温度和风速测量方法总结.docx

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温度和风速测量方法总结

第一章风速测量

1.1风速测量

风是空气流动时产生的一种自然现象。

空气流动有上下流动和左右流动，上下流动为垂直运动，也叫对流；左右流动为水平运动，也就是风。

风是一个矢量，用风向和风速表示。

地面风指离地平面10─12米高的风。

风向指风吹来的方向，一般用16个方位或360°表示。

以360°表示时，由北起按顺时针方向度量。

风速指单位时间内空气的水平位移，常以米/秒、公里/小时、海里/小时表示。

1.2风杯风速计

风杯风速计是最常见的一种风速计。

转杯式风速计最早由英国鲁宾孙发明，当时是四杯，后来改用三杯。

它由3个互成120°固定在支架上的抛物锥空杯组成感应部分，空杯的凹面都顺向一个方向。

整个感应部分安装在一根垂直旋转轴上，在风力的作用下，风杯绕轴以正比于风速的转速旋转。

转速可以用电触点、测速发电机或光电计数器等记录。

图1.1风杯风速计

1.3叶轮风速仪

风速计的叶轮式探头的工作原理是基于把转动转换成电信号，先经过一个临近感应开头，对叶轮的转动进行“计数”并产生一个脉冲系列，再经检测仪转换处理，即可得到转速值。

法国KIKO叶轮风速仪工作原理如图1.2所示。

叶轮的轴杆启动内含八个电磁极的原型磁铁，置于磁铁旁的双霍尔传感器感测到侧场中电磁极的转变信号。

传感器的信号转换为电子频率且和风速成正比，并感测旋转方向。

图1.2KIMO原理

1.4热线风速计

一根被电流加热的金属丝，流动的空气使它散热，利用散热速率和风速的平方根成线性关系，再通过电子线路线性化（以便于刻度和读数），即可制成热线风速计。

金属丝通常用铂、铑、钨等熔点高、延展性好的金属制成。

常用的丝直径为5μm，长为2mm；最小的探头直径仅1μm，长为0.2mm。

根据不同的用途，热线探头还做成双丝、三丝、斜丝及V形、X形等。

为了增加强度，有时用金属膜代替金属丝，通常在一热绝缘的基体上喷镀一层薄金属膜，称为热膜探头。

热线探头在使用前必须进行校准。

静态校准是在专门的标准风洞里进行的，测量流速与输出电压之间的关系并画成标准曲线；动态校准是在已知的脉动流场中进行的，或在风速仪加热电路中加上一脉动电信号，校验热线风速仪的频率响应，若频率响应不佳可用相应的补偿线路加以改善。

0至100m/s的流速测量范围可以分为三个区段：

低速：

0至5m/s；中速：

5至40m/s；高速：

40至100m/s。

热线风速计用于0至5m/s的精确测量，使用温度约为±70℃。

当在湍流中使用热线风速计时，来自各个方向的气流同时冲击热元件，从而会影响到测量结果的准确性。

在湍流中测量时，热敏式风速仪流速传感器的示值往往高于转轮式风速计。

因此，风速仪测量过程应尽量在通道的直线部分进行。

直线部分的起点应至少在测量点前10×D（D=管道直径，单位为CM）外；终点至少在测量点后4×D处。

流体截面应不得有遮挡（棱角，重悬，物等）。

图1.3热线风速计

1.4.1恒流式热线风速计

通过热线的电流保持不变，温度变化时，热线电阻改变，因而两端电压变化，由此测量流速。

利用风速探头进行测量。

风速探头为一敏感部件。

当有一恒定电流通过其加热线圈时，探头内的温度升高并于静止空气中达到一定值。

此时，其内测量元件热电偶产生相应的热电势，并被传送到测量指示系统，此热电势与电路中产生的基准反电势相互抵消，使输出信号为零，风速仪指针也能相应指于零点或显示零值。

若风速探头端部的热敏感部件暴露于外部空气流中时，由于进行热交换，此时将引起热电偶热电势变化，并与基准反电势比较后产生微弱差值信号，此信号被测量仪表系统放大并推动电表指针变化从而指示当前风速或经过单片机处理后通过显示屏显示当前风速数值。

1.4.2恒温式热线风速计

风速仪热线的温度保持不变，给风速敏感元件电流可调，在不同风速下使处于不同热平衡状态的风速敏感元件的工作温度基本维持不便，即阻值基本恒定，该敏感元件所消耗的功率为风速的函数。

恒温风速仪则是利用反馈电路使风速敏感元件的温度和电阻保持恒定。

当风速变化时热敏感元件温度发生变化，电阻也随之变化，从而造成热敏感元件两端电压发生变化，此时反馈电路发挥作用，使流过热敏感元件的电流发生相应的变化，而使系统恢复平衡。

上述过程是瞬时发生的，所以速度的增加就好像是电桥输出电压的增加，而速度的降低也等于是电桥输出电压的降。

1.4.3注意事项

除保持日常数据的准确性外，日常维护使用中还要注意以下几点：

1.禁止在可燃性气体环境中使用风速计。

2.禁止将风速计探头置于可燃性气体中。

否则，可能导致火灾甚至爆炸。

3.请依据使用说明书的要求正确使用风速计。

使用不当，可能导致触电、火灾和传感器的损坏。

4.在使用中，如遇风速计散发出异常气味、声音或冒烟，或有液体流入风速计内部，请立即关机取出电池。

否则，将有被电击、火灾和损坏风速计的危险。

5.不要将探头和风速计本体暴露在雨中。

否则，可能有电击、火灾和伤及人身的危险。

6.不要触摸探头内部传感器部位。

7.风速计长期不使用时，请取出内部的电池。

否则，将电池可能漏液，导致风速计损坏。

8.不要将风速计放置在高温、高湿、多尘和阳光直射的地方。

否则，将导致内部器件的损坏或风速仪性能变坏。

9.不要用挥发性液体来擦拭风速计。

否则，可能导致风速仪壳体变形变色。

风速计表面有污渍时，可用柔软的织物和中性洗涤剂来擦拭

10.不要摔落或重压风速计。

否则，将导致风速计的故障或损坏。

11.不要在风速计带电的情况下触摸探头的传感器部位。

否则，将影响测量结果或导致风速计内部电路的损坏。

1.5超声波风速仪

超声风速风向仪的工作原理是利用超声波时差法来实现风速的测量。

通过正、逆压电效应实现高频声能和电能之间的相互转换，从而实现超声波的发射和接收。

由于它很好地克服了机械式风速风向仪固有的缺陷，因而能全天候地、长久地正常工作，越来越广泛地得到使用．它将是机械式风速仪的强有力替代品。

图1.4超声波风速仪

1.5.1应用领域

超声波风速计的应用便利、精确，在很多领域都能灵活运用，广泛应用于城市环境监测、风力发电、气象监测、桥梁隧道、航海船舶、航空机场、各类风扇制造业、需要抽风排气系统的行业等。

1.6皮托管风速仪

皮托管是测量气流总压和静压以确定气流速度的一种管状装置。

由法国H.皮托发明而得名。

严格地说，皮托管仅测量气流总压，又名总压管；同时测量总压、静压的才称风速管，但习惯上多把风速管称作皮托管。

皮托管的构造如图，头部为半球形，后为一双层套管。

测速时头部对准来流，头部中心处小孔（总压孔）感受来流总压p0，经内管传送至压力计。

头部后约3～8D处的外套管壁上均匀地开有一排孔（静压孔），感受来流静压p，经外套管也传至压力计。

对于不可压缩流动，根据伯努利方程和能量方程可求出气流马赫数，进而再求速度。

总压孔有一定面积，它所感受的是驻点附近的平均压强，略低于总压，静压孔感受的静压也有一定误差，其他如制造、安装也会有误差，故测算流速时应加一个修正系数ζ。

ζ值一般在0.98～1.05范围内，在已知速度之气流中校正或经标准皮托管校正而确定。

皮托管结构简单，使用方便，用途很广。

如飞机头部或机翼前缘常装设皮托管，测量相对空气的飞行速度，又称空速管。

图1.5皮托管结构图

1.7分析与小结

1.7.1热线风速计

该方式是测试处于通电状态下传感器因风而冷却时产生的电阻变化，由此测试风速。

不能得出风向的信息。

除携带容易方便外，其成本性能比高，作为风速计的标准产品广泛地被采用，且长期安定性、以及在温度补偿方面都具有优势。

●适用范围：

0.05～50m/s　

●显示分辨率：

0.01m/s　

1.7.2超声波风速仪

该方式是测试传送一定距离的超音波时间，因风的影响而使到达时间延迟，由此测试风速。

该方法传感器部较大，在测试部周围，有可能发生紊流，使流动不规则，并且测量环境需要比较安静的场所，用途受到限定。

●适用范围：

0～10m/s　

●显示分辨率：

0.01m/s　

1.7.3叶轮风速仪

该方式是应用风车的原理，通过测试叶轮的转数，测试风速。

原理比较简单，价格便宜，但测试精度较低，所以不适合微风速的测试和细小风速变化的测试。

●适用范围：

1～50m/s　

●显示分辨率：

0.1m/s　

1.7.4皮托管风速仪

在流动面的正面有与之形成直角方向的小孔，内部藏有从各自孔里分别提取压力的细管。

通过测试其压力差（前者为全压、后者为静压），就可知道风速。

其原理比较简单，价格便宜，但与流动面必须设置成直角，否则不能进行正确的测试。

不适合一般用。

●适用范围：

5～100m/s　

●显示分辨率：

0.01m/s　

第二章温度测量

2.1温度测量方法

温度是表征物体冷热程度的物理量,?

是国际单位制中七个基本物理量之一,?

它与人类生活、工农业生产和科学研究有着密切关系。

随着科学技术水平的不断提高,?

温度测量技术也得到了不断的发展。

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2.2?

温度测量的分类?

温度测量的分类可以通过其与被测量的物体是否接触分为接触式和非接触式。

2.2.1接触式测量

接触式测量仪表比较简单、可靠，测量精度高。

但是因为测温元件与被测介质需要进行充分的热交换，所以其需要一定的时间才能达到热平衡。

接触式测量仪存在测温延迟现象，同时受耐高温和耐低温材料的限制，不能应用于这些极端的温度测量。

非接触式仪表测温仪是通过热辐射的原理来测量温度的，测温元件不需要与被测介质接触，测温范围广，不受测温上限的限制，也不会破坏被测物体的温度场，反应速度一般也比较快；但受到物体发射率、测量距离、烟尘和水汽等外界因素的影响，其测量误差较大。

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2.2.2?

接触式测量方法?

（1）膨胀式温度测量?

原理：

利用物质的热胀冷缩原理即根据物体体积或几何形变与温度的关系进行温度测量。

热胀冷缩式温度计包括玻璃液体温度计、双金属膨胀式温度计和压力式温度计等。

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优点：

结构简单,?

价格低廉,?

可直接读数,使用方便,非电量测量方式,?

适用于防爆场合。

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缺点：

准确度比较低,?

不易实现自动化,?

而且容易损坏。

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（2）电量式测温方法?

利用材料的电势、电阻或其它电性能与温度的单值关系进行温度测量，包括热电偶温度测量、热电阻和热敏电阻温度测量、集成芯片温度测量等。

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热电偶的原理是两种不同材料的金属焊接在一起,当参考端和测量端有温差时,?

就会产生热电势,?

根据该热电势与温度的单值关系就可以测量温度。

热电偶具有结构简单,?

响应快,?

适宜远距离测量和自动控制的特点,?

应用比较广泛。

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热电阻是根据材料的电阻和温度的关系来进行测量的,?

输出信号大,?

准确度比较高,?

稳定性好,?

但元件结构一般比较大,?

动态响应较差,?

不适宜测量体积狭小和温度瞬变区域。

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热敏电阻是一种电阻值随温度呈指数变化的半导体热敏感元件,?

具有灵敏度高、价格便宜的特点,?

但其电阻值和温度的关系线性度差,且稳定性和互换性也不好。

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石英温度传感器是以石英晶体的固有频率随温度而变化的特性来测量温度的。

石英晶体温度传感器稳定性很好,?

可用于高精度和高分辨力的测量场合。

随着电子技术的发展,?

可以将感温元件和相关电子线路集成在一个小芯片上,?

构成一个小型化、一体化及多功能化的专用集成电路芯片,?

输出信号可以是电压、频率,?

或者是总线数字信号,?

使用非常方便,适用于便携式设备。

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（3）接触式光电、热色测温方法?

原理：

接触式光电测温方法主要是指通过接触被测对象,将温度变化引起的热辐射或其他光电信号引出,?

通过光电转换器件检测该信号,?

从而获得测温结果的方法。

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优点：

这种方法不像电量式测量方法容易受到电磁的干扰,可以在电磁环境下进行温度测量;?

可以避免像非接触式辐射温度计那样容易受到被测对象表面发射率和中间介质的影响。

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缺点：

会干扰被测对象的温度,?

带来接触式测温方法引起的一些误差。

2.2.3?

非接触式测温方法原理及特点?

（1）?

辐射式测温方法?

原理：

是以热辐射定律为基础，它可分为全辐射高温计、亮度式高温计和比色式高温计。

全辐射高温计结构相对简单,?

但受被测对象发射率和中间介质影响比较大,测温偏差较大,?

不适合用于测量低发射率目标。

亮度温度计灵敏度比较高,?

受被测对象发射率和中间介质影响相对较小,?

测量的亮度温度与真实温度偏差较小,?

但也不适用于测量低发射率物体的温度,?

并且测量时要避开中间介质的吸收带。

比色测温法测量结果最接近真实温度,?

并且适用于低发射率物体的温度测量,?

但结构比较复杂,?

价格较贵。

优点:

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①可以采用伪彩色直观显示物体表面的温度场;②温度分辨力高,?

能准确区分的温度差甚至达0.01℃以下。

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（2）?

光谱测温方法?

光谱测温方法主要适用于高温火焰和气流温度的测量。

当单色光线照射透明物体时,?

会发生光的散射现象,?

散射光包括弹性散射和非弹性散射,?

弹性散射中的瑞利散射和非弹性散射的拉曼散射的光强都与介质的温度有关。

（3）声波、微波测温方法?

声学测温是基于声波在介质中的传播速度与介质温度有关的原理实现的,?

因此只要测得声速,?

就可以推算出温度。

可以通过直接测量声波在被测介质中的传播速度,?

也可以测量放在被测介质中细线的声波传播速度来得到温度。

这种方法可以用于测量高温气体或液体的温度,?

在高温时会有更高的灵敏度。

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微波衰减法可以用来测量火焰温度,?

其原理是当入射微波通过火焰时,?

与火焰中的等离子体相互作用,使出射的微波强度减弱,?

通过测量入射微波的衰减程度可以确定火焰气体的温度。

第三章重点总结

3.1数采仪原理

数采仪，全称为数据采集传输仪，主要应用于环境在线监测系统现场端。

数采仪主要实现采集、存储各种类型监测仪器仪表的数据、并能完成与上位机数据传输功能的数据终端单元，具备单独的数据处理功能。

数据采集传输仪是现场仪表与上位机系统的连接仪器。

数据采集传输仪通过数字通道、模拟通道、开关量通道采集监测仪表的监测数据、状态等信息，然后通过传输网络将数据、状态传输至上位机；上位机通过传输网络发送控制命令，数据采集传输仪根据命令控制监测仪表工作。

在整个环境在线监测系统中，上位机是在线监测系统软件平台的统称，下位机则是现场仪器仪表的统称，包括仪表供应商提供的具有计算处理能力的工业控制计算机。

3.1.1现用数采仪

安捷伦34970A

安捷伦Agilent34970A是一种高性能、低价位的数据采集和开关主机，十分适于数据记录、数据采集和一般的开关与控制应用。

它是一种半机架宽的主机，内部有61/2位（22比特）的数字电压表，其背面有3个插槽，可以接受开关与控制的模块某块组合。

Agilent34970A包括了台式数字多用表（DMM）的功能特性，34970A具有61/2位的分辨率（22比特）、0.004%的基本直流电压精度和极低的读数噪声,加上高达250通道/s扫描速率，可以得到为完成工作任务所需要的速度和精度.强有力的适应能力Agilent34970A的独特设计允许逐通道进行配置,以求达到最大的灵活性及快速方便设置内部的自动量程转换。

DMM有11种不同的直接测量功能，而不需要昂贵的外部信号调整。

内部的温度转换程序可以C、F或（Kelvin）显示未处理过的热偶、RTD或热敏电阻的输入。

利用定度可将线性传感器的输出直接转换到工程单位，甚至可以设置高/低超出容限的情况。

横河MW100

MW100是可扩展的、高性能数据采集/数据记录平台，适用于恶劣测量环境下的PC控制/单机运行。

高速、多通道测量，实验室和生产现场的理想选择。

高耐压：

600VACrms150/60Hz连续。

高抗扰度：

4通道隔离A/D电路。

多周期（测量和记录周期可不同）。

从小规模到多通道的灵活结构。

3.2热电偶

两种不同成份的导体（称为热电偶丝材或热电极）两端接合成回路，当接合点的温度不同时，在回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应，而这种电动势称为热电势。

热电偶就是利用这种原理进行温度测量的，其中，直接用作测量介质温度的一端叫做工作端（也称为测量端），另一端叫做冷端（也称为补偿端）；冷端与显示仪表或配套仪表连接，显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。

热电偶实际上是一种能量转换器，它将热能转换为电能，用所产生的热电势测量温度，对于热电偶的热电势，应注意如下几个问题：

1.热电偶的热电势是热电偶工作端的两端温度函数的差，而不是热电偶冷端与工作端，两端温度差的函数；

2.热电偶所产生的热电势的大小，当热电偶的材料是均匀时，与热电偶的长度和直径无关，只与热电偶材料的成份和两端的温差有关；

3.当热电偶的两个热电偶丝材料成份确定后，热电偶热电势的大小，只与热电偶的温度差有关；若热电偶冷端的温度保持一定，这进热电偶的热电势仅是工作端温度的单值函数。

将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路，如图所示。

当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势，因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。

热电偶就是利用这一效应来工作的。

3.2.1补偿导线

在一定温度范围内，具有与其匹配的热电动势标称值相同的一对带绝缘包覆的导线叫补偿导线。

用它们连接热电偶与测量装置，以补偿热电偶连接处的温度变化所产生的误差。

补偿导线特点：

①热电特性稳定，电绝缘性能好，使用寿命长。

②柔软，弯曲性能能好，使用方便。

③包覆层材料稳定可靠，具有一定的耐温性和耐寒性能。

3.2.2热电偶分度标准

热电偶的分度号有主要有S、R、B、N、K、E、J、T等几种。

其中S、R、B属于贵金属热电偶，N、K、E、J、T属于廉金属热电偶。

S分度号的特点是抗氧化性能强，宜在氧化性、惰性气氛中连续使用，长期使用温度1400℃,短期1600℃。

在所有热电偶中，S分度号的精确度等级最高，通常用作标准热电偶；R分度号与S分度号相比除热电动势大15%左右，其它性能几乎完全相同；

B分度号在室温下热电动势极小，故在测量时一般不用补偿导线。

它的长期使用温度为1600℃，短期1800℃。

可在氧化性或中性气氛中使用，也可在真空条件下短期使用。

N分度号的特点是1300℃下高温抗氧化能力强，热电动势的长期稳定性及短期热循环的复现性好，耐核辐照及耐低温性能也好，可以部分代替S分度号热电偶；

K分度号的特点是抗氧化性能强，宜在氧化性、惰性气氛中连续使用，长期使用温度1000℃,短期1200℃。

在所有热电偶中使用最广泛；

E分度号的特点是在常用热电偶中，其热电动势最大，即灵敏度最高。

宜在氧化性、惰性气氛中连续使用，使用温度0-800℃；

J分度号的特点是既可用于氧化性气氛（使用温度上限750℃），也可用于还原性气氛（使用温度上限950℃），并且耐H2及CO气体腐蚀，多用于炼油及化工；

T分度号的特点是在所有廉金属热电偶中精确度等级最高，通常用来测量300℃以下的温度

3.3热线风速仪探头

热线风速计分旁热式和直热式两种，见图。

旁热式的热线一般为锰铜丝，其电阻温度系数近于零，它的表面另置有测温元件。

直热式的热线多为铂丝，在测量风速的同时可以直接测定热线本身的温度。

图3.1热线风速探头

由风速探头的结构特点，0963-00型测温元件与发热部分所处平面必须垂直于流体方向才能保证测出同一时刻的温度变化，所以为指向型探头。

0964-01/02型探头由于结构特点，无需调整方向便可测量所处流体的风速。