[科普中國]-散熱式風(fēng)速表

簡介

一個被加熱的物體的散熱速率與周圍空氣的流速有關(guān)，利用這種特性可測量風(fēng)速。這類測風(fēng)儀器統(tǒng)稱為熱力式或散熱式風(fēng)速表，也有人稱為致冷式風(fēng)速表。

早期的卡他溫度表(或稱冷率溫度表)就是利用玻璃酒精溫度表在増熱后放到環(huán)境溫度下冷卻所需要的時間與氣流速度有關(guān)這樣的原理米測量風(fēng)速的。1914年金(L.V.King)用加熱的電阻絲作為熱線首次實施了風(fēng)速的測定。此后，熱力式測風(fēng)技術(shù)有了很大的發(fā)展，由于它的感應(yīng)元件可以制作得很小，響應(yīng)快，因此在大氣湍流等領(lǐng)域的測量中已成為精確有效的測風(fēng)儀器。1

結(jié)構(gòu)和原理散熱式風(fēng)速傳感器的主要器件是加熱元件和測溫元件。加熱與測溫分別由兩個元件承擔的稱為旁熱式合為一體的稱為直熱式。一般選用恒流源加熱，以提供恒定的加熱功率。旁熱式的溫度敏感元件一般選用半導(dǎo)體熱敏電阻·有兩種形式。直熱式采用一根直徑僅5～10 um的鉑絲，長度約兒毫米到20 mm，由于有較大的電流流經(jīng)鉑絲，其溫度比四周氣溫可高出200～500℃；鉑絲既可用來感應(yīng)外界的風(fēng)速，又可用來測量熱線的溫度，時間常數(shù)可小至0.01 s.2

通常，散熱式風(fēng)速傳感器采用尺寸很小的加熱和熱敏元件，因而頻率相當高，時間常數(shù)小。在很小的空間內(nèi)可以安裝很多測量元件，空間分辨率很高，在大氣探測中常用于小尺度的大氣湍流探測。但其靈敏度隨風(fēng)速的增大而明顯減小，非線性誤差增大，對于大于10 m/s以上風(fēng)速的測量，準確度很低。因此，僅適宜于小風(fēng)速的測試，尤其對測量0.01～1 m/s的微風(fēng)最為有利。

散熱式風(fēng)速傳感器在測量時要求熱線與氣流來向垂直，即散熱體的方向必須與氣流的方向正交，否則由于對流熱交換系數(shù)隨熱線與風(fēng)向交角的不同而變化，從而使測量誤差增大。一般，交角偏差應(yīng)在10°以內(nèi)。另外，物體的熱交換系數(shù)與通風(fēng)量有關(guān)，即空氣密度的變化直接影響風(fēng)速的測量結(jié)果，若使用地點與檢定地點的空氣密度不同，應(yīng)進行空氣密度修正。1

分類旁熱型風(fēng)速表最簡單的是旁熱型風(fēng)速表，采用溫度系數(shù)近于零的金屬絲（例如錳銅絲）作為熱線材料，將微型的測溫元件緊貼在它的表面，測定熱線的溫度。

直熱型風(fēng)速表直熱式熱線風(fēng)速儀的感應(yīng)部分是一根極細鉑絲，緊繃在支架上。鉬絲的直徑只有5-10um，長度在幾個到20mm從表面上看，它與鉑電阻溫度表沒有什么差別，但由于有較大的電流流經(jīng)鉑絲，它的溫度比四周的空氣可高出200～500℃。3

誤差來源散熱式風(fēng)速表的測量誤差主要有：

1.氣溫變化造成的誤差。若環(huán)境溫度變化，將導(dǎo)致風(fēng)速表檢定曲線的變化。適當提高熱線的工作溫度可以減小這種影響。在熱線風(fēng)速表中加進溫度補償線路也可減小測量誤差。

2.由于熱線方向不與氣流方向垂直而造成的誤差。測量風(fēng)速時要求熱線與氣流來向垂直，若不垂直，由于對流熱交換系數(shù)會隨熱線與風(fēng)向的交角的不同而有變化多從而帶來測量誤差，一般夾角偏差在1 0°以內(nèi)影響不大；在10°以上誤差值隨夾角的增大而增加。

3.由于空氣密度的改變而造成的誤差由于對流熱交換系數(shù)與空氣密度有關(guān)。儀器在標定時是假定p=p0，而實際使用時多p≠p0.這就造成誤差。當空氣密度較大時應(yīng)施以密度訂正。1