专利名称：：一种流速测量装置及其流速自动校准方法
技术领域：
：本发明涉及流速测量
技术领域：
，具体地说是涉及一种流速测量装置及其利用该装置进行流速自动校准的方法。二
背景技术：
：现有的流速测量方法和装置种类很多，有热线法、压差法、超声波多普勒法等。热线法通常被用来测量气体的流速，其原理是将一根通电加热的细金属丝(称热线)置于气流中，热线在气流中的散热量与流速有关，而散热量导致热线温度变化而引起电阻变化，流速信号即转变成电信号。其流速校准一般都是采用标准风洞或校准喷嘴来校准，随着测量条件的变化，每次流速测量前都必须先进行校准，因此校正工作量大，测量繁琐。至今未见有带自校准的流速装置及其校准方法的报道。三
发明内容本发明的目的在于提供一种流速测量装置及其利用该装置进行流速自动校准的方法。一种流速测量装置包括热线传感器1，支架4，数据测量与处理系统7，导线6，其特征在于该装置还包括可移动的部件2，电机3和密封罩5，其中热线传感器1固定在可移动的部件2的顶端，可移动的部件2固定在电机3的转轴上，电机3固定在支架4上，热线传感器1的两端和电机3的电源分别通过导线6与数据测量与处理系统7相连接，热线传感器l、可移动的部件2、电机3、支架4全部被封装在密封罩5内。上述的热线传感器1为铂丝或镀金鸽丝构成的热线传感器。上述的可移动的部件2是用金属材料或塑料制成，它的运动速率由电机3进行设定；上述的电机3为直线型电机；上述的支架4用金属或有机玻璃材料制成；上述的密封罩5为有机玻璃或塑料材料制成，由底座和罩子两部分构成，底座与支架4固定连接，罩子放置在底座上，并能灵活打开或封闭。上述的导线6为一般的铜导线；上述的数据测量与处理系统7为单片机系统，包含数据测量、运算和显示。利用上述流速测量装置进行流速自动校准的方法有两种，一种是测量前进行自动校准的方法，其方法步骤如下-(a)在测量之前，首先封闭密封罩5，关闭电机3的开关，热线传感器1处于静止状态，对应的流速为0，测量得到此时热线传感器l两端的初始输出电压为E0;(b)封闭密封罩5，打开电机3的开关，电机3带动可移动的部件2开始以速率u0作往复直线运动，此时被固定在可移动的部件2上的热线传感器1对应的流速为u0，测量得到热线传感器1两端的输出电压为El;(c)热线传感器l的输出电压E与流速u之间的关系式为"("E2—6"，其中m为与热线传感器1的材料相关的一定值指数，a和b为与具体的测量条件相关的校准系数，将测量得到的两组数据(0，E0)、(u0，El)代入关系式"0叾7五0、w0叾，q=_6二_M=-^""得到当前测量条件下的一￡12-￡02和—￡12-￡02，即完成了校准功能；(d)打开密封罩5，关闭电机3的开关，将热线传感器1直接放置在待测地点测量得到热线传感器1两端的输出电压为E，代入关系式"-(^2—6"此时求出的流速u即为标准值；其中，另一种是测量后进行自动校准的方法，其方法步骤如下(a)在测量之前，首先封闭密封罩5，关闭电机3的开关，热线传感器1处于静止状态，对应的流速为0，测量得到此时热线传感器l两端的初始输出电压为E0;(b)打开密封罩5，打开电机3的开关，电机3带动可移动的部件2开始以速率uO作往复直线运动，假设待测流速为u，则此时被固定在可移动的部件2上的热线传感器1对应的流速分别为u+u0和u-u0，测量得到热线传感器1两端的输出电压为E1和E2;(c)热线传感器l的输出电压E与流速u之间的关系式为"(^^2—6)M，其中m为与热线传感器1的材料相关的一定值指数，a和b为与具体的测量条件相关的校准指数，将测量得到的两组数据(u+uO，El)、(u-uO，E2)与初始数据(0，E0)代入关系式"=^￡2—W""，直接得到流速u的标准值，即完成了校准功能。自动校准的原理如下热线传感器输出电压E与流速U之间的关系可由下式给出M=(aE2-6)m(1)其中m为与热线传感器1的材料相关的一定值指数，如热线传感器1的材料为铂丝，则m值为2.2，如热线传感器l的材料为镀金钨丝，则m值为2.6;"和^是和具体测量环境和温度等条件相关的校准系数，但在同一测量条件下为一定值并且与流速无关。因此热线传感器在使用前一般要根据具体测量条件和测量对象进行校准。本发明提供的自动校准的方法是利用现对运动原理实现的，当待测流速一定时，通过已知速率的相对运动，得到两个不同流速对应的测量值，代入流速与热线传感器电压的关系方程，联立方程可以解出实际的流速值。下面对两种流速自动校准的方法分别进行说明。测量前进行自动校准，其方法步骤如下a、在测量之前，首先封闭密封罩5，关闭电机3的开关，热线传感器1处于静止状态，对应的流速为0，测量得到此时热线传感器1两端的初始输出电压为E0;b、封闭密封罩5，打开电机3的开关，电机3带动可移动的部件2开始以速率u0作往复直线运动，此时被固定在可移动的部件2上的热线传感器1对应的流速为u0，测量得到热线传感器1两端的输出电压为E1;c、将测量得到的两组数据(0，E0)、(u0，El)代入关系式(1)得到丄丄求解(2)式得至一—，，6=￡0、"0:，将a、b的值代入表达式(1)，得到流速U值和热线传感器1两端的输出电压E值的一一对应关系式m=m0*(,，-~^"y广(3)此时通过测量热线传感器1两端的输出电压E值就能得到对应的流速值u，即完成了校准功能；d、打开密封罩5，关闭电机3的开关，将热线传感器l直接放置在待测地点测量得到热线传感器1两端的输出电压为E，代入关系式(3)，此时m为已知定值，求出的流速u即为标准值。另一种方法是测量后进行自动校准，其方法步骤如下a、在测量之前，首先封闭密封罩5，关闭电机3的开关，热线传感器1处于静止状态，对应的流速为0，测量得到此时热线传感器1两端的初始输出电压为E0;b、打开密封罩5，打开电机3的开关，电机3带动可移动的部件2开始以速率u0作往复直线运动，假设待测流速为u，则此时被固定在可移动的部件2上的热线传感器1对应的流速分别为u+u0和u-uO，测量得到热线传感器1两端的输出电压为El和E2;c、热线传感器l的输出电压E与流速u之间的关系式为"^^2—6)其中m为与热线传感器l的材料相关的一己知定值，a和b为与具体的测量条件相关的一不定值，将测量得到的两组数据(u+uO，El)、(u-uO，E2)与初始数据(0，EO)代入关系式"=("￡2—6"，得到<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>求解(4)式直接得到流速u的标准值<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>(5)d、打开密封罩5，打开电机3的开关，将热线传感器1直接放置在待测地点测量得到热线传感器1两端的输出电压为El、E2，m为已知定值，将u0、E0、El、E2代入关系式(5)，求出的流速u即为标准值。有益效果根据本发明的流速自动校准的方法而设计的流速测量装置，该装置的热线传感器部件可以以一定的速率运动，从而可以代替标准风洞或校准喷嘴来实现流速的校准，并可以实现快速、便捷的自动校准过程，以及不同测量条件下的精确测量，免去了以往流速测量仪器繁琐的校准过程；因此，在科学研究，工业应用，航空航天，军事等领域有广泛的应用前景。四图1是本发明流速测量装置的结构示意剖面图。附图标记1-热线传感器、2-可移动的部件、3-电机、4-支架、5-密封罩、6-导线、7-数据测量与处理系统。五具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。实施例1参见图1，本发明流速测量装置，由热线传感器1，可移动的部件2，电机3,支架4，密封罩5，导线6和数据测量与处理系统7所组成。其中热线传感器1由直径5um，长2mm的铂丝构成；可移动的部件2为钢金属材料制作，其尺寸为高2cm，宽2mm，上端开口处直接用绝缘胶连接钼丝，下端垂直焊接在电机3的转轴上；电机3采用南京思展科技有限公司的型号为LSM61250的无刷直线型伺服电机，其直线运动速率为6m/s;电机3被螺丝固定在由金属制作的尺寸为40mm*40mm*100mm的支架4上；支架4与密封罩5的底部用螺丝固定在一起；密封罩5分底部和罩子两个部分，底部为尺寸90mm*130mm的平板，罩子顶部尺寸为80mm*120mm，罩子高度为80mm，均为厚度5mm的有机玻璃料材料制作，上面的罩子可以方便的拿掉(打开)或盖上(关闭)；热线传感器镀金钨丝1的两端和电机3电源分别通过导线6与数据测量与处理系统7相连接，导线6为一般的铜导线；数据测量与处理系统7为mega8AVR单片机进行控制。实施例2参见图1，本发明流速测量装置，由热线传感器l，可移动的部件2，电机3，支架4，密封罩5，导线6和数据测量与处理系统7所组成。其中热线传感器l由直径5um，长2mm的镀金鸨丝构成；可移动的部件2为塑料材料制作，其尺寸为高2cm，宽2mm，上端开口处直接用万能胶连接镀金鸽丝，下端垂直用万能胶固定在电机3的转轴上；电机3采用南京思展科技有限公司的型号为LUCM79UC的U槽无刷直线电机，其直线运动速率为10m/s。电机3被螺丝固定在由有机玻璃制作的尺寸为40mm*40mm*100mm的支架4上；支架4与密封罩5的底部被螺丝固定在一起；密封罩5分底部和罩子两个部分，底部为尺寸90mm*130mm的平板，罩子顶部尺寸为80mm*120mm，罩子高度为80mm，均为厚度5mm的硬壳塑料材料制作，上面的罩子可以方便的拿掉(打开)或盖上(关闭)；热线传感器镀金钨丝1的两端和电机3电源分别通过导线6与数据测量与处理系统7相连接，导线6为一般的铜导线；数据测量与处理系统7由mega8AVR单片机控制。实施例3参见图l，本发明流速测量装置，由热线传感器l，可移动的部件2，电机3，支架4，密封罩5，导线6和数据测量与处理系统7所组成。其中热线传感器l由直径5um，长2mm的铂丝构成；可移动的部件2为钢金属材料制作，其尺寸为高2cm，宽2mm，上端开口处直接用绝缘胶连接铂丝，下端垂直焊接在电机3的转轴上；电机3采用南京思展科技有限公司的型号为LSM61250的无刷直线型伺服电机，其直线运动速率为6m/s;电机3被螺丝固定在由金属制作的尺寸为40mm*40mm*100mm的支架4上；支架4与密封罩5的底部被螺丝固定在一起；密封罩5分底部和罩子两个部分，底部为尺寸90mm*130mm的平板，罩子顶部尺寸为80mmn20mm，罩子高度为80mm，均为厚度5mm的有机玻璃料材料制作，上面的罩子可以方便的拿掉(打开)或盖上(关闭)；导线6为一般的铜导线；数据测量与处理系统7由单片机控制。首先进行流速的自动校准过程己知铂丝材料对应的指数1!1值为2.2;密封罩5未打开，电机3未启动，则此时空气流速为O，测量热线传感器l两端的电压为1.023V;启动电机3，则此时空气流速为6m7s，测量热线传感器l两端的电压为6.636V，代入热线流速与热线电压的表达式(2)得到a和b分别为0.00156和1.046。完成校准过程后关闭电机3，打开密封罩5，接着直接将热线传感器1放置在待测地点进行测量，得到热线传感器1两端的输出电压E值，将热线传感器1两端的输出电压E值带入表达式(3)得到流速u值。为了验证测量数据的准确性，我们将通过压差法测得的实验值u标作为标准值，对测量结果进行了比较。共测量了10次，数据参见表l，得到u-u标的相关系数为0.9999。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>实施例4参见图l，本发明流速测量装置，由热线传感器l,可移动的部件2，电机3，支架4，密封罩5，导线6和数据测量与处理系统7所组成。其中热线传感器l由直径5um，长2mm的镀金钨丝构成；可移动的部件2为塑料材料制作，其尺寸为高2cm，宽2mm，上端开口处直接用万能胶连接镀金钩丝，下端垂直用万能胶固定在电机3的转轴上；电机3采用南京思展科技有限公司的型号为LUCM79UC的U槽无刷直线电机，其直线运动速率为10m/s。电机3被螺丝固定在由有机玻璃制作的尺寸为40mm*40mm*100mm的支架4上；支架4与密封罩5的底部被螺丝固定在一起；密封罩5分底部和罩子两个部分，底部为尺寸90mm*130mm的平板，罩子顶部尺寸为80mm*120mm，罩子高度为80mm，均为厚度5mm的硬壳塑料材料制作，上面的罩子可以方便的拿掉(打开)或盖上(关闭)；导线6为一般的铜导线；数据测量与处理系统7由单片机控制。直接在测量过程中实现流速的自动校准过程。首先，已知镀金钨丝对应的指数m值为2.6;其次，在密封罩5未打开，电机3未启动，测量热线两端的电压为1.555V，此时对应的空气流速为O;然后，打开密封罩5并启动电机3，直接将热线传感器1放置在待测地点进行测量，当电机工作时，则实际测量时相对流速分别为(u-10)和(u+10)，测得热线传感器1两端的输出电压分别为El和E2。将(K(u-lO)和(u+10)，EO、E1和E2代入表达式(5)可以直接得到u值。为了验证测量数据的准确性，我们将通过压差法测得的实验值us作为标准值，对测量结果进行了比较。共测量了10次，数据参见表2，得到u-u标的相关系数为0.999。表2<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>权利要求1、一种流速测量装置，包括热线传感器(1)，支架(4)，导线(6)，数据测量与处理系统(7)，其特征在于该装置还包括可移动的部件(2)，电机(3)和密封罩(5)，其中热线传感器(1)固定在可移动的部件(2)的顶端，可移动的部件(2)固定在电机(3)的转轴上，电机(3)固定在支架(4)上，热线传感器(1)的两端和电机(3)的电源分别通过导线(6)与数据测量与处理系统(7)相连接，热线传感器(1)、可移动的部件(2)、电机(3)、支架(4)全部被封装在密封罩(5)内。2、根据权利要求1所述的流速测量装置，其特征在于所述的热线传感器(1)为铂丝或镀金钨丝构成的热线传感器。3、根据权利要求1所述的流速测量装置，其特征在于所述的可移动的部件(2)的运动速率由电机G)进行设定。4、根据权利要求1所述的流速测量装置，其特征在于所述的数据测量与处理系统(7)为单片机系统，包含数据测量、运算处理和显示。5、根据权利要求1所述的流速测量装置，其特征在于所述的密封罩(5)为有机玻璃或塑料材料制成，由底座和罩子两部分构成，底座与支架(4)固定连接，罩子放置在底座上，并能灵活打开或封闭。6、一种用权利要求1所述的流速测量装置进行流速自动校准的方法，其特征在于该校准方法有两种，一种是测量前进行自动校准的方法，其方法步骤如下a、在测量之前，首先封闭密封罩(5)，关闭电机(3)的开关，热线传感器(1)处于静止状态，对应的流速为0，测量得到此时热线传感器(1)两端的初始输出电压为E0;b、封闭密封罩(5)，打开电机(3)的开关，电机(3)带动可移动的部件(2)开始以速率uO作往复直线运动，此时被固定在可移动的部件(2)顶端的热线传感器(1)对应的流速为u0，测量得到热线传感器(1)两端的输出电压为E1;c、热线传感器(l)的输出电压E与流速u之间的关系式为"-("^2—W""，其中m为与热线传感器(1)的材料相关的一定值指数，a和b为与测量条件相关的校准系数，将测量得到的两组数据(0，E0)、(uO,El)代入关系式"-("f2一6)"1得到当前测量条件下的a-2"Qm2和^=fQ22'"q:，即完成了校准功能；d、打开密封罩(5)，关闭电机(3)的开关，将热线传感器(1)直接放置在待测地点测量得到热线传感器(1)两端的输出电压为E，代入关系式"=("￡2一此时求出的流速u即为标准值。另一种是测量后进行自动校准的方法，其方法步骤如下a、在测量之前，首先封闭密封罩(5)，关闭电机(3)的开关，热线传感器(1)处于静止状态，对应的流速为0，测量得到此时热线传感器(1)两端的初始输出电压为E0;b、打开密封罩(5)，打开电机(3)的开关，电机(3)带动可移动的部件(2)开始以速率uO作往复直线运动，假设待测流速为u，则此时被固定在可移动的部件(2)上的热线传感器(1)对应的流速分别为u+uO和u-u0，测量得到热线传感器(1)两端的输出电压为E1和E2;c、热线传感器(1)的输出电压E与流速u之间的关系式为""^2—6)m，其中m为与热线传感器(1)的材料相关的一定值指数，a和b为与具体的测量条件相关的校准指数，将测量得到的两组数据(u+uO,El)、(u-uO，E2)与初始数据(0，EO)代入关系式"=("￡2—6)m，直接得到流速u的标准值，即完成了校准功能。全文摘要一种流速测量装置，该装置的热线传感器1固定在可移动的部件2的顶端，可移动的部件2固定在电机3的转轴上，电机3固定在支架4上，热线传感器1的两端和电机3的电源分别通过导线6与数据测量与处理系统7相连接，热线传感器1、可移动的部件2、电机3、支架4全部被封装在密封罩5内。流速自动校准方法有两种一种是在测量前通过热线传感器1的相对运动来校准；另一种是在测量时通过热线传感器1的相对运动来校准。该流速测量装置和流速自动校准方法，可以实现快速、便捷的自动校准过程，可以实现不同测量条件下的精确测量，免去了以往流速测量仪器繁琐的校准过程。文档编号G01P5/10GK101377525SQ20081015572公开日2009年3月4日申请日期2008年10月8日优先权日2008年10月8日发明者刘明熠,宋建平,张开骁,朱卫华申请人:河海大学