1、199年第2胴實(shí)驗(yàn)室儀器總第46期熱脈沖低流速儀傳感器感應(yīng)特性分析陳先樸索增基（安徽省水利奔學(xué)研究聽(tīng)（水電部水利水電科學(xué)研究院）摘要熱脈沖低流速儀是我國(guó)開(kāi)發(fā)的一種新型攸湍速儀，木文通過(guò)稼內(nèi)部有熱源的流體運(yùn)功基本方程的簡(jiǎn)化，求解了水流中線狀路時(shí)熱源的對(duì)流擴(kuò)散特性，分析了熱脈沖低流速儀傳感器的感應(yīng)信號(hào).停出了感應(yīng)信號(hào)與加熱脈沖寬度、幅值及流送洛關(guān)系。建立了適宜的加熱脈沖相對(duì)寬度和加熟脈沖峰值電壓與流速的關(guān)系，為RLS7型熱瞇沖伉流速僅的電路方案和僅器軟件設(shè)計(jì)提供參考數(shù)胡。,本文與加了中國(guó)電子學(xué)臺(tái)、電子測(cè)母與儀器專業(yè)學(xué)史于1985年5月召開(kāi)的第三屆非宕量電測(cè)學(xué)術(shù)年會(huì)交流。一弓I言熱脈沖低流速儀系利用

2、熱脈沖示蹤法測(cè)量低流速它是通過(guò)測(cè)量熱水團(tuán)從脈沖絲到感應(yīng)絲的對(duì)流時(shí)間來(lái)測(cè)量流速.其適介的測(cè)速范圍為0.125CUVS,是我國(guó)開(kāi)發(fā)的一種新型低流速但.解決了長(zhǎng)期以來(lái)水力學(xué)試驗(yàn)研究中2cm/s以下低微流速無(wú)法精確測(cè)量的困難。白198。年以來(lái)RLS1型熱脈沖低流速儀的率定和使用表明，采用熱脈沖示蹤法測(cè)量低流速具有性能穩(wěn)定、精度高等特點(diǎn)。為了在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研制智能化的RLS2型熱脈沖低流速儀，實(shí)現(xiàn)傳感器的感應(yīng)信號(hào)自動(dòng)分析處理，在設(shè)計(jì)RLS2型熱脈沖低流速儀時(shí)，必須對(duì)傳感器的感應(yīng)特性做進(jìn)一步分析，以便在施測(cè)不同的流速時(shí)，通過(guò)儀器發(fā)出適當(dāng)寬鹿和幅度加熱脈沖，自動(dòng)控制傳感器的感應(yīng)信號(hào)在一個(gè)不大的信號(hào)電平范圍

3、內(nèi)變動(dòng)，從而可以簡(jiǎn)化信號(hào)放大電路和保證信號(hào)分析處理的精度二傳感器結(jié)構(gòu)傳感器的基本結(jié)構(gòu)如圖1,在測(cè)桿上插有探針,在探針的1個(gè)支柱上分別焊有垂直的脈沖絲和水平的感應(yīng)絲若裝有補(bǔ)償絲，則在探針上有六個(gè)支柱.此時(shí)感應(yīng)絲、補(bǔ)償絲都與水平線呈1:3傾斜。本文按圖1情況分析。測(cè)量流速時(shí)，給脈沖絲施加三角形的電脈沖加熱流體，使局部溫度升高,此溫度較高的圓成絲圖1傳感器結(jié)拘圖水體即作為示蹤物隨水流運(yùn)動(dòng)，并被下游斡感應(yīng)絲接收而產(chǎn)生感應(yīng)信號(hào)。通過(guò)測(cè)定卻熱脈沖與感應(yīng)信號(hào)之間的時(shí)間間隔，即熱水團(tuán)從脈沖鯉到感應(yīng)絲的對(duì)流時(shí)間來(lái)沸定流速。總第部期熱脈沖低流速儀傳感器感應(yīng)特性分析21三基本方程的簡(jiǎn)化內(nèi)部有熱源流體的運(yùn)動(dòng),按照布斯

4、尼斯庫(kù)假定,只在浮力理中考慮密度變化的影響,可得出如下的京本方程,七Du1Dt=-pVP+A，Vu_gfl,lr.礦u=0D04tzm3Dt=2。-+YfCr式中，U流速；t時(shí)間3P水的.密度P氏力；V運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)匚g重力加速度，Q水的膨脹系數(shù)，Or流體溫升；K熱擴(kuò)散率，一一水的重度jG水的比熱；co熱源在單位體積單位時(shí)間中發(fā)出的熱量。本文所要解決的是熱昧沖低流速僅脈沖絲發(fā)出的熱脈沖在流場(chǎng)中引起的溫度分布問(wèn)題,從而進(jìn)一步計(jì)算出感應(yīng)絲的感應(yīng)信號(hào)用方程1)-(3)來(lái)進(jìn)行流場(chǎng)與溫度場(chǎng)的聯(lián)立求解是非常復(fù)雜的。因此，必需簡(jiǎn)化。當(dāng)不考慮脈沖絲附近的溫度分布，而僅求解位于脈沖絲下游距離為L(zhǎng)的感應(yīng)絲處的溫度分

5、布,可以不計(jì)脈沖稅崖跡中流速的沿程變化.假定兩弦之間的流速為常數(shù),用兩絲之何的平均流速u直接代入方程(3)求解。因所討論的為一無(wú)限長(zhǎng)加熱細(xì)絲垂直于流動(dòng)方向置于均勻流場(chǎng)中的二紡問(wèn)題(圖2脈沖絲下游流體的溫度由式3)可按如下擴(kuò)對(duì)流圖2|dt6xoy2/cm，:.4)lnrjin=0設(shè)豚沖絲與流體間熱交換的時(shí)間常數(shù)為，則：礦Tp=式中,Y,豚沖駕的重度cp脈沖絲的比熱dp脈沖絲的直徑I4一-水的導(dǎo)熱系數(shù)N(J-一脈沖絲的努謝爾特(Nusselt)故。對(duì)于所討論的雷諾數(shù)范圍0.02Re44.根據(jù)考利斯(Collis)等的研究W,努謝爾特?cái)?shù)可按下式計(jì)算，Nt.=0.24+0.56Re。(6)式中,Re-

6、一雷諾數(shù).Re=udH/v傳感霽策用dp-0.03mm的鍍金鋁絲作為脈沖絲。根據(jù)傳感器的工作情況，計(jì)算出不同流速情況下脈沖經(jīng)時(shí)間常數(shù)(表1)。表1脈沖絲時(shí)間常數(shù)與流速關(guān)系流叫i1常數(shù)脈沖周期對(duì)流時(shí)間11Uc備tLfcm./s）（ms1（msj!（ms1J-0.12.76|500!5000r0.1L-C.5cni1，；5D500o.i110。.&510時(shí)D.330。54，516.7D.3300.46510|0w5去1中的數(shù)據(jù)說(shuō)明,在傳感器工作的030cm/s的流速范圍內(nèi)，脈沖絲的時(shí)間常數(shù)T遠(yuǎn)小于加熱脈沖周期L和對(duì)流時(shí)間t(t=L/u),即TpVVip.ptcQ因此，可以息略脈沖絲的熱儲(chǔ)存。不計(jì)脈

7、沖絲與流體間熱交換的延退作用.認(rèn)為傳紹流體的熱董與加熱脈曲的熱量相等，3可表示為實(shí)驗(yàn)室儀器1991年第2期II)V20.24點(diǎn)日3=PVXTy24P式中，v-脈沖絲單位氏度上施加的電跖Z脈沖絲單位長(zhǎng)度的電阻將上述二維舟豚沖對(duì)流擴(kuò)散方程引用格林函數(shù)法求解，仃燈四傳感器的感應(yīng)信號(hào)傳感挫電路采用不等臂電橋以提高靈敏度（魁3）。其感應(yīng)信號(hào)為v=R+RR式中.AV感應(yīng)信號(hào)電壓；Ri橋臂電阻；R感應(yīng)絲電阻$V.加于感應(yīng)絲上的電壓。感應(yīng)絲采用直徑為0.026mm的裸絲（設(shè)計(jì)感應(yīng)絲直徑-為。.oamm伺絲）.長(zhǎng)0.5cm,R=O.575d取Rj=102,則由式9）得Vm（1.9/2）（AR/R）V$o而等臀電

8、橋的感應(yīng)信號(hào)=（1/2）（AR/R；Vs.故所選橋路為等臂電橋關(guān)敏度的1.9儕。，44AdMydo式中.R、感應(yīng)絲單位長(zhǎng)度的電阻，-一電阻溫度系數(shù)；1感應(yīng)絲的長(zhǎng)度G由以上分析可知，使用電阻溫度系數(shù)大的旨料做感應(yīng)絲.可以提高傳感器的靈敏度。由式rP式中，Vj-一豚沖絲單位長(zhǎng)度上脈沖電壓的峰值,孔脈沖電壓的周捎二由以上各式可以計(jì)算出-足各種流速、脈沖周期、脈沖絲與感阮絲間距詰況下感應(yīng)絲的感應(yīng)信號(hào)。計(jì)算在MDR-ZRG微型電子計(jì)算機(jī)上進(jìn)行，程序用BasicU語(yǔ)言編制（程序略）。主要計(jì)算結(jié)果如卞，（1）感應(yīng)信號(hào)與流速的關(guān)系（圖5）o圖5AVu關(guān)系按昧沖絲單位長(zhǎng)度上加熱脈沖峰值功率七=5W/cm計(jì)算。由

9、圖再知，在同樣加熱脈沖功率，相對(duì)脈沖寬度與的情況下，感應(yīng)信號(hào)隨流速加大而減小。當(dāng)相對(duì)脈沖寬度加大時(shí)，感應(yīng)信號(hào)也加大，當(dāng)rP/tc0.1時(shí)，在低速范圍,感應(yīng)信號(hào)仍隨Tp/L的加大而增加較多。但當(dāng)uiocm/s時(shí)，感應(yīng)信號(hào)隨f/t.的加大稍有增加。感應(yīng)信號(hào)波形。計(jì)算了流速為202,5Q.510cm/s三種組合情況下的感應(yīng)信號(hào)波形（圖8流速在5cm/s以上時(shí).信號(hào)波形散得很少，流速越小，信號(hào)波形擴(kuò)散每越寬。當(dāng)流速在0,2cm/s以上時(shí).信號(hào)波形的不對(duì)稱性較小；而流速為D.lcm/s,而祖對(duì)脈沖寬度5%也較小時(shí)，241991年第2期衰2P“.V。與流速關(guān)系表.流祓u!加熱脈沖峰值功率PB備過(guò)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圖8感應(yīng)信號(hào)波形圖彼形上數(shù)字為旅逮如cm/s)信號(hào)波形呈現(xiàn)較明顯的不對(duì)稱性，這將給波峰時(shí)刻的測(cè)定帶來(lái)誤差。在同一加熱脈沖寬度和功率的怙況下，流速相差迷10倍時(shí)，傳感器各線的感立信號(hào)幅值最大相差約1倍。因此在實(shí)測(cè)流速時(shí).即使同一垂線的流速相差很大，輸出的感應(yīng)信號(hào)幅值也相差不大，這就使得各線信號(hào)放大器有可能采用I司一放大倍數(shù)，而不致由于某些通道信號(hào)過(guò)小而影響測(cè)驗(yàn)精度,從而可以簡(jiǎn)化儀

11、器的電路設(shè)計(jì)，由上述分析計(jì)算并結(jié)合RLS型熱脈涔低流速儀的使用經(jīng)驗(yàn)心匚相對(duì)脈沖寬度烏.以采用0.10.5為宜。以上分析成果與RLS-1型熱脈沖低藏速儀的情況是一致的，J旦由于對(duì)方程作了某些簡(jiǎn)化，在儀器調(diào)試中還搬根據(jù)實(shí)際情況作相應(yīng)調(diào)整Q,五結(jié)語(yǔ)(1)使用電阻溫度系數(shù)大的材料做感應(yīng)絲，可以提高傳感器的靈敏度C總第46期然脈沖低流速儀傳懣器感應(yīng)特性分析25（2）由于傳感器在水流中工作.考慮到感應(yīng)絲對(duì)流速脈動(dòng)的響立，要根據(jù)彼用情況選擇通過(guò)感應(yīng)絲的電流適當(dāng)?shù)闹担匀〉煤线m的信噪比。（3）要得到同樣幅值的感應(yīng)信號(hào)，在同一相對(duì)脈沖寬度弓/偵情況下，流速越大需要的加熱昧沖峰值功率越大,加熱脈沖峰值電壓V。大致

12、比例于流速u的1/31/4次方鄉(xiāng)在同樣流速情況下，相對(duì)脈沖寬度越大，需要的加熱脈沖峰值功率越小。分析計(jì)算和RLS-1型熱脈沖低流速儀使用情況表明，以采用=0.1。.5為宜。（4）在同樣的加熱脈沖寬度和加熱功率的情況下，不同流速的感應(yīng)信號(hào)相差不大。（上接第W頁(yè)）經(jīng)八分頻電路C52與十六令頻電路頃廣）分頻后可獲得8蝦、16必、3?”，64等讀寫周期信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)與門u2）、或，讀（七9）,非門（Uy）電路組合后，輸出門命令、寫命令，地址差控制及節(jié)拍控制信號(hào)。設(shè)置了讀寫周期，地址差控制電路后,系統(tǒng)具有r閂適立能力，當(dāng)系統(tǒng)允許的最大延時(shí)超出山、范國(guó)時(shí).可自動(dòng)調(diào)整延時(shí)范圍至增大）.若系統(tǒng)延時(shí)范圍僅需較小

13、時(shí)，也可減小An或T,以提高信號(hào)處理的精度,滿足整個(gè)僧號(hào)處理系統(tǒng)的要求、0應(yīng)用實(shí)例在我們研制的成固酉相（紙漿）流量計(jì)中，其信號(hào)處理采用在線極性相關(guān)分析法，如圖4示。在此相關(guān)器中，我們采用1片4096X1bit的RAM芯片實(shí)現(xiàn)極性化信號(hào)的延時(shí)。取讀寫周期為8、16g、3WS,故最大延遲時(shí)間分羽為37ms,Rims、12mso可測(cè)量紙漿的流速范國(guó)為0e2m/s6m/s（-共參考文獻(xiàn)L1：陳5、李；“烘嗦沖*法用十&赤荻航理測(cè)甘,火利水電科胃沔咒叱科質(zhì)研究論文策H火,水利電力、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陳龕樸、彖巖、灑汝渾，RLS-讒六紜熱脈沖低流速儀使用說(shuō)明書(shū),水和水電科學(xué)研充院，安徽省水利K學(xué)仞究所，192牛巧月