[发明专利]一种利用恒流式热式风速仪测定风速的方法

说明书

本发明涉及一种利用恒流式热式风速仪测定风速的方法，所述的恒流式热式风速仪包括壳体、控制系统、恒流电源和线圈，控制系统和恒流电源设在壳体内，线圈设在壳体外，通过导线与恒流电源相连，并通过导线和杜邦线与控制系统相连；控制系统中预先录入程序，恒流电源开启后，线圈中流过恒定电流，计算出线圈的电阻率，将测得的实时温度与温度变化率代入传热学关系式，计算得到实时风速v。恒流式热式风速仪结构新颖，便于批量生产与使用；能够长时间，高频率地提供实时读数；本发明适用于需要高频率的风速测量，热滞后效应小，应用场景更广泛；线圈的选用不限于铜线圈，改变程序中相应参数并完成校正后，可选用任意合适材质的线圈。

技术领域

本发明涉及一种测定风速的方法，特别涉及一种利用恒流式热式风速仪测定风速的方法。

背景技术

风速测量在科研和工业生产中有广泛的应用，尤其是航空航天、农业、气象等领域。其中，热式风速仪，因其动态响应频率高，耐高温、成本低、测量范围宽、空间时间分辨率高，并且可同时测量流体的温度等参数，在风速测量场景被广泛选择。目前，恒温式、恒流式、恒压式为三种主要的热式风速仪原理。恒流式风速仪的原理为：加热电流恒定不变，则热线阻值和加热电压随来流流速的改变而改变，根据流速和加热电压的关系，计算出来流流速。然而，恒流式热式风速仪热滞后效应太大，而电子补偿又存在诸多困难，限制了恒流式热式风速仪的发展。基于上述考量，希望提供一种热滞后效应较小的恒流式热式风速测定方法，同时它应具有精度较高等特征。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种利用恒流式热式风速仪测定风速的方法，所述的恒流式热式风速仪包括壳体、控制系统、恒流电源和线圈，控制系统和恒流电源设在壳体内，线圈设在壳体外，线圈为圆形线圈，两端通过导线与恒流电源相连，并通过导线和杜邦线与控制系统相连；

控制系统中预先录入程序，输入流经线圈的电流、线圈的长度与截面积、线圈材质的电阻率—温度关系式；

将恒流式热式风速仪放置于待测空间，恒流电源开启后，线圈中流过恒定电流，由于电流的热效应，线圈温度升高；铜线圈的电压信号输入控制系统，控制系统将电压信号转为数字信号；

控制系统接受到信号后，计算出线圈的电阻率，再根据电阻率—温度关系式，计算出线圈的实时温度T，并将测得的第一个温度作为室温；进而得到线圈的温度变化率

将测得的实时温度T与温度变化率代入以下传热学关系式：

式中：c代表线圈材质的比热容，m为线圈质量，为温度的变化率，h为对流传热系数，A_c0为室温下线圈的表面积，β为线圈材质的线膨胀系数，ΔT为线圈温度与室温的差值，ε为线圈材质的发射率，σ为斯忒藩玻尔兹曼常数，P₀为常温下线圈的加热功率，α为线圈材质的电阻温度系数；

其中h、A_c0、P₀的计算关系如下：

A_c0＝2πL₀r₀

式中：C为常数，n为常数，λ为空气的导热系数，a为热扩散率，v为运动粘度，ρ为空气密度，r₀为室温下线圈的半径，μ为空气的动力粘性系数，L₀为室温下线圈的长度，I为加热电流的电流强度，ρ₀为室温下线圈材质的密度，v为待测实时风速；C_v为等体摩尔热容，d为空气分子平均直径，d＝3.5×10^-10，k为玻尔兹曼常数，m₀为空气分子平均质量，C_p为等压摩尔热容；