变风量末端装置风速传感器的基本原理及其应用
1概述
变风量末端装置是变风量空调系统的主要设备之一。风速传感器又是变风量末端装置的关键部件,因此,风速传感器的类型与性能直接影响系统风量的检测和控制质量。风速传感器一般由各末端装置生产厂家自行开发或委托控制设备商配套生产。风速传感器品种繁多,最常用的是皮托管式风速传感器,超声波涡旋式风速传感器,螺旋桨风速传感器和热线、热膜式风速传感器等。
目前,我国及欧美各厂家的变风量末端装置均采用皮托管式风速传感器,而日本各厂家无一采用皮托管式风速传感器。风速测量的方法多种多样,风速检测范围、精度要求、使用要求都是选择风速传感器的主要依据。风速测量方法有气压法、机械法与散热率法等。气压法是通过测量全压和静压的差值求得风速,如皮托管式风速传感器;机械法是利用流体的动压推动机械装置旋转来求得风速,如螺旋桨风速传感器;散热率法利用流速与散热率成对应关系的原理,通过测量相等散热量的时间,或测温度变化,或保持原温度的加热电流量的变化来确定风速。
随着现代科学技术的发展,激光、超声波等一些新式的风速传感器也在风速检测中使用。
2风速传感器的基本原理
2.1皮托管式风速传感器
皮托管是测压管,由于其结构简单,使用方便,理论研究完善而得到广泛应用。皮托管根据流体流动引起的压差进行流速检测。
标准皮托管是一根弯成直角的金属细管,它由感测头、外管、内管、管柱与全压、静压引出导管等组成。在皮托管头部的顶端,迎着来流开有一个小孔,小孔平面与流体流动方向垂直。在皮托管头部靠下游的地方,环绕管壁的外侧又开了多个小孔,流体流动的方向与这些小孔的孔面相切。顶端的小孔与侧面的小孔分别与两条互不相通的管路相连。进入皮托管顶端小孔的气流压力(称为全压),除了流体本身的静压,还含有流体滞止后由动能转变来的那部分压力,而进入皮托管侧面小孔的气流压力仅仅是流体的静压,根据全压和静压即可求出动压,从而求出风速。用皮托管只能测量某一点处的流速,而流体在管道中流动时,同一截面上各点的流速各不相同。
在变风量末端装置中,由于管道截面较大,测量某一点的流速不能反映该截面的平均流速。实际上,人们采用一种变形的皮托管即均速管来测量流经末端装置的风速,对被测截面上各测点的动压取平均值,求取平均流速。
均速管也称为阿纽巴。一般用于圆形管道,用一根细的管子插入变风量装置的入口,将被测截面分成若干区域,在每个区域中心位置的细管上开小孔作为测点,迎着气流方向,这些孔就是全压测孔,同时,在另一根相同截面的细管的背流方向开一个或多个静压测压孔。变风量末端装置的皮托管式风速传感器本身不输出电信号,只能输出压差信号。用皮托管式风速传感器测出的压差与空气流速呈二次曲线关系,其数学表达式Δp=Kρv2
式中Δp———皮托管式风速传感器的输出压差,Pa;
K———皮托管式风速传感器放大系数,K值最大为3,一般K≤2;
v———测点处气流的速度,m/s;
ρ———流体密度,kg/m3。
皮托管式风速传感器由铜管或不锈钢管制成,其外径越小对气流干扰越小,测量精度越高。
一般来说,全压测孔的总面积应小于测压管总面积的3%。为了保证传感器具有足够的刚度,一般测压管的外径与管道内径之比在0.04～0.09之间,测压管上全压测孔的直径应是测压管内径的0.2～0.3倍,且应在0.5～1.5mm之间。皮托管式风速传感器应具有抗堵塞性、抗偏流性和抗破坏性的能力。
2.2螺旋桨风速传感器
螺旋桨风速传感器由螺旋桨叶片、传感器轴、传感器支架及磁感应线圈等组成①。它利用流动空气的动能来推动传感器的螺旋桨旋转,然后通过螺旋桨的转速求出流过末端装置的空气流速。螺旋桨风速传感器可以分成平行轴式和垂直轴式两种形式。
螺旋桨风速传感器具有下列特点:1)利用磁石环抗磁芯子,不用接触就能检测出螺旋桨转子的转速,有良好的可靠性和耐久性,使用寿命长;
2)利用飞散效果使空气中的尘粒无法附着在叶轮上,使尘粒对传感器部件的影响减至最小;
3)轴承采用性能良好的树脂制作,在制造阶段进行了特殊处理,润滑油分散在轴承中,不需添加润滑油就可使用,使得轴承和叶轮长轴之间几乎没有磨损;
4)几乎不需维护和保养。螺旋桨风速传感器的量程为1～10m/s,全量程范围内测量精度为±1.5%,最大误差为±0.15m/s。
2.3超声波式风速传感器
超声波式风速传感器可以分成主动型传感器、被动型传感器、涡流(街)式传感器、相关式传感器等类型。
2.4霍耳效应电磁风速传感器
在半导体上通电并将其置于磁场中,如果磁场与电流的方向垂直,则在磁场的作用下,载流子(电子或空穴)的运动方向发生偏转。在垂直于电流和磁场的方向上就会形成电荷积累,出现电势差。其输出电压与磁场强度成正比。这一现象称为霍耳效应(Halleffect)。
尽管人们早在1879年就知道了霍耳效应,但直到20世纪60年代末,随着CMOS(complementarymetalOoxidesemiconductor,互补性氧化金属半导体)技术的不断发展,出现了具有成本低、质量好、性能可靠、体积小等多种优点的霍耳传感器。芯片集成技术的发展,减少了电压偏置与漂移问题。霍耳效应电磁传感器能较好地应用于一些较恶劣如受灰尘、温度、振动及其他与环境相关因素影响的场合。
霍耳效应电磁风速传感器将霍耳元件固定在传感器支架上,将永磁铁安装在风动簧片上(倒过来也可以)。风速推动簧片变形,改变霍耳元件与永磁铁的距离。霍耳元件与永磁铁距离的改变,改变了加在霍耳元件上的磁场,从而引起霍耳元件感应电压的改变。霍耳元件感应电压的改变量经反向放大电路放大,变为霍耳效应电磁风速传感器的输出电压。风速越大,霍耳元件与永磁铁的距离越远,霍耳元件感应电压越小,反向放大电路的输出越大,霍耳效应电磁风速传感器的输出电压也越大。
这种传感器构造简单,无磨损件,抗灰尘。缺点是弹性簧片的弹性决定了风速传感器的测量精度和耐用性。簧片的形状和弹性及表面光洁度均影响风速测量性能。簧片弹性的耐久性越好,传感器的耐用性越好。该风速传感器的量程为1～20m/s,全量程范围内测量精度为±1.1%,最大误差为±0.22m/s。
热线式风速传感器是以热丝(钨丝或铂丝)或是以热膜(铂或铬制成薄膜)为探头,裸露在被测空气中,并将它接入惠斯顿电桥,通过惠斯顿电桥的电阻或电流的平衡关系,检测出被测截面空气的流速。热膜式风速传感器的热膜外涂有极薄的石英膜绝缘层,以便和流体绝缘,并可防止污染,可在带有颗粒的气流中工作,其强度比金属热线丝高。
当空气温度稳定不变时,热丝上的耗电功率等于热丝在空气中瞬时耗去的热量。热丝电阻随温度而变化,热线的电阻和热线温度在通常温度范围(0～300℃)之内,表现为线性关系。放热系数与气流速度有关,流速越大,对应的放热系数也越大,即散热快;流速小,则散热慢。
热线、热膜式风速传感器所测气流速度是电流与电阻的函数。将电流(或电阻)保持不变,所测气流速度仅与电阻(或电流)一一对应。热线式风速传感器有恒流与恒温两种设计电路。恒温式热线风速传感器较为常用。恒温法原理是测量过程中保持热丝温度恒定,使电桥平衡,此时热丝电阻保持不变,气流速度只是电流的单值函数,根据已知的气流速度与电流的关系可求得通过末端装置的气流速度。
恒流式热线风速传感器在测量过程中保持流经热丝的电流值不变。当电流值不变时,气流速度仅仅与热丝电阻有关。根据已知的气流速度与热丝电阻的关系可求得通过风速传感器的气流速度。热线式风速传感器有X形、V形以及平行形等种类。热线式风速传感器可测量脉动风速。恒流式风速传感器热惯性较大,恒温式风速传感器的热惯性相对较小,具有较高的速度响应。热线式风速传感器的测量精度均不很高,使用时要注意温度补偿。
3变风量末端装置选型及系统设计要点
根据配置风速传感器不同,变风量末端装置可以分成两类,一类是以欧美和我国变风量末端装置厂家为代表的配置皮托管式风速传感器的高速变风量末端装置,另一类是以日本各厂家为代表的采用非皮托管式风速传感器的低速变风量末端装置。
因此,设计人员在末端装置选型之前,必须确定采用高速还是采用低速变风量末端装置。当采用高速变风量末端装置时,设计风速应控制在12～16m/s范围内,最小风速必须大于4m/s。末端装置不宜选择过大,如选型过大,风阀处于小开度范围,装置调节范围缩小,调节精度降低,尤其在最小风量运行时,精度没法保证,空调房间可能出现温度波动现象。当采用低速变风量末端装置时,设计风速可控制在6～8m/s范围内,最小风速大于产品样本要求的数值即可。
变风量空调系统设计时,系统接末端装置支风管的设计风速必须与所选用的末端装置风速要求一致。当实际所购末端装置与设计末端装置不一致时,须调整支管管道尺寸。如设计时采用日本公司的低速变风量末端装置,实际订货是美国公司的高速变风量末端装置,则原先设计的平均风速为6m/s的矩形支风管必须改成设计风速为12m/s以上的圆形支风管,且在接入末端装置之前有一定长度的直管段。
4结语
各种变风量末端装置的主要差别在于其所用的风速传感器,不同的风速传感器有其不同的风速测量范围和测量精度。设计人员只有充分了解所用的变风量末端装置的基本参数及性能才能设计出合理、高效、节能的变风量空调系统。