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1概述
變風(fēng)量末端裝置是變風(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風(fēng)速傳感器的基本原理
2. 1 皮托管式風(fēng)速傳感器
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)[1 ] 。
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Δp = K ρ v2
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 ;
ρ———流體密度,kg/ m3 。
皮托管式風(fēng)速傳感器由銅管或不銹鋼管制成[2 ] ,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.
2. 2 螺旋槳風(fēng)速傳感器
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。
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～
2. 3 超聲波式風(fēng)速傳感器
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。
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)( Hall effect) 。
盡管人們?cè)缭?SPAN lang=EN-US>1879 年就知道了霍耳效應(yīng),但直到20 世紀(jì)60 年代末,隨著CMOS(complementary metalOoxide semiconductor ,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�；舳�(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。
霍耳效應(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。
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。簧片彈性的耐久性越好,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.
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。
3 變風(fēng)量末端裝置選型及系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)
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
變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),系統(tǒng)接末端裝置支風(fēng)管的設(shè)計(jì)風(fēng)速必須與所選用的末端裝置風(fēng)速要求一致。當(dāng)實(shí)際所購(gòu)末端裝置與設(shè)計(jì)末端裝置不一致時(shí),須調(diào)整支管管道尺寸。如設(shè)計(jì)時(shí)采用日本公司的低速變風(fēng)量末端裝置,實(shí)際訂貨是美國(guó)公司的高速變風(fēng)量末端裝置,則原先設(shè)計(jì)的平均風(fēng)速為
4結(jié)語(yǔ)
各種變風(fēng)量末端裝置的主要差別在于其所用的風(fēng)速傳感器,不同的風(fēng)速傳感器有其不同的風(fēng)速測(cè)量范圍和測(cè)量精度。設(shè)計(jì)人員只有充分了解所用的變風(fēng)量末端裝置的基本參數(shù)及性能才能設(shè)計(jì)出合理、高效、節(jié)能的變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)。
