1 概述

變風量末端裝置是變風量空調系統的主要設備之一。風速傳感器又是變風量末端裝置的關鍵部件,因此,風速傳感器的類型與性能直接影響系統風量的檢測和控制質量。

風速傳感器一般由各末端裝置生產廠家自行開發或委托控制設備商配套生產。風速傳感器品種繁多,的是皮托管式風速傳感器,超聲波渦旋式風速傳感器,螺旋槳風速傳感器和熱線、熱膜式風速傳感器等。

目前,我國及歐美各廠家的變風量末端裝置均采用皮托管式風速傳感器,而日本各廠家無一采用皮托管式風速傳感器。風速測量的方法多種多樣,風速檢測范圍、精度要求、使用要求都是選擇風速傳感器的主要依據。風速測量方法有氣壓法、機械法與散熱率法等。氣壓法是通過測量全壓和靜壓的差值求得風速,如皮托管式風速傳感器;機械法是利用流體的動壓推動機械裝置旋轉來求得風速,如螺旋槳風速傳感器;散熱率法利用流速與散熱率成對應關系的原理,通過測量相等散熱量的時間,或測溫度變化,或保持原溫度的加熱電流量的變化來確定風速。

隨著現代科學技術的發展,激光、超聲波等一些新式的風速傳感器也在風速檢測中使用。

2 風速傳感器的基本原理

2. 1 皮托管式風速傳感器

皮托管是測壓管,由于其結構簡單,使用方便,理論研究*而得到廣泛應用。皮托管根據流體流動引起的壓差進行流速檢測[1 ] 。

標準皮托管是一根彎成直角的金屬細管,它由感測頭、外管、內管、管柱與全壓、靜壓引出導管等組成。在皮托管頭部的頂端,迎著來流開有一個小孔,小孔平面與流體流動方向垂直。在皮托管頭部靠下游的地方,環繞管壁的外側又開了多個小孔,流體流動的方向與這些小孔的孔面相切。頂端的小孔與側面的小孔分別與兩條互不相通的管路相連。進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能轉變來的那部分壓力,而進入皮托管側面小孔的氣流壓力僅僅是流體的靜壓,根據全壓和靜壓即可求出動壓,從而求出風速。用皮托管只能測量某一點處的流速,而流體在管道中流動時,同一截面上各點的流速各不相同。

在變風量末端裝置中,由于管道截面較大,測量某一點的流速不能反映該截面的平均流速。實際上,人們采用一種變形的皮托管即均速管來測量流經末端裝置的風速,對被測截面上各測點的動壓取平均值,求取平均流速。

均速管也稱為阿紐巴。一般用于圓形管道,用一根細的管子插入變風量裝置的入口,將被測截面分成若干區域,在每個區域中心位置的細管上開小孔作為測點,迎著氣流方向,這些孔就是全壓測孔,同時,在另一根相同截面的細管的背流方向開一個或多個靜壓測壓孔。變風量末端裝置的皮托管式風速傳感器本身不輸出電信號,只能輸出壓差信號。用皮托管式風速傳感器測出的壓差與空氣流速呈二次曲線關系,其數學表達式為

Δp = K ρ v2

2

式中 Δp ———皮托管式風速傳感器的輸出壓差,Pa ;

K ———皮托管式風速傳感器放大系數, K值為3 ,一般K ≤2 ;

v ———測點處氣流的速度,m/ s ;

ρ———流體密度,kg/ m3 。

皮托管式風速傳感器由銅管或不銹鋼管制成[2 ] ,其外徑越小對氣流干擾越小,測量精度越高。

一般來說,全壓測孔的總面積應小于測壓管總面積的3 %。為了保證傳感器具有足夠的剛度,一般測壓管的外徑與管道內徑之比在0. 04～0. 09 之間,測壓管上全壓測孔的直徑應是測壓管內徑的0. 2～0. 3 倍,且應在0. 5～1. 5 mm 之間。皮托管式風速傳感器應具有抗堵塞性、抗偏流性和抗破壞性的能力。

在我國常用的幾種皮托管式風速傳感器的基本結構和特點見表1 ①。

表1 幾種常用皮托管式風速傳感器基本結構及特點

基本結構及特點

平均風速十字分布,4 測孔布置,全壓、靜壓測管重合,中心抽出

結構一

壓差測管

等面積十字分布,多測孔布局,全壓、靜壓測管呈45°錯位,中心

結構二

抽出壓差測管

等面積一字分布,多測孔布局,全壓、靜壓測管呈90°錯位,端頭

抽出壓差測管,采用大開孔,不易造成測孔堵塞,測管直徑隨

結構三

裝置入口直徑而變化,增加了傳感器抗碰抗拉能力

等面積十字分布,多測孔布局,全壓、靜壓測管重合,端頭抽出壓

差測管,采用大開孔,不易造成測孔堵塞,測管直徑隨裝置入

口直徑而變化,增加了傳感器抗碰抗拉能力,是目前惟一經國

結構四

家空調設備質量監督檢驗中心認證的變風量末端裝置傳感器

結構五

半徑中部十字分布,多測孔布局,中心抽出壓差測管

注:表中所列風速傳感器的測壓管材質均為鋁合金。

如采用標準皮托管,取空氣密度ρ= 1. 2 kg/m3 ,放大系數K = 0. 97 , v = 1 m/ s 時,測得的壓差值是0. 582 Pa 。要將如此小的壓差信號變送為電信號,還要保持其精度,就要采用昂貴的微壓差傳感器。因此不同廠家對皮托管式風速傳感器均采用不同的壓差輸出增幅技術。當K = 3 ,壓差測量范圍為0～200 Pa ,測量精度為全量程3 %時,其誤差值是±6 Pa ,折合成風速為±1. 8 m/ s。對于放大系數為3 的傳感器,1. 8 m/ s 以下的風速信號沒有意義。同樣,當K = 3 ,壓差測量范圍為0～400Pa ,測量精度為全量程3 %時,風速傳感器的誤差值為±12 Pa 。所測量的風速低于2. 58 m/ s 時,其所測得的風速信號沒有意義。

皮托管式風速傳感器的測量范圍為0 <Δp < 0. 4 kPa ,當風速在4～16 m/ s 范圍內時可保證適當的測量精度。采用皮托管作為流速傳感器,應滿足下列要求:

1) 被測流體的流速不能太小,一般要求其全壓測孔處雷諾數大于200 ;

2) 應避免皮托管對被測流體的干擾過大,保證皮托管的直徑與被測管道的直徑之比在0. 04～0. 09 之間;

3) 被測管道的相對粗糙度應不大于0. 01 ;

4) 測量時應保證全壓測孔迎著流體的流動方向,并使其軸線與流體流動方向一致;

5) 防止測壓孔堵塞。

2. 2 螺旋槳風速傳感器

螺旋槳風速傳感器由螺旋槳葉片、傳感器軸、傳感器支架及磁感應線圈等組成①。它利用流動空氣的動能來推動傳感器的螺旋槳旋轉,然后通過螺旋槳的轉速求出流過末端裝置的空氣流速。螺旋槳風速傳感器可以分成平行軸式和垂直軸式兩種形式。

圖1 是一種平行軸式風速傳感器,它由四片葉片組成。傳感器支架內側設置兩組N 極和S 極間隔排列的磁性物質,在不旋轉的螺旋槳支架內側的軸上設置一個固定磁極,當螺旋槳旋轉時,固定磁極就可根據其感知的磁力線的變化,測出螺旋槳在單位時間內的旋轉次數,從而根據傳感器旋轉次數與風速的關系計算出流過末端裝置的風速。

圖1 螺旋槳風速傳感器基本構造 圖2 螺旋槳風速傳感器轉子的轉速與迎面風速的關系

圖2為該傳感器轉子的轉速與迎面風速的關系曲線。

螺旋槳風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。且不像皮托管式風速傳感器的測壓孔可能被空氣中的灰塵堵塞而失去測速作用,可靠性高。螺旋槳葉片的形狀和表面光潔度,轉子的質量以及轉子軸承的阻力均影響風速測量性能。

螺旋槳風速傳感器具有下列特點:

1) 利用磁石環抗磁芯子,不用接觸就能檢測出螺旋槳轉子的轉速,有良好的可靠性和耐久性,使用壽命長;

2) 利用飛散效果使空氣中的塵粒無法附著在葉輪上,使塵粒對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,在制造階段進行了特殊處理,潤滑油分散在軸承中,不需添加潤滑油就可使用,使得軸承和葉輪長軸之間幾乎沒有磨損;

4) 幾乎不需維護和保養。螺旋槳風速傳感器的量程為1～10 m/ s ,全量程范圍內測量精度為±1. 5 % ,誤差為±0. 15m/ s。

2. 3 超聲波式風速傳感器

超聲波式風速傳感器可以分成主動型傳感器、被動型傳感器、渦流(街) 式傳感器、相關式傳感器等類型。表2 為超聲波風速傳感器測速原理一覽表。

表2 超聲波風速傳感器測速原理

超聲波利用方法

種 類

測定原理

檢測量

相位差

時間差

直接利用

主動型

順流、逆流超聲波傳播速度差

頻率差

被動型

流體的發聲

聲音的大小

渦流(街) 式

卡門渦流

通過波振幅

間接利用

相關式

流體的湍流程度

振幅及其相位

圖3 為日本某公司為其變風量裝置專門開發的超聲波

風速傳感器②。這是一種卡門渦街式風速傳感器。它由

超聲波發生器、渦流發生器、超聲波接收器、發生器導

線、接收器導線以及外殼等組成,傳感器本體采用ABS

制作。其構造見圖3 。

圖3 卡門渦街式風速傳感器構造

黏性流體圍繞圓柱體流動。當流體速度很小時,流體的前駐點速度為零,流體繞圓柱左右兩側

流動。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,后駐點速度為零。此時的流動與理想流體繞圓柱體流動相同。

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。當流體的雷諾數再增大,圓柱體后半部附面層中的流體微團受到更大的阻滯時,就會在附面層的分離點處產生一對旋轉方向相反的對稱渦旋,稱為卡門渦旋。

對于圓柱型渦旋發生體,當雷諾數在3 ×102～2 ×105范圍內時,穩定的卡門渦街的渦旋脫落頻率與流體速度成正比,其表達式為

f ≈ 0. 2 v

d

式(2) 也可寫成:

S r = f ≈ 0. 2

dv

式中 S r 稱為斯特勞哈爾數,是個常數,約等于0. 2 。當雷諾數更大時,圓柱體周圍的邊界層將變成湍流,不符合渦街的穩定條件。

該公司變風量末端裝置超聲波風速傳感器頻率與風速的關系見圖4 。

渦旋發生體形狀多種多樣,但必須具有相同的基本要求:

1) 為了產生渦旋,要有鈍的(非流線型) 截面形狀;

2) 使流體的流動接近二維流動,渦旋發生體上下截面相同,且左右對稱;

3) 邊界層分離點固定,使斯特勞哈爾數恒定。

該公司變風量末端裝置所用超聲波風速傳感器具有較高的測量精度。風速在1～5 m/ s 范圍內時,傳感器單體測量誤差在1. 5 %以內,誤差為±0. 375 m/ s。具有理想的比例特性,依靠超聲波(40 Hz) 的自清洗作用,傳感器本身不會附著灰塵,不受流體溫濕度的影響,沒有機械運動部件。設計使用壽命長達1 ×105 h ,法定使用年限為10 a。

2. 4 霍耳效應電磁風速傳感器

在半導體上通電并將其置于磁場中,如果磁場與電流的方向垂直,則在磁場的作用下,載流子(電子或空穴) 的運動方向發生偏轉。在垂直于電流和磁場的方向上就會形成電荷積累,出現電勢差。其輸出電壓與磁場強度成正比。這一現象稱為霍耳效應( Hall effect) 。

盡管人們早在1879 年就知道了霍耳效應,但直到20 世紀60 年代末,隨著CMOS(complementary metalOoxide semiconductor ,互補性氧化金屬半導體) 技術的不斷發展,出現了具有成本低、質量好、性能可靠、體積小等多種優點的霍耳傳感器。芯片集成技術的發展,減少了電壓偏置與漂移問題。霍耳效應電磁傳感器能較好地應用于一些較惡劣如受灰塵、溫度、振動及其他與環境相關因素影響的場合。

霍耳效應電磁風速傳感器將霍耳元件固定在傳感器支架上,將永磁鐵安裝在風動簧片上(倒過來也可以) 。風速推動簧片變形,改變霍耳元件與永磁鐵的距離。霍耳元件與永磁鐵距離的改變,改變了加在霍耳元件上的磁場,從而引起霍耳元件感應電壓的改變。霍耳元件感應電壓的改變量經反向放大電路放大,變為霍耳效應電磁風速傳感器的輸出電壓。風速越大,霍耳元件與永磁鐵的距離越遠,霍耳元件感應電壓越小,反向放大電路的輸出越大,霍耳效應電磁風速傳感器的輸出電壓也越大。

圖5 是日本另一公司變風量末端裝置所用霍耳效應電磁風速傳感器①。圖6 是霍耳效應電磁風速傳感器風速與輸出電壓的關系。這種傳感器構造簡單,無磨損件,抗灰塵。缺點是彈性簧片的彈性決定了風速傳感器的測量精度和耐用性。簧片的形狀和彈性及表面光潔度均影響風速測量性能。簧片彈性的耐久性越好,傳感器的耐用性越好。該風速傳感器的量程為1～20m/ s ,全量程范圍內測量精度為±1. 1 % ,誤差為±0. 22 m/ s。

1風動簧片 2傳感器支架 3霍爾元件

4 永磁鐵 5 保護框 6 屏蔽導線

2. 5 熱線、熱膜式風速傳感器

熱線式風速傳感器是以熱絲(鎢絲或鉑絲) 或是以熱膜(鉑或鉻制成薄膜) 為探頭,裸露在被測空氣中,并將它接入惠斯頓電橋,通過惠斯頓電橋的電阻或電流的平衡關系,檢測出被測截面空氣的流速。熱膜式風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,其強度比金屬熱線絲高。

當空氣溫度穩定不變時,熱絲上的耗電功率等于熱絲在空氣中瞬時耗去的熱量。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,表現為線性關系。放熱系數與氣流速度有關,流速越大,對應的放熱系數也越大,即散熱快;流速小,則散熱慢。

熱線、熱膜式風速傳感器所測氣流速度是電流與電阻的函數。將電流(或電阻) 保持不變,所測氣流速度僅與電阻(或電流) 一一對應。熱線式風速傳感器有恒流與恒溫兩種設計電路。恒溫式熱線風速傳感器較為常用。恒溫法原理是測量過程中保持熱絲溫度恒定,使電橋平衡,此時熱絲電阻保持不變,氣流速度只是電流的單值函數,根據已知的氣流速度與電流的關系可求得通過末端裝置的氣流速度。

恒流式熱線風速傳感器在測量過程中保持流經熱絲的電流值不變。當電流值不變時,氣流速度僅僅與熱絲電阻有關。根據已知的氣流速度與熱絲電阻的關系可求得通過風速傳感器的氣流速度。熱線式風速傳感器有X 形、V 形以及平行形等種類。熱線式風速傳感器可測量脈動風速。恒流式風速傳感器熱慣性較大,恒溫式風速傳感器的熱慣性相對較小,具有較高的速度響應。熱線式風速傳感器的測量精度均不很高,使用時要注意溫度補償。

圖7 為一種熱線式風速傳感器①。這種熱線式風速傳感器屬于恒溫式風速傳感器。在傳感器的基座上設有兩個熱電阻,對其中一個熱電阻加熱,使兩個熱電阻之間的溫差保持在20 ℃。通過檢測熱線風速傳感器的電壓獲得流經風速傳感器的風量。

圖8 為該熱線式風速傳感器的電壓與風速的關系。該熱線式風速傳感器的風速測量范圍為0～10 m/ s ,推薦風速為7. 5 m/ s。使用溫度范圍0～60 ℃。風量檢測誤差在±5 %以內。

3 各種風速傳感器的性能參數比較(見表3)

表3 各種風速傳感器性能參數比較

流速范圍/

精度/

名 稱

原 理

(m/ s)

%

使用場合

壓力式風速傳感

器(皮托管等)

根據伯努利定理, 測得動壓值求出截面平均風速

≥3

風速較小時精度較差,適用于較干凈的氣流,進口處要有一定的穩定段

風車型風速傳感器

根據流體推動葉輪旋轉次數求得截面風速

1～10

1. 5

適用于有顆粒的氣流

熱線、熱膜式風速傳感器

根據惠斯頓電橋平衡原理,測出電流或電阻值求得截面風速

1～9

5

精度稍低,需溫度校正,適用于有顆粒的氣流

超聲波式風速傳感器

根據發生渦旋頻率求得截面風速

1～25

1. 5

不受溫濕度影響,可用于有顆粒的氣流中

霍耳效應風速傳感器

通過霍耳元件感應電壓

變化求得截面風速

0～20

1. 1

可應用于受灰塵、溫度、振動及其他環境因素影響的場合

4 變風量末端裝置選型及系統設計要點

根據配置風速傳感器不同,變風量末端裝置可以分成兩類,一類是以歐美和我國變風量末端裝置廠家為代表的配置皮托管式風速傳感器的高速變風量末端裝置,另一類是以日本各廠家為代表的采用非皮托管式風速傳感器的低速變風量末端裝置。

因此,設計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量末端裝置。當采用高速變風量末端裝置時,設計風速應控制在12～16m/ s 范圍內,最小風速必須大于4 m/ s。末端裝置不宜選擇過大,如選型過大,風閥處于小開度范圍,裝置調節范圍縮小,調節精度降低,尤其在最小風量運行時,精度沒法保證,空調房間可能出現溫度波動現象。當采用低速變風量末端裝置時,設計風速可控制在6～8 m/ s 范圍內,最小風速大于產品樣本要求的數值即可。

變風量空調系統設計時,系統接末端裝置支風管的設計風速必須與所選用的末端裝置風速要求一致。當實際所購末端裝置與設計末端裝置不一致時,須調整支管管道尺寸。如設計時采用日本公司的低速變風量末端裝置,實際訂貨是美國公司的高速變風量末端裝置,則原先設計的平均風速為6m/ s 的矩形支風管必須改成設計風速為12 m/ s 以上的圓形支風管,且在接入末端裝置之前有一定長度的直管段。

5 結語

各種變風量末端裝置的主要差別在于其所用的風速傳感器,不同的風速傳感器有其不同的風速測量范圍和測量精度。設計人員只有充分了解所用的變風量末端裝置的基本參數及性能才能設計出合理、高效、節能的變風量空調系統。