激光多普勒风机流速流量特性测量系统

　　一、引言

　　在许多工业应用领域广泛需要流速/流量计量。目前常规生产的流量计有多种工作原理[1],如应用差压原理的孔板流量计、均速管流量计;应用电磁原理的电磁流量计;应用超声原理的超声流量计;应用卡门涡原理的涡街流量计,以及应用容积式原理的涡轮流量计等。它们都需要进行标定,从而受到标定设备精度和条件的制约。

　　要获得管道中的流量,首要的基本测量量是流体速度。如知道了管道中某一截面上空间各点的时均流速分布:

　　就可得到管道的平均流量(m³/s):

　　式中,S是管道截面积。由上式可见,流量是描述单位时间内流过某截面的流体体积。任何特定的流量计都只能反映一定时间间隔内流过一定空间截面的通量。因此,即使精度较高的容积法也难以保证在流量不稳定状态下测量值的准确性。

　　目前工业上大多采用静压皮托管作为测速的标准表来建立流速标准装置[2,3,4,5]。虽然名义上皮托管有较高的校正精度,但实际上它的空间分辨率、动态响应、测量范围等都存在较多问题。

　　采用激光多普勒原理(LDV)的激光流速/流量计,具有精度高、可非接触测量、线性度好、动态响应快等优点。从原理上讲它不需要标定,因而被国际学术界公认为可用作流速标定的装置。德国的技术物理研究所(PTB)曾研制了一套应用LDV标定大流量气体装置。流量范围可达100~4000m³/h,精度可达0.1%[6]。国内建研院空调所曾应用频率跟踪型LDV建立了一套标定热球风速仪风速系统[7]。航空总公司304所在建立LDV检定规程方面也做了不少有益的工作[8]。这都说明利用LDV作为流量或流速的测量具有潜在的优势与需要。

　　二、测量原理与实验系统

　　1.激光多普勒测速原理

　　激光多普勒测速(LDV)是利用随流体运动的微粒对激光散射产生的多普勒频移来测量流体速度[9]。在图1所示双光束光路条件下,多普勒频率fD与流速U有如下关系:

　　式中,λ是激光波长,k是光束交角。由上式可知,由于λ和k是常数,故fD与U成线性关系。流速U的方向为垂直于光束交角的角分线。

　　如果要测量圆形管道的流量,只需测得沿圆管轴线方向的流速分布,就可用积分法获得管流量(见图1a所示)。实际上,由于完全发展的圆管流动其速度剖面有一定规律,所以通常只需测定圆管中心点流速,就能得到管流量。

　　大量实验结果表明,当管雷诺数在2000以下时,充分发展的层流速度分布是抛物线形的,管内的平均流速是中心最大流速的1/2。各点流速与最大流速间的关系可用下式表示: