變風(fēng)量末端裝置風(fēng)速傳感器的類型與性能

變風(fēng)量末端裝置風(fēng)速傳感器的類型與性能

1風(fēng)速測(cè)量的方法末端變風(fēng)裝置是變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的主要設(shè)備之一。風(fēng)速傳感器又是變風(fēng)量末端裝置的關(guān)鍵部件,因此,風(fēng)速傳感器的類型與性能直接影響系統(tǒng)風(fēng)量的檢測(cè)和控制質(zhì)量。風(fēng)速傳感器一般由各末端裝置生產(chǎn)廠家自行開發(fā)或委托控制設(shè)備商配套生產(chǎn)。風(fēng)速傳感器品種繁多,最常用的是皮托管式風(fēng)速傳感器,超聲波渦旋式風(fēng)速傳感器,螺旋槳風(fēng)速傳感器和熱線、熱膜式風(fēng)速傳感器等。目前,我國(guó)及歐美各廠家的變風(fēng)量末端裝置均采用皮托管式風(fēng)速傳感器,而日本各廠家無(wú)一采用皮托管式風(fēng)速傳感器。風(fēng)速測(cè)量的方法多種多樣,風(fēng)速檢測(cè)范圍、精度要求、使用要求都是選擇風(fēng)速傳感器的主要依據(jù)。風(fēng)速測(cè)量方法有氣壓法、機(jī)械法與散熱率法等。氣壓法是通過(guò)測(cè)量全壓和靜壓的差值求得風(fēng)速,如皮托管式風(fēng)速傳感器;機(jī)械法是利用流體的動(dòng)壓推動(dòng)機(jī)械裝置旋轉(zhuǎn)來(lái)求得風(fēng)速,如螺旋槳風(fēng)速傳感器;散熱率法利用流速與散熱率成對(duì)應(yīng)關(guān)系的原理,通過(guò)測(cè)量相等散熱量的時(shí)間,或測(cè)溫度變化,或保持原溫度的加熱電流量的變化來(lái)確定風(fēng)速。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,激光、超聲波等一些新式的風(fēng)速傳感器也在風(fēng)速檢測(cè)中使用。2傳感器的基本原理2.1皮工具式風(fēng)速傳感器主要輸出壓差輸出皮托管是測(cè)壓管,由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,使用方便,理論研究完善而得到廣泛應(yīng)用。皮托管根據(jù)流體流動(dòng)引起的壓差進(jìn)行流速檢測(cè)。標(biāo)準(zhǔn)皮托管是一根彎成直角的金屬細(xì)管,它由感測(cè)頭、外管、內(nèi)管、管柱與全壓、靜壓引出導(dǎo)管等組成。在皮托管頭部的頂端,迎著來(lái)流開有一個(gè)小孔,小孔平面與流體流動(dòng)方向垂直。在皮托管頭部靠下游的地方,環(huán)繞管壁的外側(cè)又開了多個(gè)小孔,流體流動(dòng)的方向與這些小孔的孔面相切。頂端的小孔與側(cè)面的小孔分別與兩條互不相通的管路相連。進(jìn)入皮托管頂端小孔的氣流壓力(稱為全壓),除了流體本身的靜壓,還含有流體滯止后由動(dòng)能轉(zhuǎn)變來(lái)的那部分壓力,而進(jìn)入皮托管側(cè)面小孔的氣流壓力僅僅是流體的靜壓,根據(jù)全壓和靜壓即可求出動(dòng)壓,從而求出風(fēng)速。用皮托管只能測(cè)量某一點(diǎn)處的流速,而流體在管道中流動(dòng)時(shí),同一截面上各點(diǎn)的流速各不相同。在變風(fēng)量末端裝置中,由于管道截面較大,測(cè)量某一點(diǎn)的流速不能反映該截面的平均流速。實(shí)際上,人們采用一種變形的皮托管即均速管來(lái)測(cè)量流經(jīng)末端裝置的風(fēng)速,對(duì)被測(cè)截面上各測(cè)點(diǎn)的動(dòng)壓取平均值,求取平均流速。均速管也稱為阿紐巴。一般用于圓形管道,用一根細(xì)的管子插入變風(fēng)量裝置的入口,將被測(cè)截面分成若干區(qū)域,在每個(gè)區(qū)域中心位置的細(xì)管上開小孔作為測(cè)點(diǎn),迎著氣流方向,這些孔就是全壓測(cè)孔,同時(shí),在另一根相同截面的細(xì)管的背流方向開一個(gè)或多個(gè)靜壓測(cè)壓孔。變風(fēng)量末端裝置的皮托管式風(fēng)速傳感器本身不輸出電信號(hào),只能輸出壓差信號(hào)。用皮托管式風(fēng)速傳感器測(cè)出的壓差與空氣流速呈二次曲線關(guān)系,其數(shù)學(xué)表達(dá)式為式中Δp———皮托管式風(fēng)速傳感器的輸出壓差,Pa;K———皮托管式風(fēng)速傳感器放大系數(shù),K值最大為3,一般K≤2;v———測(cè)點(diǎn)處氣流的速度,m/s;皮托管式風(fēng)速傳感器由銅管或不銹鋼管制成,其外徑越小對(duì)氣流干擾越小,測(cè)量精度越高。一般來(lái)說(shuō),全壓測(cè)孔的總面積應(yīng)小于測(cè)壓管總面積的3%。為了保證傳感器具有足夠的剛度,一般測(cè)壓管的外徑與管道內(nèi)徑之比在0.04～0.09之間,測(cè)壓管上全壓測(cè)孔的直徑應(yīng)是測(cè)壓管內(nèi)徑的0.2～0.3倍,且應(yīng)在0.5～1.5mm之間。皮托管式風(fēng)速傳感器應(yīng)具有抗堵塞性、抗偏流性和抗破壞性的能力。在我國(guó)常用的幾種皮托管式風(fēng)速傳感器的基本結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)見(jiàn)表1(1)。如采用標(biāo)準(zhǔn)皮托管,取空氣密度ρ=1.2kg/m3,放大系數(shù)K=0.97,v=1m/s時(shí),測(cè)得的壓差值是0.582Pa。要將如此小的壓差信號(hào)變送為電信號(hào),還要保持其精度,就要采用昂貴的微壓差傳感器。因此不同廠家對(duì)皮托管式風(fēng)速傳感器均采用不同的壓差輸出增幅技術(shù)。當(dāng)K=3,壓差測(cè)量范圍為0～200Pa,測(cè)量精度為全量程3%時(shí),其誤差值是±6Pa,折合成風(fēng)速為±1.8m/s。對(duì)于放大系數(shù)為3的傳感器,1.8m/s以下的風(fēng)速信號(hào)沒(méi)有意義。同樣,當(dāng)K=3,壓差測(cè)量范圍為0～400Pa,測(cè)量精度為全量程3%時(shí),風(fēng)速傳感器的誤差值為±12Pa。所測(cè)量的風(fēng)速低于2.58m/s時(shí),其所測(cè)得的風(fēng)速信號(hào)沒(méi)有意義。皮托管式風(fēng)速傳感器的測(cè)量范圍為0<Δp<0.4kPa,當(dāng)風(fēng)速在4～16m/s范圍內(nèi)時(shí)可保證適當(dāng)?shù)臏y(cè)量精度。采用皮托管作為流速傳感器,應(yīng)滿足下列要求:1)被測(cè)流體的流速不能太小,一般要求其全壓測(cè)孔處雷諾數(shù)大于200;2)應(yīng)避免皮托管對(duì)被測(cè)流體的干擾過(guò)大,保證皮托管的直徑與被測(cè)管道的直徑之比在0.04～0.09之間;3)被測(cè)管道的相對(duì)粗糙度應(yīng)不大于0.01;4)測(cè)量時(shí)應(yīng)保證全壓測(cè)孔迎著流體的流動(dòng)方向,并使其軸線與流體流動(dòng)方向一致;5)防止測(cè)壓孔堵塞。2.2旋轉(zhuǎn)載荷測(cè)量螺旋槳風(fēng)速傳感器由螺旋槳葉片、傳感器軸、傳感器支架及磁感應(yīng)線圈等組成(1)。它利用流動(dòng)空氣的動(dòng)能來(lái)推動(dòng)傳感器的螺旋槳旋轉(zhuǎn),然后通過(guò)螺旋槳的轉(zhuǎn)速求出流過(guò)末端裝置的空氣流速。螺旋槳風(fēng)速傳感器可以分成平行軸式和垂直軸式兩種形式。圖1是一種平行軸式風(fēng)速傳感器,它由四片葉片組成。傳感器支架內(nèi)側(cè)設(shè)置兩組N極和S極間隔排列的磁性物質(zhì),在不旋轉(zhuǎn)的螺旋槳支架內(nèi)側(cè)的軸上設(shè)置一個(gè)固定磁極,當(dāng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)時(shí),固定磁極就可根據(jù)其感知的磁力線的變化,測(cè)出螺旋槳在單位時(shí)間內(nèi)的旋轉(zhuǎn)次數(shù),從而根據(jù)傳感器旋轉(zhuǎn)次數(shù)與風(fēng)速的關(guān)系計(jì)算出流過(guò)末端裝置的風(fēng)速。圖2為該傳感器轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與迎面風(fēng)速的關(guān)系曲線。螺旋槳風(fēng)速傳感器屬于非接觸性傳感器,它不受重力的影響,可安裝在任何位置。且不像皮托管式風(fēng)速傳感器的測(cè)壓孔可能被空氣中的灰塵堵塞而失去測(cè)速作用,可靠性高。螺旋槳葉片的形狀和表面光潔度,轉(zhuǎn)子的質(zhì)量以及轉(zhuǎn)子軸承的阻力均影響風(fēng)速測(cè)量性能。螺旋槳風(fēng)速傳感器具有下列特點(diǎn):1)利用磁石環(huán)抗磁芯子,不用接觸就能檢測(cè)出螺旋槳轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速,有良好的可靠性和耐久性,使用壽命長(zhǎng);2)利用飛散效果使空氣中的塵粒無(wú)法附著在葉輪上,使塵粒對(duì)傳感器部件的影響減至最小;3)軸承采用性能良好的樹脂制作,在制造階段進(jìn)行了特殊處理,潤(rùn)滑油分散在軸承中,不需添加潤(rùn)滑油就可使用,使得軸承和葉輪長(zhǎng)軸之間幾乎沒(méi)有磨損;4)幾乎不需維護(hù)和保養(yǎng)。螺旋槳風(fēng)速傳感器的量程為1～10m/s,全量程范圍內(nèi)測(cè)量精度為±1.5%,最大誤差為±0.15m/s。2.3圓柱型至雷諾數(shù)的渦流分布,其充放電的特性可以分為3.超聲波式風(fēng)速傳感器可以分成主動(dòng)型傳感器、被動(dòng)型傳感器、渦流(街)式傳感器、相關(guān)式傳感器等類型。表2為超聲波風(fēng)速傳感器測(cè)速原理一覽表。圖3為日本某公司為其變風(fēng)量裝置專門開發(fā)的超聲波風(fēng)速傳感器(2)。這是一種卡門渦街式風(fēng)速傳感器。它由超聲波發(fā)生器、渦流發(fā)生器、超聲波接收器、發(fā)生器導(dǎo)線、接收器導(dǎo)線以及外殼等組成,傳感器本體采用ABS制作。其構(gòu)造見(jiàn)圖3。黏性流體圍繞圓柱體流動(dòng)。當(dāng)流體速度很小時(shí),流體的前駐點(diǎn)速度為零,流體繞圓柱左右兩側(cè)流動(dòng)。在圓柱體前半部分速度逐漸增大,壓力下降,在后半部分速度逐漸下降,壓力升高,后駐點(diǎn)速度為零。此時(shí)的流動(dòng)與理想流體繞圓柱體流動(dòng)相同。隨著流體的流速增加,圓柱體后半部分的壓力梯度增大,引起流體附面層的分離。當(dāng)流體的雷諾數(shù)再增大,圓柱體后半部附面層中的流體微團(tuán)受到更大的阻滯時(shí),就會(huì)在附面層的分離點(diǎn)處產(chǎn)生一對(duì)旋轉(zhuǎn)方向相反的對(duì)稱渦旋,稱為卡門渦旋。對(duì)于圓柱型渦旋發(fā)生體,當(dāng)雷諾數(shù)在3×102～2×105范圍內(nèi)時(shí),穩(wěn)定的卡門渦街的渦旋脫落頻率與流體速度成正比,其表達(dá)式為式(2)也可寫成:式中Sr稱為斯特勞哈爾數(shù),是個(gè)常數(shù),約等于0.2。當(dāng)雷諾數(shù)更大時(shí),圓柱體周圍的邊界層將變成湍流,不符合渦街的穩(wěn)定條件。該公司變風(fēng)量末端裝置超聲波風(fēng)速傳感器頻率與風(fēng)速的關(guān)系見(jiàn)圖4。渦旋發(fā)生體形狀多種多樣,但必須具有相同的基本要求:1)為了產(chǎn)生渦旋,要有鈍的(非流線型)截面形狀;2)使流體的流動(dòng)接近二維流動(dòng),渦旋發(fā)生體上下截面相同,且左右對(duì)稱;3)邊界層分離點(diǎn)固定,使斯特勞哈爾數(shù)恒定。該公司變風(fēng)量末端裝置所用超聲波風(fēng)速傳感器具有較高的測(cè)量精度。風(fēng)速在1～5m/s范圍內(nèi)時(shí),傳感器單體測(cè)量誤差在1.5%以內(nèi),最大絕對(duì)誤差為±0.375m/s。具有理想的比例特性,依靠超聲波(40Hz)的自清洗作用,傳感器本身不會(huì)附著灰塵,不受流體溫濕度的影響,沒(méi)有機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件。設(shè)計(jì)使用壽命長(zhǎng)達(dá)1×105h,法定使用年限為10a。2.4霍耳效應(yīng)電磁風(fēng)速傳感器在半導(dǎo)體上通電并將其置于磁場(chǎng)中,如果磁場(chǎng)與電流的方向垂直,則在磁場(chǎng)的作用下,載流子(電子或空穴)的運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上就會(huì)形成電荷積累,出現(xiàn)電勢(shì)差。其輸出電壓與磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比。這一現(xiàn)象稱為霍耳效應(yīng)(Halleffect)。盡管人們?cè)缭?879年就知道了霍耳效應(yīng),但直到20世紀(jì)60年代末,隨著CMOS(complementarymetal-oxidesemiconductor,互補(bǔ)性氧化金屬半導(dǎo)體)技術(shù)的不斷發(fā)展,出現(xiàn)了具有成本低、質(zhì)量好、性能可靠、體積小等多種優(yōu)點(diǎn)的霍耳傳感器。芯片集成技術(shù)的發(fā)展,減少了電壓偏置與漂移問(wèn)題。霍耳效應(yīng)電磁傳感器能較好地應(yīng)用于一些較惡劣如受灰塵、溫度、振動(dòng)及其他與環(huán)境相關(guān)因素影響的場(chǎng)合?；舳?yīng)電磁風(fēng)速傳感器將霍耳元件固定在傳感器支架上,將永磁鐵安裝在風(fēng)動(dòng)簧片上(倒過(guò)來(lái)也可以)。風(fēng)速推動(dòng)簧片變形,改變霍耳元件與永磁鐵的距離?；舳c永磁鐵距離的改變,改變了加在霍耳元件上的磁場(chǎng),從而引起霍耳元件感應(yīng)電壓的改變?；舳袘?yīng)電壓的改變量經(jīng)反向放大電路放大,變?yōu)榛舳?yīng)電磁風(fēng)速傳感器的輸出電壓。風(fēng)速越大,霍耳元件與永磁鐵的距離越遠(yuǎn),霍耳元件感應(yīng)電壓越小,反向放大電路的輸出越大,霍耳效應(yīng)電磁風(fēng)速傳感器的輸出電壓也越大。圖5是日本另一公司變風(fēng)量末端裝置所用霍耳效應(yīng)電磁風(fēng)速傳感器(1)。圖6是霍耳效應(yīng)電磁風(fēng)速傳感器風(fēng)速與輸出電壓的關(guān)系。這種傳感器構(gòu)造簡(jiǎn)單,無(wú)磨損件,抗灰塵。缺點(diǎn)是彈性簧片的彈性決定了風(fēng)速傳感器的測(cè)量精度和耐用性?；善男螤詈蛷椥约氨砻婀鉂嵍染绊戯L(fēng)速測(cè)量性能?；善瑥椥缘哪途眯栽胶?傳感器的耐用性越好。該風(fēng)速傳感器的量程為1～20m/s,全量程范圍內(nèi)測(cè)量精度為±1.1%,最大誤差為±0.22m/s。2.5線路的基本關(guān)系熱線式風(fēng)速傳感器是以熱絲(鎢絲或鉑絲)或是以熱膜(鉑或鉻制成薄膜)為探頭,裸露在被測(cè)空氣中,并將它接入惠斯頓電橋,通過(guò)惠斯頓電橋的電阻或電流的平衡關(guān)系,檢測(cè)出被測(cè)截面空氣的流速。熱膜式風(fēng)速傳感器的熱膜外涂有極薄的石英膜絕緣層,以便和流體絕緣,并可防止污染,可在帶有顆粒的氣流中工作,其強(qiáng)度比金屬熱線絲高。當(dāng)空氣溫度穩(wěn)定不變時(shí),熱絲上的耗電功率等于熱絲在空氣中瞬時(shí)耗去的熱量。熱絲電阻隨溫度而變化,熱線的電阻和熱線溫度在通常溫度范圍(0～300℃)之內(nèi),表現(xiàn)為線性關(guān)系。放熱系數(shù)與氣流速度有關(guān),流速越大,對(duì)應(yīng)的放熱系數(shù)也越大,即散熱快;流速小,則散熱慢。熱線、熱膜式風(fēng)速傳感器所測(cè)氣流速度是電流與電阻的函數(shù)。將電流(或電阻)保持不變,所測(cè)氣流速度僅與電阻(或電流)一一對(duì)應(yīng)。熱線式風(fēng)速傳感器有恒流與恒溫兩種設(shè)計(jì)電路。恒溫式熱線風(fēng)速傳感器較為常用。恒溫法原理是測(cè)量過(guò)程中保持熱絲溫度恒定,使電橋平衡,此時(shí)熱絲電阻保持不變,氣流速度只是電流的單值函數(shù),根據(jù)已知的氣流速度與電流的關(guān)系可求得通過(guò)末端裝置的氣流速度。恒流式熱線風(fēng)速傳感器在測(cè)量過(guò)程中保持流經(jīng)熱絲的電流值不變。當(dāng)電流值不變時(shí),氣流速度僅僅與熱絲電阻有關(guān)。根據(jù)已知的氣流速度與熱絲電阻的關(guān)系可求得通過(guò)風(fēng)速傳感器的氣流速度。熱線式風(fēng)速傳感器有X形、V形以及平行形等種類。熱線式風(fēng)速傳感器可測(cè)量脈動(dòng)風(fēng)速。恒流式風(fēng)速傳感器熱慣性較大,恒溫式風(fēng)速傳感器的熱慣性相對(duì)較小,具有較高的速度響應(yīng)。熱線式風(fēng)速傳感器的測(cè)量精度均不很高,使用時(shí)要注意溫度補(bǔ)償。圖7為一種熱線式風(fēng)速傳感器(1)。這種熱線式風(fēng)速傳感器屬于恒溫式風(fēng)速傳感器。在傳感器的基座上設(shè)有兩個(gè)熱電阻,對(duì)其中一個(gè)熱電阻加熱,使兩個(gè)熱電阻之間的溫差保持在20℃。通過(guò)檢測(cè)熱線風(fēng)速傳感器的電壓獲得流經(jīng)風(fēng)速傳感器的風(fēng)量。圖8為該熱線式風(fēng)速傳感器的電壓與風(fēng)速的關(guān)系。該熱線式風(fēng)速傳感器的風(fēng)速測(cè)量范圍為0～10m/s,推薦風(fēng)速為7.5m/s。使用溫度范圍0～60℃。風(fēng)量檢測(cè)誤差在±5%以內(nèi)。3比較不同速度傳感器的性能參數(shù)見(jiàn)表34變風(fēng)量末端裝置設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)根據(jù)配置風(fēng)速傳感器不同,變風(fēng)量末端裝置可以分成兩類,一類是以歐美和我國(guó)變風(fēng)量末端裝置廠家為代表的配置皮托管式風(fēng)速傳感器的高速變風(fēng)量末端裝置,另一類是以日本各廠家為代表的采用非皮托管式風(fēng)速傳感器的低速變風(fēng)量末端裝置。因此,設(shè)計(jì)人員在末端裝置選型之前,必須確定采用高速還是采用低速變風(fēng)量末端裝置。當(dāng)采用高速變風(fēng)量末端裝置時(shí),設(shè)計(jì)風(fēng)速應(yīng)控制在12～16m/s范圍內(nèi),最小風(fēng)速必須大于4m/s。末端裝置不宜選擇過(guò)大,如選型過(guò)大,風(fēng)閥處于小開度范圍,裝置調(diào)節(jié)范圍縮小,調(diào)節(jié)精度降低,尤其在最小風(fēng)量運(yùn)行時(shí),精度沒(méi)法保證,空調(diào)房間可能出現(xiàn)溫度波動(dòng)現(xiàn)象。當(dāng)采用低速變風(fēng)量末端裝置時(shí),設(shè)計(jì)風(fēng)速可控制在6～8m/s范圍內(nèi),最小風(fēng)速大于產(chǎn)品樣本要求的數(shù)值即可。變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),系統(tǒng)接末端裝置支