風向風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)用在風速風向儀上，可以非常有效的測量風的速度和方向，那么風向風速儀中測量小流量氣體的原理是什么呢？你是否思考過？
風向風速儀的流量計的基本原理是流體流過被加熱的物體時導致物體溫度下降。所有的熱量式氣流計都是基于該基本原理，但是該風向風速儀的流量計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外部恒流源4提供。當工作電流通過焊點1和2時，其中一個焊點變熱，另一個焊點變冷，兩個焊點最終達到的溫度為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個焊點的電流，Ka為一個與環(huán)境溫度和熱電偶材質(zhì)有關(guān)的常數(shù)。達到最終溫度T1和T2的時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。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。由于對環(huán)境的熱傳導，溫度T1和T2將漸變到T0，此時將產(chǎn)生一個與溫度成正比的電壓值。這個電壓值經(jīng)放大器7放大，并經(jīng)取樣保持電路輸出一個穩(wěn)定的電壓值。在沒有流體通過時，這個電壓值將逐漸減弱，其減弱的程度僅僅取決于熱傳導率。但是，在有流體通過熱電偶時，加熱和冷卻過程的時間常數(shù)將會改變，因為存在熱量傳給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)熱電偶元件的實際熱慣性和傳導情況就可以用相對較高的頻率測出流量值。相對于環(huán)境溫度，熱電偶的加熱量還是相對較低的，其中一個典型溫度值為10℃。根據(jù)實際應(yīng)用情況，可以通過許多種不同的方法來實現(xiàn)。
風向風速儀的流量計的特性：1，高強度傳感器：使用熱量式氣流計的主要問題之一是其探頭較易損壞，獲得一個高靈敏度和高頻率響應(yīng)的探頭是很必要的。盡管這種流量計不要求達到與通常熱線式氣流計相同數(shù)量級的頻率響應(yīng)，但也要求達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度。這一點對于延長風向風速儀的使用壽命、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到所需的溫度值。事實上，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：實際上，用多個開關(guān)設(shè)備就可組成一個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。在同一時間內(nèi)，只能對一個探頭進行通電加熱，每個通道的功耗將是很低的。其缺點就是不能同時測量。4，低功耗：低功耗意味著即使在風向風速儀的一個多通路測量系統(tǒng)中使用一個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。這一點對于許多領(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，但對最需要的流速選用仍有限制。選用時只是適當?shù)卦O(shè)計選用一個探頭，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間響應(yīng)。眾所周知，對于熱線式氣流計來說，其熱線的標定周期相對較短。在測量前后，熱線都需要標定，其原因是當熱線被污染后，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不存在上述問題。因為該流量計的受熱元件有一個相對較大的熱傳導表面，并且其加熱電流低。為了驗證這一特性，已經(jīng)對該流量計進行了大量的試驗。試驗前對流量計進行標定，在連續(xù)試驗18個月后又對其進行了標定，發(fā)現(xiàn)2次標定結(jié)果相同。所以可以認為該流量計在許多工業(yè)應(yīng)用中，其長期穩(wěn)定性是比較好的。7，標定:由于這種流量計具有非線性性能，所以必須對其進行標定。盡管在原理上這是一個缺點，但是它的非線性轉(zhuǎn)換功能卻是一個優(yōu)點，使其在下限流量范圍內(nèi)具有高的測量精度，在風向風速儀的整個測量范圍內(nèi)具有大致相同的相對的測量精度。從熱傳遞的觀點來說，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個點就可完成標定。盡管還沒有完全消除測量曲線的非線性化，運用上述方法可以有效地簡化標定過程。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。
本文介紹的風向風速儀的脈沖式流量計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。實際上，在與其同等價格范圍的風向風速儀的流量計中，它具有準確度高、量程范圍寬、多通路測量和便于與控制系統(tǒng)相連等特點，使得它在一般商用流量計市場中成為一個重要的新角色。
