CTA测量原理

简介

CTA是一种非常适合研究湍流结构的测量工具，其测量原理是基于气流对加热物体的冷却效应。CTA可以测量某一点的速度，提供连续的速度时间序列，并将其处理成振幅和时域统计量。例如平均速度、湍流强度、高阶矩、自相关和功率谱。

温度灵敏度

圆柱对流换热

热丝的对流换热量Q是流速U、热丝过温Tw -T0和流体物理性质(k、r、m)的函数。L.V. King (1914) 提出了适用于热丝垂直于来流方向时Q和U之间的基本关系，其最简单的表达方式为：

CTA原理

电阻为Rw的热丝连接到惠斯通电桥的一个桥臂上，并被电流加热。伺服放大器通过控制流向传感器的电流使电桥保持平衡，从而使电阻以及温度保持恒定，而不受流体施加的冷却作用的影响。电桥电压E代表热传递，因此可以作为速度的直接量度。传感器的低热惯性和伺服回路放大器的高增益相结合，可以流量的波动做出非常快速的响应。

探头

频响

系统带宽，fc，定义为信号幅值衰减-3dB时对应的频率。它随导线时间常数的减小而增大，随伺服回路增益的增大而增大，随流速的增大而增大。使用5mm热线探头的CTA在测量流速为30m/s的流场时的带宽约为100kHz。通过在桥顶施加方波电压并调整伺服回路增益可以优化系统。

对于2维探头和3维探头，可以通过求解有效的冷却速度方程得到速度分量。俯仰系数和偏航系数k和h由方向校准决定。

速度灵敏度

电桥电压和速度的关系可以表示为指数函数或者多项式函数：

相对速度灵敏度1/U·dE/dU在较宽的速度范围内几乎是恒定的，因此在已知流场中进行校准构成了将探头电压转换为速度(线性化)的曲线拟合的基础。

方向灵敏度

由于热丝对流体速度和方向都很敏感，因此正交排列的热丝会给出有关这两者的信息。热丝在三维流动中的有效冷却速度可以表示为:

Aw是热丝表面积，h是对流换热系数，并将其合并为标定常数A和B。

CTA探头通常在两个针形插脚上安装长1mm,直径5µm的钨丝传感器。分别配有1根、2根和3根热丝。对于液体流动，建议使用带薄膜传感器的热膜探头进行测量。

电桥电压取决于速度和温度。1k的温度变化会产生大约2%的速度误差。电压可以在线性化之前使用校准和测量期间的过温比进行校正:

数据转换与整理

经过适当的低通滤波后，桥电压可以通过快速的A/D板(高达1MHz或更高)获得。它们通过三个步骤转化为工程单位:

· 温度修正

· 线性化

· 分解为速度分量

转换的数据进一步分解为流动的统计量。