专利名称：基于热线阵列和智能二维重建算法的流速场测量系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种流速场测量系统，具体属于一种对通风管道内的流体流速进 行测量的系统。
背景技术：
在建筑、电力和钢铁等领域，都涉及到送风系统的应用，该系统需要对通风管道内 的流体流速进行测量，以便准确地计算出流体的流量。目前普遍使用的有皮托管式、螺旋桨 式和霍而效应电磁式等各类流速传感器，它们大多为“点”式传感器。在矩形或圆形流体管 道中，因管道截面上的流速分布(流速场)不均勻，且较为复杂，采用“点”式传感器不能同 时、有效地测量出管道内流速的分布，只能拾取一点的流速来代表截面的平均流速，并依此 来计算管道中流量，这样得到的流体流量误差非常大。这种情况对于建筑通风来说，要么造成过低的通风量影响身体健康、降低工作效 率；要么盲目、过度地增大流量，造成大量的能源浪费。同样，流量无法准确地测量，也会对 电力、钢铁等工业行业造成巨大的浪费或严重的环境污染。
发明内容本实用新型目的是提供一种基于热线阵列和智能二维重建算法的流速场测量系 统，可以准确测量管道内的流速分布，进而准确地计算出实际流量，易于实现全自动、网络 化、高精度的送风系统，对应用领域的节能减排有明显的效果。本实用新型的技术方案是一种基于热线阵列和智能二维重建算法的流速场测量 系统，包括由若干条热线电阻丝排列成的互不相交的热线阵列，所述热线电阻丝设置在管 道内，所述热线阵列外围连接有控制热线电阻丝恒温或恒流的控制电路和测量电路，所述 测量电路得到的测量信号经信号处理电路、模拟/数字转换电路后在数据处理模块中通过 专用模型的二维重建算法处理得到流速场数据，并依此计算出实际流量。本实用新型进一步的技术方案是一种基于热线阵列和智能二维重建算法的流 速场测量系统，包括由若干条热线电阻丝排列成的互不相交的热线阵列，所述热线电阻丝 设置在管道内，所述热线阵列外围连接有控制热线电阻丝恒温或恒流的控制电路和测量电 路，所述测量电路得到的测量信号经信号处理电路、模拟/数字转换电路后在数据处理模 块中通过专用模型的二维重建算法处理得到流速场数据，并依此计算出实际流量；所述热 线阵列可以为互不相交的纵、横阵列；所述热线电阻丝是对温度敏感的电阻；所述测量电 路为数字化调零电桥电路；所述数字化调零电桥电路连接有温度补偿电路。本实用新型更详细的技术方案是一种基于热线阵列和智能二维重建算法的流 速场测量系统，包括由若干条热线电阻丝排列成的互不相交的热线阵列，所述热线电阻丝 设置在管道内，所述热线阵列外围连接有控制热线电阻丝恒温或恒流的控制电路和测量电 路，所述测量电路得到的测量信号经信号处理电路、模拟/数字转换电路后在数据处理模 块中通过专用模型的二维重建算法处理得到流速场的实际流量；所述热线阵列可以为互不相交的纵、横阵列；所述热线电阻丝是对温度敏感的电阻；所述测量电路为数字化调零电 桥电路；所述数字化调零电桥电路连接有温度补偿电路；所述控制电路为闭环电路，且具 有间接补偿功能。本实用新型的优点是本实用新型利用热线阵列来感测通风管道内的流速分布，并结合智能二维重建算 法实现反演处理来获取关于管道内部流速的分布数据，该系统克服了现有“点”式流速传 感器只能测量管道内部一点的流速导致计算流量误差大的弊端，实现管道内流体流速场的 准确测量，进而准确地计算出管道内实际的流量，为在建筑、电力和钢铁等领域中实现全自 动、网络化、高精度的节能送风系统奠定了核心的技术基础，对应用领域的节能减排有着明 显的效果。
以下结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述

图1为本实用新型的系统框图；图2为本实用新型中矩形通风管道中热线阵列的布置示意图。其中1为热线阵列；2为热线电阻丝；3为控制电路；4为数字化调零电桥电路；5 为温度补偿电路；6为信号处理电路；7为模拟/数字转换电路；8为数据处理模块；9为管道。
具体实施方式
实施例一种基于热线阵列和智能二维重建算法的流速场测量系统，如图1、图2 所示，包括由10条热线电阻丝2排列成五纵五横的热线阵列1，它们的截面投影把通风管 道9的截面分割成了 25个测量子区域。所述热线阵列1外围连接有具有间接补偿功能且 控制热线电阻丝2恒温或恒流的闭环控制电路3以及测量电路，所述测量电路为连接有温 度补偿电路5的数字化调零电桥电路4，所述数字化调零电桥电路4得到的测量信号在信号 处理电路6中经过处理放大后进入模拟/数字转换电路7中，最后在数据处理模块8中通 过专用模型的二维重建算法处理得到流速场数据，并依此计算出实际流量。热线电阻丝2是一种对温度敏感的电阻，从微观上讲，可将每条热线电阻丝2视为 有多段线性电阻串联而成，如图1所示，可以暂且视作每条由5段电阻构成，那么纵、横共有 25个微型测量电阻，将其表示为R11 R55，为了提高测量精度可以适当增加热线电阻丝2的 数量。根据测量需要由外围电路为热线提供适当电流I，这样热线就会发热升温，最终稳定 在某一温度。以横线第三条热线为例，有5段电阻1 31、1 32、1 33、1 34和1 35构成。当管道中有 流体流过时，便会带走热线电阻丝2上的热量，导致热线电阻丝2的温度下降。由于通风管 道中的截面流速分布是复杂、非均勻的，流过这5段电阻的流速是不同的，带走的热量也不 同，表现在测量系统中的是各段电阻的阻值不同，因此流速分布信息就可以由热线电阻丝 2的电阻分布反映出来，其余各条热线电阻丝2的情况也是一样，其电阻的分布代表了流速 的分布。实际测量过程中，如果热线的电压为U，热线的电流为I，那么热线产生的热量为Qc = 0. 24XI2XR[0018]或者 当流体流动带走了热线的热量，通常将热线的导热损失和辐射损失忽略不计，则 热线损失的热量为Q1 = kXSX (Th-Ta)式中k为热线与流体之间的热交换系数，S为热线的换热表面积，Th为热线温度； Ta为流体温度。因此只要控制电流I (或U)与温度T 二者之一不变，则流速V就可以通过另一参 数计算出来。即V = f (I, T)或V = f (U, T)在没有流体流过热线时，热线处于热平衡状态，即Q。= Qp当有流体流过热线时，热平衡状态被破坏，流体带走的热量主要与k值有关，故流 速V就可以表示为 式中α为流速比例修正系数。通过上式就可以计算出每条热线的平均流速。温度补偿电路5是通过测量气体温度来自动修正流体温度变化对测量精度的影 响。本实用新型具有一点流体温度测量，对多点进行间接补偿的电路，解决了因使用多条热 线传感器而需要多个补偿电路的弊端。当气体温度变化时，温度补偿电路5可以自动调整 数字化调零电桥电路4的电压值，来保持Th-Ta为一恒定量，以达到补偿气体温度变化之目 的。假设在本实用新型中，测量系统有m条纵热线和η条横热线，共形成m+n条独立有 效的感测路径。每条热线传感器的电阻可以表示为Rp:Rp = / LcXds式中C表示热线路径上电阻比率的空间特性；ds是常规热线电阻的路径微分。L 表示整个热线长度。m+n条热线将整个流量场划分成mXn个区域，如图1中的点画虚线所示划分 为5X5的区域。将测量区域按照从左至右，从上至下的顺序依次用数字下标(i，j) (1 ^ i ^ η, 1 ^ j ^ m)标示。每一个区段里的电阻比率是未知的，并且假设其是均勻的。 这里用AS(U)表示第(i，J')段热线路径长度，则离散后第η条热线电阻值可表示为 而实际测量每条热线的电阻值为R' p，则实测值与Rp的差为 横(行)线上的电阻向量可表示为
纵(列)线上的电阻向量可表示为
目标准则函数可以选取多种函数，本实施例中选取均方差函数，则相应的优化问
题可描述为这样，便可以利用多种智能优化算法和管道流体模型进行反演计算，求出了每一 分割区域的空间特性，即流体在该区域流动时引起的电阻变化，由于电流I是已知的，利用 (1)式可求出各区域的平均流速，将各区域平均流速作为区域几何中心点的流速，利用智能 插值算法便可拟合出整个待测二维流速场。本实用新型利用热线阵列来感测通风管道内的流速分布，并结合智能二维重建算 法实现反演处理来获取关于管道内部流速的分布数据，该系统克服了现有“点”式流速传 感器只能测量管道内部一点的流速导致计算流量误差大的弊端，实现管道内流体流速场的 准确测量，进而准确地计算出管道内实际的流量，为在建筑、电力和钢铁等领域中实现全自 动、网络化、高精度的节能送风系统奠定了核心的技术基础，对应用领域的节能减排有着明 显的效果。[0052] 以上仅是本实用新型的具体应用范例，对本实用新型的保护范围不构成任何限 制。除上述实施例外，本实用新型还可以有其它实施方式。凡采用等同替换或等效变换形 成的技术方案，均落在本实用新型所要求保护的范围之内。
权利要求一种基于热线阵列和智能二维重建算法的流速场测量系统，其特征在于包括由若干条热线电阻丝(2)排列成的互不相交的热线阵列(1)，所述热线电阻丝(2)设置在管道(9)内，所述热线阵列(1)外围连接有控制热线电阻丝(2)恒温或恒流的控制电路(3)和测量电路，所述测量电路得到的测量信号经信号处理电路(6)、模拟/数字转换电路(7)后在数据处理模块(8)中通过专用模型的二维重建算法处理得到流速场数据，并依此计算出实际流量。
2.根据权利要求1所述的基于热线阵列和智能二维重建算法的流速场测量系统，其特 征在于所述热线阵列(1)可以为互不相交的纵、横阵列。
3.根据权利要求1所述的基于热线阵列和智能二维重建算法的流速场测量系统，其特 征在于所述热线电阻丝(2)是对温度敏感的电阻。
4.根据权利要求1所述的基于热线阵列和智能二维重建算法的流速场测量系统，其特 征在于所述测量电路为数字化调零电桥电路(4)。
5.根据权利要求4所述的基于热线阵列和智能二维重建算法的流速场测量系统，其特 征在于所述数字化调零电桥电路(4)连接有温度补偿电路(5)。
6.根据权利要求1所述的基于热线阵列和智能二维重建算法的流速场测量系统，其特 征在于所述控制电路(3)为闭环电路，且具有间接补偿功能。
专利摘要本实用新型公开了一种基于热线阵列和智能二维重建算法的流速场测量系统，包括由若干热线电阻丝排列成的互不相交的热线阵列，热线电阻丝设置在管道内，热线阵列外围连接有控制热线电阻丝恒温或恒流的控制电路和测量电路，测量电路得到的测量信号经信号处理电路、模拟/数字转换电路后在数据处理模块中通过专用模型的二维重建算法处理得到流速场数据，并依此计算出实际流量。本实用新型克服了“点”式流速传感器只能测量管道内一点的流速导致计算流量误差大的弊端，实现管道内流速场的准确测量，进而准确计算出管道内实际流量，为在建筑、电力和钢铁等领域中实现全自动、网络化、高精度的送风系统奠定了核心技术基础，有明显的节能减排效果。
文档编号G01P5/12GK201637445SQ20102014285
公开日2010年11月17日 申请日期2010年3月23日 优先权日2010年3月23日
发明者李学哲 申请人:苏州科技学院