热脉冲低流速仪传感器感应特性分析.docx

1、199年第2胴实验室仪器总第46期热脉冲低流速仪传感器感应特性分析陈先朴索增基（安徽省水利奔学研究听（水电部水利水电科学研究院）摘要热脉冲低流速仪是我国开发的一种新型攸湍速仪，木文通过稼内部有热源的流体运功基本方程的简化，求解了水流中线状路时热源的对流扩散特性，分析了热脉冲低流速仪传感器的感应信号.停出了感应信号与加热脉冲宽度、幅值及流送洛关系。建立了适宜的加热脉冲相对宽度和加熟脉冲峰值电压与流速的关系，为RLS7型热眯冲伉流速仅的电路方案和仅器软件设计提供参考数胡。,本文与加了中国电子学台、电子测母与仪器专业学史于1985年5月召开的第三届非宕量电测学术年会交流。一弓I言热脉冲低流速仪系利用

2、热脉冲示踪法测量低流速它是通过测量热水团从脉冲丝到感应丝的对流时间来测量流速.其适介的测速范围为0.125CUVS,是我国开发的一种新型低流速但.解决了长期以来水力学试验研究中2cm/s以下低微流速无法精确测量的困难。白198。年以来RLS1型热脉冲低流速仪的率定和使用表明，采用热脉冲示踪法测量低流速具有性能稳定、精度高等特点。为了在此基础上进一步研制智能化的RLS2型热脉冲低流速仪，实现传感器的感应信号自动分析处理，在设计RLS2型热脉冲低流速仪时，必须对传感器的感应特性做进一步分析，以便在施测不同的流速时，通过仪器发出适当宽鹿和幅度加热脉冲，自动控制传感器的感应信号在一个不大的信号电平范围

3、内变动，从而可以简化信号放大电路和保证信号分析处理的精度二传感器结构传感器的基本结构如图1,在测杆上插有探针,在探针的1个支柱上分别焊有垂直的脉冲丝和水平的感应丝若装有补偿丝，则在探针上有六个支柱.此时感应丝、补偿丝都与水平线呈1:3倾斜。本文按图1情况分析。测量流速时，给脉冲丝施加三角形的电脉冲加热流体，使局部温度升高,此温度较高的圆成丝图1传感器结拘图水体即作为示踪物随水流运动，并被下游斡感应丝接收而产生感应信号。通过测定却热脉冲与感应信号之间的时间间隔，即热水团从脉冲鲤到感应丝的对流时间来沸定流速。总第部期热脉冲低流速仪传感器感应特性分析21三基本方程的简化内部有热源流体的运动,按照布斯

4、尼斯库假定,只在浮力理中考虑密度变化的影响,可得出如下的京本方程,七Du1Dt=-pVP+A，Vu_gfl,lr.矿u=0D04tzm3Dt=2。-+YfCr式中，U流速；t时间3P水的.密度P氏力；V运动粘性系数匚g重力加速度，Q水的膨胀系数，Or流体温升；K热扩散率，一一水的重度jG水的比热；co热源在单位体积单位时间中发出的热量。本文所要解决的是热昧冲低流速仅脉冲丝发出的热脉冲在流场中引起的温度分布问题,从而进一步计算出感应丝的感应信号用方程1)-(3)来进行流场与温度场的联立求解是非常复杂的。因此，必需简化。当不考虑脉冲丝附近的温度分布，而仅求解位于脉冲丝下游距离为L的感应丝处的温度分

5、布,可以不计脉冲税崖迹中流速的沿程变化.假定两弦之间的流速为常数,用两丝之何的平均流速u直接代入方程(3)求解。因所讨论的为一无限长加热细丝垂直于流动方向置于均匀流场中的二纺问题(图2脉冲丝下游流体的温度由式3)可按如下扩对流图2|dt6xoy2/cm，:.4)lnrjin=0设豚冲丝与流体间热交换的时间常数为，则：矿Tp=式中,Y,豚冲驾的重度cp脉冲丝的比热dp脉冲丝的直径I4一-水的导热系数N(J-一脉冲丝的努谢尔特(Nusselt)故。对于所讨论的雷诺数范围0.02Re44.根据考利斯(Collis)等的研究W,努谢尔特数可按下式计算，Nt.=0.24+0.56Re。(6)式中,Re-

6、一雷诺数.Re=udH/v传感霁策用dp-0.03mm的镀金铝丝作为脉冲丝。根据传感器的工作情况，计算出不同流速情况下脉冲经时间常数(表1)。表1脉冲丝时间常数与流速关系流叫i1常数脉冲周期对流时间11Uc备tLfcm./s）（ms1（msj!（ms1J-0.12.76|500!5000r0.1L-C.5cni1，；5D500o.i110。.&510时D.330。54，516.7D.3300.46510|0w5去1中的数据说明,在传感器工作的030cm/s的流速范围内，脉冲丝的时间常数T远小于加热脉冲周期L和对流时间t(t=L/u),即TpVVip.ptcQ因此，可以息略脉冲丝的热储存。不计脉

7、冲丝与流体间热交换的延退作用.认为传绍流体的热董与加热脉曲的热量相等，3可表示为实验室仪器1991年第2期II)V20.24点日3=PVXTy24P式中，v-脉冲丝单位氏度上施加的电跖Z脉冲丝单位长度的电阻将上述二维舟豚冲对流扩散方程引用格林函数法求解，仃灯四传感器的感应信号传感挫电路采用不等臂电桥以提高灵敏度（魁3）。其感应信号为v=R+RR式中.AV感应信号电压；Ri桥臂电阻；R感应丝电阻$V.加于感应丝上的电压。感应丝采用直径为0.026mm的裸丝（设计感应丝直径-为。.oamm伺丝）.长0.5cm,R=O.575d取Rj=102,则由式9）得Vm（1.9/2）（AR/R）V$o而等臀电

8、桥的感应信号=（1/2）（AR/R；Vs.故所选桥路为等臂电桥关敏度的1.9侪。，44AdMydo式中.R、感应丝单位长度的电阻，-一电阻温度系数；1感应丝的长度G由以上分析可知，使用电阻温度系数大的旨料做感应丝.可以提高传感器的灵敏度。由式rP式中，Vj-一豚冲丝单位长度上脉冲电压的峰值,孔脉冲电压的周捎二由以上各式可以计算出-足各种流速、脉冲周期、脉冲丝与感阮丝间距诘况下感应丝的感应信号。计算在MDR-ZRG微型电子计算机上进行，程序用BasicU语言编制（程序略）。主要计算结果如卞，（1）感应信号与流速的关系（图5）o图5AVu关系按昧冲丝单位长度上加热脉冲峰值功率七=5W/cm计算。由

9、图再知，在同样加热脉冲功率，相对脉冲宽度与的情况下，感应信号随流速加大而减小。当相对脉冲宽度加大时，感应信号也加大，当rP/tc0.1时，在低速范围,感应信号仍随Tp/L的加大而增加较多。但当uiocm/s时，感应信号随f/t.的加大稍有增加。感应信号波形。计算了流速为202,5Q.510cm/s三种组合情况下的感应信号波形（图8流速在5cm/s以上时.信号波形散得很少，流速越小，信号波形扩散每越宽。当流速在0,2cm/s以上时.信号波形的不对称性较小；而流速为D.lcm/s,而祖对脉冲宽度5%也较小时，241991年第2期衰2P“.V。与流速关系表.流祓u!加热脉冲峰值功率PB备过一Tp71

10、c0.10,020.57L771AV=2D0MV0,771.603.68】2.1J,1.841】.8，2.936.37113.14，1.算8.635.616.2611.17.457.7013.1pnQ.01sPq5W*h图8感应信号波形图彼形上数字为旅逮如cm/s)信号波形呈现较明显的不对称性，这将给波峰时刻的测定带来误差。在同一加热脉冲宽度和功率的怙况下，流速相差迷10倍时，传感器各线的感立信号幅值最大相差约1倍。因此在实测流速时.即使同一垂线的流速相差很大，输出的感应信号幅值也相差不大，这就使得各线信号放大器有可能采用I司一放大倍数，而不致由于某些通道信号过小而影响测验精度,从而可以简化仪

11、器的电路设计，由上述分析计算并结合RLS型热脉涔低流速仪的使用经验心匚相对脉冲宽度乌.以采用0.10.5为宜。以上分析成果与RLS-1型热脉冲低藏速仪的情况是一致的，J旦由于对方程作了某些简化，在仪器调试中还搬根据实际情况作相应调整Q,五结语(1)使用电阻温度系数大的材料做感应丝，可以提高传感器的灵敏度C总第46期然脉冲低流速仪传懑器感应特性分析25（2）由于传感器在水流中工作.考虑到感应丝对流速脉动的响立，要根据彼用情况选择通过感应丝的电流适当的值，以取得合适的信噪比。（3）要得到同样幅值的感应信号，在同一相对脉冲宽度弓/侦情况下，流速越大需要的加热昧冲峰值功率越大,加热脉冲峰值电压V。大致

12、比例于流速u的1/31/4次方乡在同样流速情况下，相对脉冲宽度越大，需要的加热脉冲峰值功率越小。分析计算和RLS-1型热脉冲低流速仪使用情况表明，以采用=0.1。.5为宜。（4）在同样的加热脉冲宽度和加热功率的情况下，不同流速的感应信号相差不大。（上接第W页）经八分频电路C52与十六令频电路顷广）分频后可获得8虾、16必、3?”，64等读写周期信号，此信号经与门u2）、或，读（七9）,非门（Uy）电路组合后，输出门命令、写命令，地址差控制及节拍控制信号。设置了读写周期，地址差控制电路后,系统具有r闩适立能力，当系统允许的最大延时超出山、范国时.可自动调整延时范围至增大）.若系统延时范围仅需较小

13、时，也可减小An或T,以提高信号处理的精度,满足整个僧号处理系统的要求、0应用实例在我们研制的成固酉相（纸浆）流量计中，其信号处理采用在线极性相关分析法，如图4示。在此相关器中，我们采用1片4096X1bit的RAM芯片实现极性化信号的延时。取读写周期为8、16g、3WS,故最大延迟时间分羽为37ms,Rims、12mso可测量纸浆的流速范国为0e2m/s6m/s（-共参考文献L1：陈5、李；“烘嗦冲*法用十&赤荻航理测甘,火利水电科胃沔咒叱科质研究论文策H火,水利电力、出版牡，肥4年2Jlyittg；DJi-thysicalIluiddynamic-s,VNR,NewYork-1977：3Bradbury,JrS.aniiCastroI.P.,“APu-Ised-WircTechniqueforVelocityMeasur-ementsinHighlyTurbulentflows7,J.FluidMeeh，Vol4、1971E-1JCollis,D.CandWilliamsTTw。DimensionalConvectionfrQjn,.jHeatedW-ireatLowReynoldsNumbersv,J.FluidMeeh,Vol6,1959C5陈龛朴、彖岩、洒汝浑，RLS-谗六纭热脉冲低流速仪使用说明书,水和水电科学研充院，安徽省水利K学仞究所，192牛巧月