CN104391135A - 一种基于激光多普勒微风速校准装置及其校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种基于激光多普勒微风速校准装置及其校准方法，基于激光多普勒微风速校准装置，所述校准装置包括依次连接的：气流入口稳定段、气流过滤阻尼段、示踪粒子发生段、收缩段、高低速工作段、标准流量工作段、动力和风机段、高效过滤段。所述示踪粒子发生段主要包括示踪粒子发生器、示踪粒子注入口、扩散孔板，示踪粒子发生器连接示踪粒子注入口，示踪粒子发生器为气溶胶发生器；气溶胶发生器产生的示踪粒子通过扩散孔板均匀分布管道内，保证激光测速仪LDV测试时的稳定和可靠性。本发明提出的基于激光多普勒微风速校准装置及其校准方法，可对微风速的准确、有效的测量，安全可靠，操作性强。

Description

一种基于激光多普勒微风速校准装置及其校准方法

技术领域

本发明属于风速校准技术领域，涉及一种风速校准装置，尤其涉及一种基于激光多普勒微风速校准装置；同时，本发明还涉及一种基于激光多普勒微风速校准方法。

背景技术

风速仪主要运用在暖通行业、工业生产等领域，可用于测量管道风，废气排放、调节工艺生产等场合。其中热线风速仪常应用于微风测量，主要应用于医疗卫生(卫生监督所、疾病预防控制中心)，医药(GMP认证)、微电子、洁净技术等行业。但对于极低速度(小于1m/s)的测量仍是热线风速仪研究的难题。尤其，在风洞中很难实现对低风速的控制，因而近年来很多学者对低风速风洞展开了研究，目的是为了获得更加准确和低的风速，以提高风速仪的校准精度。

路建玲、吴虎彪等人研究的一种负压式微风速标定装置的试验。他们通过理论分析，研制了一种负压式微风速标定装置,并对其在微风速下进行了4种工况的标定试验，试验时,通过变频器调节离心风机的频率，设定标准风道内的风速，由倾斜式微压差计读出标准流量管的静压差。同时读取大气压力，环境温度和相对湿度，输入到自行开发的计算程序中，得到标准风道的轴心风速，并通过改变测点到管道轴心的设置距离，可以得到各测点位置的理论计算风速。SantiagoPezzotti,Juan I.D’Iorio,Vicente Nadal-Mora等人设计了风速在0.2～1.25m/s范围内的风速计校准风洞。为了校准在低速范围内(0.2～1.25m/s)不同类型的风速计，他们设计了包含低速和高速部分的风洞，分别使用压力测量。风洞标定是通过比较测试截面(低速)和参考截面(高速)的空气速度。在测试界面采用了热线风速仪，在参考界面采用了道达尔和静态探测。通过在相同条件下实验得到的测试风速和参考风速进行理论分析，得到它们之间的关系V_r＝11.56V_t(Vr是参考速度，Vt是实测速度)。

然而上述研究中的校准标准的最低风速只能达到0.5m/s，而市场上仪表的最低量程均在0.5m/s以下，最低可达0.1m/s。主要风洞校准装置最低风速为0.2m/s，因无微风速的标准源，其均以测定轴心速度高风速后通过面积的转换成低风速而定，形成的转换速度公式据流体力学的理论而定。基于以上分析，如何研究一套既能提供微风速风洞装置，又可作为提供微风速的标准源系统？这理所当然的成为了当今科技领域的又一大难题和挑战。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于激光多普勒微风速校准装置，可对微风速的准确、有效的测量，安全可靠，操作性强。

此外，本发明还提供基于激光多普勒微风速校准装置的校准方法，可对微风速的准确、有效的测量，安全可靠，操作性强。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种基于激光多普勒微风速校准装置，所述校准装置包括依次连接的：气流入口稳定段、气流过滤阻尼段、示踪粒子发生段、收缩段、高低速工作段、标准流量工作段、动力和风机段、高效过滤段；

所述气流入口稳定段的内部还安装有进口喇叭口、蜂窝器；气流入口稳定段内的蜂窝器用于导向和分割气流大旋涡，有利于加快旋涡的衰减；由于蜂窝器管道对气流的摩擦作用，也有利于改善气流的速度分布，并在一定程度上降低气流的湍流度；蜂窝器的蜂窝格子为六角形截面；

所述气流过滤阻尼段设有高效过滤器、阻尼网，利用高效过滤器过滤空气中的大部分颗粒，保证进入低风速段的空气清洁度，以便示踪粒子发生器发生的粒子符合激光测速仪LDV的要求；同时高效过滤器起到阻尼网作用；由于气流通过阻尼网时在轴向产生压降，从而使气流的轴向速度分布的均匀性得到改善；

所述示踪粒子发生段主要包括示踪粒子发生器、示踪粒子注入口、扩散孔板，示踪粒子发生器连接示踪粒子注入口，示踪粒子发生器为气溶胶发生器；气溶胶发生器产生的示踪粒子通过扩散孔板均匀分布管道内，保证激光测速仪LDV测试时的稳定和可靠性；

所述收缩段用于均匀加速气流，使气流达到实验段所需要的流速；

所述高低速工作段选用方形、透明段，能适应激光多普勒系统的非接触式测量，并且配备夹具移测支架；低速段范围0.15～3m/s，高速段范围3.0～30m/s；

所述标准流量工作段主要采用组合标准喷嘴测量空气流量，可测范围40～3500m3/h，测量精度标准小于2％，该标准流量工作段还用于对激光多普勒测速仪测得的流速进行辅助校准，风量罩的校准；

所述动力和风机段中内置可增加气流压力能的风机，即电机和风机系统；风扇通过旋转使气流压力能增加，即通过电机和风机系统，把电能转变为机械能输送给管路内的气流，以补偿管路内气流的沿程损失和局部损失，达到气流稳定流动；改变风扇的转速可调节气流的速度，动力段的整流装置包括整流罩,风机前导流叶片和风机后导流片。；

所述高效过滤段设有风机，风机末端带高效过滤排放，避免粒子对实验室环境的污染。

一种基于激光多普勒微风速校准装置，所述校准装置包括依次连接的：气流入口稳定段、气流过滤阻尼段、示踪粒子发生段、收缩段、高低速工作段、标准流量工作段、动力和过滤段、高效过滤段。

作为本发明的一种优选方案，所述气流入口稳定段的内部还安装有进口喇叭口、蜂窝器；气流入口稳定段内的蜂窝器用于导向和分割气流大旋涡，有利于加快旋涡的衰减；

作为本发明的一种优选方案，所述蜂窝器的蜂窝格子为六角形截面。

作为本发明的一种优选方案，所述气流过滤阻尼段设有高效过滤器、阻尼网，利用高效过滤器过滤空气中的大部分颗粒，保证进入低风速段的空气清洁度，以便示踪粒子发生器发生的粒子符合激光测速仪LDV的要求；同时高效过滤器起到阻尼网作用；由于气流通过阻尼网时在轴向产生压降，从而使气流的轴向速度分布的均匀性得到改善。

作为本发明的一种优选方案，所述示踪粒子发生段主要包括示踪粒子发生器、示踪粒子注入口、扩散孔板，示踪粒子发生器连接示踪粒子注入口，示踪粒子发生器为气溶胶发生器；气溶胶发生器产生的示踪粒子通过扩散孔板均匀分布管道内，保证激光测速仪LDV测试时的稳定和可靠性。

作为本发明的一种优选方案，所述高低速工作段选用方形、透明段，能适应激光多普勒系统的非接触式测量，并且配备夹具移测支架；低速段范围0.15～3m/s，高速段范围3.0～30m/s。

作为本发明的一种优选方案，所述动力和过滤段中内置可增加气流压力能的风扇，即电机和风扇系统；风扇通过旋转使气流压力能增加，即通过电机和风扇系统，把电能转变为机械能输送给管路内的气流，以补偿管路内气流的沿程损失和局部损失，达到气流稳定流动；改变风扇的转速可调节气流的速度，动力段的整流装置包括整流罩,风扇前导流叶片和风扇后导流片。

作为本发明的一种优选方案，所述收缩段用于均匀加速气流，使气流达到实验段所需要的流速；

所述标准流量工作段主要采用组合标准喷嘴测量空气流量，可测范围40～3500m3/h，测量精度标准小于2％，该标准流量工作段还用于对激光多普勒测速仪测得的流速进行辅助校准，风量罩的校准；

所述高效过滤段设有风机，风机末端带高效过滤排放，避免粒子对实验室环境的污染。

一种上述基于激光多普勒微风速校准装置的校准方法，所述方法包括如下步骤：

步骤S1、气体由锥体吸入口吸入，进入气流入口稳定段；随之，气流经过内部安装的进口喇叭口、六角形截面蜂窝器，蜂窝器可分割大旋涡气流，有利于加快旋涡的衰减；

步骤S2、气流过滤阻尼段中，高效过滤器优先隔离气流中的大部分颗粒物，同时阻尼网产生的轴向压降可有效改善气流轴向速度分布；

步骤S3、示踪粒子发生段中，气溶胶发生器产生的示踪粒子通过扩散孔板均匀分布管道内，保证了激光测速仪LDV测试时的稳定和可靠性；

步骤S4、之后，气流通过收缩段，以均匀、加速气流，使气流达到实验段所需要的流速；

步骤S5、与之相连的则是方形，透明的高低速工作段，能较好的适应激光多普勒系统的非接触式测量，且配备了夹具移测支架；其低速段范围和高速段范围分别是0.15～3m/s和3.0～30m/s，有效保证了测速的精准度及适用性；

步骤S6、在标准流量工作段6中，主要采用组合标准喷嘴测量空气流量，对速度为40～3500m3/h的气流均可准确测量，测量精度标准小于2％；此外，该标准流量段还可用于对激光多普勒测速仪测得的流速进行辅助校准，风量罩等的校准；

步骤S7、最后，气流将经过动力和风机段，内置可增加气流压力能的风机，即电机和风机系统，可将电能转变为机械能输送给管路内的气流，以补偿管路内气流的沿程损失和局部损失，使气流稳定流动；

步骤S8、风机末端带高效过滤排放，避免粒子对实验室环境的污染。

本发明的有益效果在于：本发明提出的基于激光多普勒微风速校准装置，既实现了利用激光多普勒技术(LDV)对微风速的准确、有效的测量，提供了微风速风洞装置，又可实现对激光多普勒测速仪测得流速进行辅助校准，风量罩等的校准，作为提供微风速的标准源系统，安全可靠，操作性强。

附图说明

图1为本发明一种基于激光多普勒微风速校准装置整体结构示意图。

附图标记如下：

1－气流入口稳定段； 2－气流过滤阻尼段； 3－示踪粒子发生段；

4－收缩段；         5－高低速工作段；   6－标准流量段；

7－动力和过滤段；   8－高效过滤段；     9－风机；

10－高速段视窗；    11－低速段视窗；    12－测试孔；

13－整流段；         14－支架；          15－多孔板；

16－气溶胶发生器；   17－阻尼网；        18－高效过滤器；

19－扩散孔板；       20－可更换测孔

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

实施例一

本发明揭示了一种基于激光多普勒微风速校准装置，其核心技术为激光多普勒测速技术(LDV)，既可作为微风速风洞装置，又可作为微风速的标准源系统，功能齐全，操作性强，精确度高，可控性好。如结构示意图所示，该装置从左至右可分为气流入口稳定段，气流过滤阻尼段，示踪粒子发生段，收缩段，高低速工作段，标准流量工作段，动力和过滤段，高效过滤段，共8个组成部分。激光多普勒测速技术(LDV)，一种无干扰流场测量技术的应用，保证了各种恶劣的流场如高温高压或腐蚀性流体对测量也无影响。被测流体速度与多普勒频率之间是一个线性关系式，不需要校准，准确度极高，可提供微风速风洞装置。气体由外至内先后经过锥体吸入口，高效过滤器和六角形截面的蜂窝器，有利于气体的扩散，整流和稳定，同时有效的隔离外来的污染气流，保证了气溶胶示踪粒子发生器的准确性。设计包括低风速段(0.15m/s～0.30m/s)和高风速段(0.30m/s～30m/s)，设置了激光多普勒可视窗(透明段)，标准流量段主要采用组合标准喷嘴，可测空气流量范围为40～3500m3/h，可用于激光多普勒测速仪测得流速进行辅助校准，风量罩等的校准，可作为提供微风速的标准源系统。此外，末端风机的设置可增加气流压力能，以稳定气流，风机末端带高效过滤排放，避免了粒子对实验室环境的污染。

请参阅图1，本发明基于激光多普勒微风速校准装置包括气流入口稳定段1，气流过滤阻尼段2，示踪粒子发生段3，收缩段4，高低速工作段5，标准流量工作段6，动力和过滤段7，高效过滤段8，共8个组成部分。以下对各个部分进行分别介绍。

1)气流入口稳定段：主要用来提高气流均匀度，降低湍流度，其内部还安装有进口喇叭口、蜂窝器。风洞稳定段内的蜂窝器可用于导向和分割气流大旋涡，因而有利于加快旋涡的衰减。同时，由于蜂窝器管道对气流的摩擦作用，也有利于改善气流的速度分布，并在一定程度上降低气流的湍流度。

蜂窝器的蜂窝格子有圆形截面、方形截面和六角形截面等。本处采用六角形截面的蜂窝器，既避免了方形截面蜂窝器直角处边界层易卷起旋涡；气流流动的均匀性也较好，压力损失较小，较为理想。

2)气流过滤阻尼段：利用高效过滤器过滤空气中的大部分颗粒，保证进入低风速段的空气清洁度，以便示踪粒子发生器发生的粒子符合激光测速仪(LDV)的要求。同时过滤器起到阻尼网作用，阻尼网降低轴向湍流度比降低横向湍流度效果要好。由于气流通过阻尼网时在轴向产生了较大的压降，从而使气流的轴向速度分布的均匀性得到了明显的改善。

3)示踪粒子发生段：示踪粒子发生段主要包括示踪粒子注入口，以便示踪粒子进入测试流体，粒子扩散孔，粒子均匀孔板保证示踪粒子能均匀分布管道内，保证激光测速仪(LDV)测试时的稳定和可靠性。

4)收缩段：用于均匀加速气流，使气流达到实验段所需要的流速。收缩段的长度不宜过长，这主要是从设备的造价来考虑的；同时也不能过短，以免气流出现不均匀甚至发生分离。

5)高低速工作段：高低速工作段选用方形、透明段，能适应激光多普勒系统的非接触式测量，并且配备夹具移测支架。(低速段范围0.15～3m/s，高速段范围3.0～30m/s。)

6)标准流量工作段：主要采用组合标准喷嘴测量空气流量，可测范围40～3500m3/h，测量精度标准小于2％，该标准流量段可用于对激光多普勒测速仪测得的流速进行辅助校准，风量罩等的校准。

7)动力和风机段：该段中，动力和风机段中内置可增加气流压力能的风机，即电机和风机系统；风机通过旋转使气流压力能增加，即通过电机和风机系统，把电能转变为机械能输送给管路内的气流，以补偿管路内气流的沿程损失和局部损失，达到气流稳定流动；改变风扇的转速可调节气流的速度，动力段的整流装置包括整流罩,风机前导流叶片和风机后导流片。

8)高效过滤段：风机末端带高效过滤排放，避免粒子对实验室环境的污染。

本发明基于激光多普勒微风速校准装置的工作过程如下：首先气体由锥体吸入口吸入，进入气流入口稳定段1，可提高气流均匀度，降低湍流度，随之，气流经过内部安装的进口喇叭口、六角形截面蜂窝器。蜂窝器可分割大旋涡气流，有利于加快旋涡的衰减。气流过滤阻尼段中，高效过滤器18优先隔离气流中的大部分颗粒物，同时阻尼网17产生的轴向压降可有效改善气流轴向速度分布。示踪粒子发生段3中，气溶胶发生器16产生的示踪粒子通过扩散孔板19均匀分布管道内，保证了激光测速仪(LDV)测试时的稳定和可靠性。之后，气流通过收缩段4，以均匀、加速气流，使气流达到实验段所需要的流速。与之相连的则是方形，透明的高低速工作段，能较好的适应激光多普勒系统的非接触式测量，且配备了夹具移测支架。其低速段范围和高速段范围分别是0.15～3m/s和3.0～30m/s，有效保证了测速的精准度及适用性。在标准流量工作段6中，主要采用组合标准喷嘴测量空气流量，对速度为40～3500m3/h的气流均可准确测量，测量精度标准小于2％。此外，该标准流量段6还可用于对激光多普勒测速仪测得的流速进行辅助校准，风量罩等的校准。最后，气流将经过动力和过滤段7，内置可增加气流压力能的风扇9，即电机和风扇系统，可将电能转变为机械能输送给管路内的气流，以补偿管路内气流的沿程损失和局部损失，达到气流稳定流动的目的。风机9末端带高效过滤排放8，避免粒子对实验室环境的污染。

综上所述，本发明提出的基于激光多普勒微风速校准装置，既实现了利用激光多普勒技术(LDV)对微风速的准确、有效的测量，提供了微风速风洞装置，又可实现对激光多普勒测速仪测得流速进行辅助校准，风量罩等的校准，作为提供微风速的标准源系统，安全可靠，操作性强。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。

Claims (8)

1.一种基于激光多普勒微风速校准装置，其特征在于，所述校准装置包括依次连接的：气流入口稳定段、气流过滤阻尼段、示踪粒子发生段、收缩段、高低速工作段、标准流量工作段、动力和风机段、高效过滤段；

所述气流入口稳定段的内部还安装有进口喇叭口、蜂窝器；气流入口稳定段内的蜂窝器用于导向和分割气流大旋涡，有利于加快旋涡的衰减；由于蜂窝器管道对气流的摩擦作用，也有利于改善气流的速度分布，并在一定程度上降低气流的湍流度；蜂窝器的蜂窝格子为六角形截面；

所述气流过滤阻尼段设有高效过滤器、阻尼网，利用高效过滤器过滤空气中的大部分颗粒，保证进入低风速段的空气清洁度，以便示踪粒子发生器发生的粒子符合激光测速仪LDV的要求；同时高效过滤器起到阻尼网作用；由于气流通过阻尼网时在轴向产生压降，从而使气流的轴向速度分布的均匀性得到改善；

所述示踪粒子发生段主要包括示踪粒子发生器、示踪粒子注入口、扩散孔板，示踪粒子发生器连接示踪粒子注入口，示踪粒子发生器为气溶胶发生器；气溶胶发生器产生的示踪粒子通过扩散孔板均匀分布管道内，保证激光测速仪LDV测试时的稳定和可靠性；

所述收缩段用于均匀加速气流，使气流达到实验段所需要的流速；

所述高低速工作段选用方形、透明段，能适应激光多普勒系统的非接触式测量，并且配备夹具移测支架；低速段范围0.15～3m/s，高速段范围3.0～30m/s；

所述标准流量工作段主要采用组合标准喷嘴测量空气流量，可测范围40～3500m3/h，测量精度标准小于2％，该标准流量工作段还用于对激光多普勒测速仪测得的流速进行辅助校准，风量罩的校准；

所述动力和过滤段中内置可增加气流压力能的风扇，即电机和风扇系统；风扇通过旋转使气流压力能增加，即通过电机和风扇系统，把电能转变为机械能输送给管路内的气流，以补偿管路内气流的沿程损失和局部损失，达到气流稳定流动；改变风扇的转速可调节气流的速度，动力段的整流装置包括整流罩,风扇前导流叶片和风扇后导流片；

所述高效过滤段设有风机，风机末端带高效过滤排放，避免粒子对实验室环境的污染。

2.一种基于激光多普勒微风速校准装置，其特征在于，所述校准装置包括依次连接的：气流入口稳定段、气流过滤阻尼段、示踪粒子发生段、收缩段、高低速工作段、标准流量工作段、动力和过滤段、高效过滤段。

3.根据权利要求2所述的基于激光多普勒微风速校准装置，其特征在于：

所述气流过滤阻尼段设有高效过滤器、阻尼网，利用高效过滤器过滤空气中的大部分颗粒，保证进入低风速段的空气清洁度，以便示踪粒子发生器发生的粒子符合激光测速仪LDV的要求；同时高效过滤器起到阻尼网作用；由于气流通过阻尼网时在轴向产生压降，从而使气流的轴向速度分布的均匀性得到改善。

4.根据权利要求2所述的基于激光多普勒微风速校准装置，其特征在于：

所述示踪粒子发生段主要包括示踪粒子发生器、示踪粒子注入口、扩散孔板，示踪粒子发生器连接示踪粒子注入口，示踪粒子发生器为气溶胶发生器；气溶胶发生器产生的示踪粒子通过扩散孔板均匀分布管道内，保证激光测速仪LDV测试时的稳定和可靠性。

5.根据权利要求2所述的基于激光多普勒微风速校准装置，其特征在于：

所述高低速工作段选用方形、透明段，能适应激光多普勒系统的非接触式测量，并且配备夹具移测支架；低速段范围0.15～3m/s，高速段范围3.0～30m/s。

6.根据权利要求2所述的基于激光多普勒微风速校准装置，其特征在于：

所述动力和风机段中内置可增加气流压力能的风机，即电机和风机系统；风扇通过旋转使气流压力能增加，即通过电机和风机系统，把电能转变为机械能输送给管路内的气流，以补偿管路内气流的沿程损失和局部损失，达到气流稳定流动；改变风扇的转速可调节气流的速度，动力段的整流装置包括整流罩,风机前导流叶片和风机后导流片。

7.根据权利要求2所述的基于激光多普勒微风速校准装置，其特征在于：

所述收缩段用于均匀加速气流，使气流达到实验段所需要的流速；

所述标准流量工作段主要采用组合标准喷嘴测量空气流量，可测范围40～3500m3/h，测量精度标准小于2％，该标准流量工作段还用于对激光多普勒测速仪测得的流速进行辅助校准，风量罩的校准；

所述高效过滤段设有风机，风机末端带高效过滤排放，避免粒子对实验室环境的污染。

8.一种权利要求1至7之一所述基于激光多普勒微风速校准装置的校准方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤S1、气体由锥体吸入口吸入，进入气流入口稳定段；随之，气流经过内部安装的进口喇叭口、六角形截面蜂窝器，蜂窝器可分割大旋涡气流，有利于加快旋涡的衰减；

步骤S2、气流过滤阻尼段中，高效过滤器优先隔离气流中的大部分颗粒物，同时阻尼网产生的轴向压降可有效改善气流轴向速度分布；

步骤S3、示踪粒子发生段中，气溶胶发生器产生的示踪粒子通过扩散孔板均匀分布管道内，保证了激光测速仪LDV测试时的稳定和可靠性；

步骤S4、之后，气流通过收缩段，以均匀、加速气流，使气流达到实验段所需要的流速；

步骤S5、与之相连的则是方形，透明的高低速工作段，能较好的适应激光多普勒系统的非接触式测量，且配备了夹具移测支架；其低速段范围和高速段范围分别是0.15～3m/s和3.0～30m/s，有效保证了测速的精准度及适用性；

步骤S6、在标准流量工作段6中，主要采用组合标准喷嘴测量空气流量，对速度为40～3500m3/h的气流均可准确测量，测量精度标准小于2％；此外，该标准流量段还可用于对激光多普勒测速仪测得的流速进行辅助校准，风量罩等的校准；

步骤S7、最后，气流将经过动力和风机段，内置可增加气流压力能的风扇，即电机和风机系统，可将电能转变为机械能输送给管路内的气流，以补偿管路内气流的沿程损失和局部损失，使气流稳定流动；

步骤S8、风机末端带高效过滤排放，避免粒子对实验室环境的污染。