用壽命、保持長期穩(wěn)定性和防止污染的影響都是很重要的。2，電流消耗低：通常，探頭的加熱溫度為10℃。這意味著只需非常低的電量就可達(dá)到所需的溫度值。事實(shí)上，在測量過程中由于沒有加熱功耗，所以總功耗是很低的。3，多路應(yīng)用：實(shí)際上，用多個(gè)開關(guān)設(shè)備就可組成一個(gè)簡單的多路測量系統(tǒng)。通過電流源的開關(guān)轉(zhuǎn)換，連續(xù)地給每個(gè)探頭供電流，其電流大小可通過測量放大器的輸出端電壓而獲得。在同一時(shí)間內(nèi)，只能對(duì)一個(gè)探頭進(jìn)行通電加熱，每個(gè)通道的功耗將是很低的。其缺點(diǎn)就是不能同時(shí)測量。4，低功耗：低功耗意味著即使在風(fēng)向風(fēng)速儀的一個(gè)多通路測量系統(tǒng)中使用一個(gè)舊電池也可保證該系統(tǒng)的正常工作，其功耗僅僅只有幾瓦。這一點(diǎn)對(duì)于許多領(lǐng)域的測量應(yīng)用來說是很重要的。5，速度范圍：此流量計(jì)首先可用于測量很低的流量。盡管在原理上沒有什么問題，但對(duì)最需要的流速選用仍有限制。選用時(shí)只是適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)選用一個(gè)探頭，以及相應(yīng)的電流源和工作電流。最近，其應(yīng)用范圍已從cm/s數(shù)量級(jí)到50m/s。6，長期測量的穩(wěn)定性:長期測量的穩(wěn)定性是熱線式氣流計(jì)的主要問題之一，有一種特殊的情況，就是用很小的探頭元件獲得很快的時(shí)間響應(yīng)。眾所周知，對(duì)于熱線式氣流計(jì)來說，其熱線的標(biāo)定周期相對(duì)較短。在測量前后，熱線都需要標(biāo)定，其原因是當(dāng)熱線被污染后，從熱線到周圍環(huán)境的熱交換將發(fā)生相對(duì)較大的變化。即使是在氣體比較干凈的環(huán)境中，污染也可能發(fā)生。本文所介紹的流量計(jì)不存在上述問題。因?yàn)樵摿髁坑?jì)的受熱元件有一個(gè)相對(duì)較大的熱傳導(dǎo)表面，并且其加熱電流低。為了驗(yàn)證這一特性，已經(jīng)對(duì)該流量計(jì)進(jìn)行了大量的試驗(yàn)。試驗(yàn)前對(duì)流量計(jì)進(jìn)行標(biāo)定，在連續(xù)試驗(yàn)18個(gè)月后又對(duì)其進(jìn)行了標(biāo)定，發(fā)現(xiàn)2次標(biāo)定結(jié)果相同。所以可以認(rèn)為該流量計(jì)在許多工業(yè)應(yīng)用中，其長期穩(wěn)定性是比較好的。7，標(biāo)定:由于這種流量計(jì)具有非線性性能，所以必須對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定。盡管在原理上這是一個(gè)缺點(diǎn)，但是它的非線性轉(zhuǎn)換功能卻是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，使其在下限流量范圍內(nèi)具有高的測量精度，在風(fēng)向風(fēng)速儀的整個(gè)測量范圍內(nèi)具有大致相同的相對(duì)的測量精度。從熱傳遞的觀點(diǎn)來說，受熱元件的傳熱幾乎是一致的。這說明，只測量線性曲線上的2個(gè)點(diǎn)就可完成標(biāo)定。盡管還沒有完全消除測量曲線的非線性化，運(yùn)用上述方法可以有效地簡化標(biāo)定過程。在一些應(yīng)用場合，可以利用其具有的線性功能，以便探頭可以完全互換。對(duì)于大多數(shù)管流測量應(yīng)用中，速度分布改變的修正就屬于線性化過程。
本文介紹的風(fēng)向風(fēng)速儀的脈沖式流量計(jì)是一種通用的氣體流量測量儀表，它可應(yīng)用于許多領(lǐng)域。實(shí)際上，在與其同等價(jià)格范圍的風(fēng)向風(fēng)速儀的流量計(jì)中，它具有準(zhǔn)確度高、量程范圍寬、多通路測量和便于與控制系統(tǒng)相連等特點(diǎn)，使得它在一般商用流量計(jì)市場中成為一個(gè)重要的新角色。
