熱線風(fēng)速儀

流速計(jì)的一種，它的作用原理是將感測元件--一根通以電流而被加熱的細(xì)金屬絲置于通道中，當(dāng)氣體流過它時(shí)則將帶走一定的熱量，此熱量與流體的速度有關(guān)。其流速的確定，常用的有兩種方法:一是定電流法，即加熱金屬絲的電流不變，氣體帶走一部分熱量后金屬絲的溫度就降低，流速愈大溫度降低得就愈多;測得金屬絲的溫度則可得知流速的大小。另一種是定電阻法(即定溫度法)，改變加熱的電流使氣體帶走的熱量得以補(bǔ)充，而使金屬絲的溫度保持不變(也稱金屬絲的電阻值不變);這時(shí)流速愈大則所需加熱的電流也愈大，測得加熱電流值則可得知流速的大小。

中文名稱:熱線風(fēng)速儀

英文名稱:hot-wire anemometer

熱線長度一般在0.5~2毫米范圍，直徑在1~10微米范圍，材料為鉑、鎢或鉑銠合金等。若以一片很薄(厚度小于0.1微米)的金屬膜代替金屬絲，即為熱膜風(fēng)速儀，功能與熱絲相似，但多用于測量液體流速。熱線除普通的單線式外，還可以是組合的雙線式或三線式，用以測量各個(gè)方向的速度分量。從熱線輸出的電信號，經(jīng)放大、補(bǔ)償和數(shù)字化后輸入計(jì)算機(jī)，可提高測量精度，自動完成數(shù)據(jù)后處理過程，擴(kuò)大測速功能，如同時(shí)完成瞬時(shí)值和時(shí)均值、合速度和分速度、湍流度和其他湍流參數(shù)的測量。熱線風(fēng)速儀與皮托管相比，具有探頭體積小，對流場干擾小;響應(yīng)快，能測量非定常流速;能測量很低速(如低達(dá)0.3米/秒)等優(yōu)點(diǎn)。

風(fēng)速(流速)測試有平均風(fēng)速的測試和紊流成分(風(fēng)的亂流1~150KHz、與變動不同)的測試。熱式風(fēng)速計(jì)是測試平均風(fēng)速的。測試平均風(fēng)速的方法有熱式、超音波式、葉輪式、及皮拖管式等，但在這些方式中，熱線式風(fēng)速計(jì)是利用熱耗散的原理。下面，對這些風(fēng)速的測定方法做一下說明。

?該方式是測試處于通電狀態(tài)下傳感器因風(fēng)而冷卻時(shí)產(chǎn)生的電阻變化，由此測試風(fēng)速。不能得出風(fēng)向的信息。

?除攜帶容易方便外，成本性能比高，作為風(fēng)速計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品廣泛地被采用。

?熱式風(fēng)速計(jì)的素子有使用白金線、電熱偶、半導(dǎo)體的。白金線的材質(zhì)在物質(zhì)上最穩(wěn)定。因此，長期安定性、以及在溫度補(bǔ)償方面都具有優(yōu)勢。

?價(jià)格帶:10~50萬円 適用范圍:0.05~50m/s 顯示分辨率:0.01m/s 占有率:80%

?該方式是測試傳送一定距離的超音波時(shí)間，因風(fēng)的影響而使到達(dá)時(shí)間延遲，由此測試風(fēng)速。

?3次方時(shí)，可以知道風(fēng)向。

?傳感器部較大，在測試部周圍，有可能發(fā)生紊流，使流動不規(guī)則。用途受到限定。

?普及度低。

適用范圍:0~10m/s 顯示分辨率:0.01m/s 占有率:10%

?該方式是應(yīng)用風(fēng)車的原理，通過測試葉輪的轉(zhuǎn)數(shù)，測試風(fēng)速。

?用于氣象觀測等。

?原理比較簡單，價(jià)格便宜，但測試精度較低，所以不適合微風(fēng)速的測試和細(xì)小風(fēng)速變化的測試。

?普及度低。

適用范圍:1~50m/s 顯示分辨率:0.1m/s 市場占有率:10%

?在流動面的正面有與之形成直角方向的小孔，內(nèi)部藏有從各自孔里分別提取壓力的細(xì)管。通過測試其壓力差(前者為全壓、后者為靜壓)，就可知道風(fēng)速。

?原理比較簡單，風(fēng)速儀價(jià)格便宜，但與流動面必須設(shè)置成直角，否則不能進(jìn)行正確的測試。不適合一般用。

?不是作為風(fēng)速計(jì)，而是作為高速域的風(fēng)速校正來使用。

適用范圍:5~100m/s 顯示分辨率:0.01m/s 占有率:很少

熱線風(fēng)速儀的主要用途有以下幾點(diǎn):

1.測量平均流動的速度和方向。

2.測量來流的脈動速度及其頻譜。

3.測量湍流中的雷諾應(yīng)力及兩點(diǎn)的速度相關(guān)性、時(shí)間相關(guān)性。

4.測量壁面切應(yīng)力(通常是采用與壁面平齊放置的熱膜探頭來進(jìn)行的，原理與熱線測速相似)。

5.測量流體溫度(事先測出探頭電阻隨流體溫度的變化曲線，然后根據(jù)測得的探頭電阻就可確定溫度)，除此以外還開發(fā)出許多專業(yè)用途。

將流速信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕囊环N測速儀器，也可測量流體溫度或密度。其原理是，將一根通電加熱的細(xì)金屬絲(稱熱線)置于氣流中，熱線在氣流中的散熱量與流速有關(guān)，而散熱量導(dǎo)致熱線溫度變化而引起電阻變化，流速信號即轉(zhuǎn)變成電信號。它有兩種工作模式:①恒流式。通過熱線的電流保持不變，溫度變化時(shí)，熱線電阻改變，因而兩端電壓變化，由此測量流速;②恒溫式。熱線的溫度保持不變，如保持150℃，根據(jù)所需施加的電流可度量流速。恒溫式比恒流式應(yīng)用更廣泛。

熱線風(fēng)速儀有兩種工作模式:

1.恒流式，亦稱定電流法，即加熱金屬絲的電流保持不變，氣體帶走一部分熱量后金屬絲的溫度就降低，流速愈大溫度降低得就愈多;溫度變化時(shí)，熱線電阻改變，兩端電壓變化，因而測得金屬絲的溫度則可得知流速的大小。

2.恒溫式，亦稱定電阻法(即定溫度法)，改變加熱的電流使氣體帶走的熱量得以補(bǔ)充，而使金屬絲的溫度保持不變(也稱金屬絲的電阻值不變)如保持150℃，;這時(shí)流速愈大則所需加熱的電流也愈大，根據(jù)所需施加的電流(加熱電流值)則可得知流速的大小。恒溫式比恒流式應(yīng)用更廣泛。

熱線風(fēng)速儀(Hot wire Anemometer，簡稱HWA)，發(fā)明于20世紀(jì)20年代。其基本原理是將一根細(xì)的金屬絲放在流體中，通電流加熱金屬絲，使其溫度高于流體的溫度，因此將金屬絲稱為"熱線"。當(dāng)流體沿垂直方向流過金屬絲時(shí)，將帶走金屬絲的一部分熱量，使金屬絲溫度下降。根據(jù)強(qiáng)迫對流熱交換理論，可導(dǎo)出熱線散失的熱量Q與流體的速度v之間存在關(guān)系式(D3.4.4a)

上式稱為金(L.V.King,1914)公式，R、I分別為熱線的電阻和流過的電流強(qiáng)度，ΔT為熱線與流體的溫度差，A、B為與流體和熱線有關(guān)的物理常數(shù)?？紤]到熱線材料的電阻溫度特性，(D3.4.4a)式可化為(D3.4.4b)

上式中U為熱線的輸出電壓，A'，B'為與熱線的電阻溫度系數(shù)有關(guān)的物理常數(shù)，由實(shí)驗(yàn)確定。這樣通過測量熱線兩端的電壓，即可確定流速。

標(biāo)準(zhǔn)的熱線探頭由兩根支架張緊一根短而細(xì)的金屬絲組成，如圖2.1所示。金屬絲通常用鉑、銠、鎢等熔點(diǎn)高、延展性好的金屬制成。常用的絲直徑為5μm，長為2 mm;最小的探頭直徑僅1μm，長為0.2 mm。根據(jù)不同的用途，熱線探頭還做成雙絲、三絲、斜絲及V形、X形等。為了增加強(qiáng)度，有時(shí)用金屬膜代替金屬絲，通常在一熱絕緣的基體上噴鍍一層薄金屬膜，稱為熱膜探頭，如圖2.2所示。 熱線探頭在使用前必須進(jìn)行校準(zhǔn)。靜態(tài)校準(zhǔn)是在專門的標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)洞里進(jìn)行的，測量流速與輸出電壓之間的關(guān)系并畫成標(biāo)準(zhǔn)曲線;動態(tài)校準(zhǔn)是在已知的脈動流場中進(jìn)行的，或在風(fēng)速儀加熱電路中加上一脈動電信號，校驗(yàn)熱線風(fēng)速儀的頻率響應(yīng)，若頻率響應(yīng)不佳可用相應(yīng)的補(bǔ)償線路加以改善。

(1)體積小，對流場干擾小;

(2)適用范圍廣。不僅可用于氣體也可用于液體，在氣體的亞聲速、跨聲速和超聲速流動中均可使用;除了測量平均速度外，還可測量脈動值和湍流量;除了測量單方向運(yùn)動外還可同時(shí)測量多個(gè)方向的速度分量。

(3)頻率響應(yīng)高，可高達(dá)1 MH z。

(4)測量精度高，重復(fù)性好。熱線風(fēng)速儀的缺點(diǎn)是探頭對流場有一定干擾，熱線容易斷裂。

(1)測量平均流動的速度和方向。

(2)測量來流的脈動速度及其頻譜。

(3)測量湍流中的雷諾應(yīng)力及兩點(diǎn)的速度相關(guān)性、時(shí)間相關(guān)性。

(4)測量壁面切應(yīng)力(通常是采用與壁面平齊放置的熱膜探頭來進(jìn)行的，原理與熱線測速相似)。

(5)測量流體溫度(事先測出探頭電阻隨流體溫度的變化曲線，然后根據(jù)測得的探頭電阻就可確定溫度。除此以外還開發(fā)出許多專業(yè)用途。

本儀器主要與本實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞配套使用。在老師的指導(dǎo)下，學(xué)生了解儀器的原理、性能和操作方法，對風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段進(jìn)行實(shí)際測量;經(jīng)報(bào)名參加部分科研項(xiàng)目的測試。

熱線風(fēng)速儀hot-wire anemometer

將流速信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕囊环N測速儀器，也可測量流體溫度或密度。其原理是，將一根通電加熱的細(xì)金屬絲(稱熱線)置于氣流中，熱線在氣流中的散熱量與流速有關(guān)，而散熱量導(dǎo)致熱線溫度變化而引起電阻變化，流速信號即轉(zhuǎn)變成電信號。它有兩種工作模式:

①恒流式。通過熱線的電流保持不變，溫度變化時(shí)，熱線電阻改變，因而兩端電壓變化，由此測量流速;

②恒溫式。熱線的溫度保持不變，如保持150℃，根據(jù)所需施加的電流可度量流速。恒溫式比恒流式應(yīng)用更廣泛。熱線長度一般在0.5~2毫米范圍，直徑在1~10微米范圍，材料為鉑、鎢或鉑銠合金等。若以一片很薄(厚度小于0.1微米)的金屬膜代替金屬絲，即為熱膜風(fēng)速儀，功能與熱絲相似，但多用于測量液體流速。熱線除普通的單線式外，還可以是組合的雙線式或三線式，用以測量各個(gè)方向的速度分量。從熱線輸出的電信號，經(jīng)放大、補(bǔ)償和數(shù)字化后輸入計(jì)算機(jī)，可提高測量精度，自動完成數(shù)據(jù)后處理過程，擴(kuò)大測速功能，如同時(shí)完成瞬時(shí)值和時(shí)均值、合速度和分速度、湍流度和其他湍流參數(shù)的測量。熱線風(fēng)速儀與皮托管相比，具有探頭體積小，對流場干擾小;響應(yīng)快，能測量非定常流速;能測量很低速(如低達(dá)0.3米/秒)等優(yōu)點(diǎn)。

多功能風(fēng)速表AM4836C

參數(shù)

1一般參數(shù)

顯 示 器: 13 mm 4位液晶

測量單位: 速度:米/秒,千米/時(shí),呎/分,節(jié)

流 量: CMM(米³/分)

CFM(呎³/分)

風(fēng) 級: 蒲福氏風(fēng)級

浪 高: 米

風(fēng) 向: °以正北方向?yàn)榛鶞?zhǔn)

溫 度: ℃ & ℉

數(shù)據(jù)保持: 最大值

記 憶: 24 組

采樣速率: 約1秒

傳 感 器: 風(fēng)速/流量:3杯

風(fēng) 向: 低摩擦方向指針

溫 度: 熱敏電阻

自動關(guān)機(jī): 0-9 分鐘之間任意設(shè)定

數(shù)據(jù)輸出: RS 232 C 數(shù)據(jù)接口

操作溫度: 0℃ - 50℃(32℉ ~ 122℉)

操作濕度: 最大80%RH

電 源: 4節(jié)7號電池

重 量: 約260克.包括電池和傳感器

尺 寸: 3杯傳感器: 65x65x115mm

方向指針: 86x69x115mm

主 機(jī): 156x67x28mm

(6.1x2.6x1.1")

2量程參數(shù)

風(fēng)速 量程 分辨率 準(zhǔn)確度

m/s (米/秒) 0.4-45.0 0.1 m/s ± (2%n+0.1)m/s

km/h (千米/時(shí)) 1.4-162.0 0.1 km/hr ±(2%n +0.1km/h)

ft/min (呎/分) 80-8860 0.1 ft/min ±(2%n +1ft/min)

knots (節(jié)) 0.8-88.0 0.1 knots ±(2%n +0.1nots)

流量

CMM (米³/分) 0-9999 0.001~1 ±(2% n+0.1m³/min)

CFM (呎³/分) 0-9999 0.001~1 ±(2% n+0.1ft³/min)

蒲福氏風(fēng)級 0-12 0.1 ±0.5

風(fēng)向 0-360° 22.5° ±22.5°

浪高(米) 0-14 0.1 ±0.1

溫度 32 - 140℉ 0.1 ℉ 0.9 ℉

0-60 ℃ 0.1 ℃ 0.5 ℃

· 利用熱線或熱膜探頭對低速氣流的速度和湍流進(jìn)行測量;

· 教學(xué)演示:如對典型流體動態(tài)現(xiàn)象的演示說明;

· 多點(diǎn)測量，應(yīng)用于如對邊界層和連續(xù)結(jié)構(gòu)的研究。

微型恒溫?zé)峋€風(fēng)速儀特性:

· 操作簡便;

· 體積小;

· 可用電池供電;

· 非常適合用于場的測量;

· 可以內(nèi)置于模型中;

· 提供針對其他熱線和熱膜探頭的特殊應(yīng)用版本。

微型恒溫?zé)峋€風(fēng)速儀介紹:

微型恒溫?zé)峋€風(fēng)速儀是一種對 DANTEC 氣體熱線和熱膜探頭的通用型風(fēng)速。

它根據(jù)傳統(tǒng)的恒溫?zé)峋€風(fēng)速儀，并在其技術(shù)規(guī)格和性能上，針對在很多流體動力學(xué)應(yīng)用場合發(fā)生的普通低速流而設(shè)計(jì)。它主要用于適度頻率流場中的流速和湍流的測量，并尤其適用于教學(xué)目的，多點(diǎn)測量和場測量。

微型恒溫?zé)峋€風(fēng)速儀描述:

有單通道和多通道(至多達(dá) 3 個(gè) CTA 線路)版本。它通過 BNC 口的連接器連接，由一只 12V 直流電源適配器或電池供電工作。其帶寬針對熱線探頭的使用做了優(yōu)化(最大 10kHz )，但使用熱膜探頭也可以得到很好的操作性能。 MiniCTA 可允許使用的探頭，其冷阻抗最大不超過 10Ω 。其過熱比設(shè)置通過盒子內(nèi)部的跳線開關(guān)來定義。

對過熱比的設(shè)置可參考手冊附帶的軟盤中的 EXCEL 文件。

2D 和 3D 系統(tǒng)的擴(kuò)展:

帶有 2 只或 3 只 MiniCTA 板卡的 3 通道儀器盒可與探頭陣列一起用于的 2 維或 3 維流體的測量。儀器盒通過 3 只 BNC 連接器與探頭連接，并另外有一個(gè)輔助 BNC 連接器用于外部傳感器的輸入。

多通道恒溫?zé)峋€風(fēng)速儀--利用熱線探頭對流場的有效描繪

多通道恒溫?zé)峋€風(fēng)速儀應(yīng)用:

· 描繪氣體中速度和湍流的分布;

· 使用探頭陣列對連續(xù)結(jié)構(gòu)的測量;

· 描繪湍流點(diǎn)以及邊緣層流場的間隙流;

· 流場測量

多通道恒溫?zé)峋€風(fēng)速儀特性:

· 同時(shí)可測多達(dá) 16 個(gè)點(diǎn);

· 測量一維、二維、三維流體;

· 出廠的硬件設(shè)置直接可用;

· 通過系統(tǒng)溫度探頭記錄偏移溫度;

· 通過內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)速度傳感器進(jìn)行多探頭標(biāo)定(選件)

多通道恒溫?zé)峋€風(fēng)速儀介紹:

多通道恒溫?zé)峋€風(fēng)速儀針對頻率高達(dá) 10kHz 的低、中速氣流的速度和湍流分布的描繪，提供了一種有效、可行的方案。多通道的概念來源于使用探頭陣列進(jìn)行測量，它減少了實(shí)驗(yàn)時(shí)間，并降低了昂貴的風(fēng)洞運(yùn)行成本。廠家硬件的設(shè)置使得用戶操作友好簡單。作為選件的標(biāo)準(zhǔn)速度傳感器可用于標(biāo)定多個(gè)探頭。

多通道恒溫?zé)峋€風(fēng)速儀由應(yīng)用軟件包支持運(yùn)行。

多通道恒溫?zé)峋€風(fēng)速儀描述:

多通道恒溫?zé)峋€風(fēng)速儀分為 8 個(gè)

熱線風(fēng)速儀通道和 6 熱線風(fēng)速儀通道兩個(gè)版本。CTA 通道安裝固定在主機(jī)中，主機(jī)帶有探頭輸入接口和與 NI 公司 A/D 板相適配的多針輸出接口。主機(jī)由電源適配器或一節(jié) 12V 電池供電?？梢园褍膳_主機(jī)連接在一起以組成 16 通道系統(tǒng)。

6 通道版本另外還配有一個(gè)溫度通道以便使用系統(tǒng)溫度探頭記錄測量時(shí)的環(huán)境溫度。這一版本也可以擴(kuò)展帶一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)速度傳感器，以便在諸如風(fēng)洞的實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行多探頭標(biāo)定。

廠家缺省設(shè)置中的即時(shí)可用理念:

此系統(tǒng)可以直接使用標(biāo)準(zhǔn)熱線探頭，而不需要由用戶來進(jìn)行調(diào)整設(shè)置。對于熱線探頭的 overheat 阻抗，其通常的可用設(shè)置出廠時(shí)就已經(jīng)處理好。而 Overheat ratio 在實(shí)際應(yīng)用中在探頭與探頭之間可能會有少許的不同，所以設(shè)置中允許用戶根據(jù)實(shí)際使用的探頭對設(shè)置進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

探頭通過 4m 或 10m 的標(biāo)準(zhǔn)探頭電纜與主機(jī)后面板的 BNC 接口連接。狀態(tài)指示燈和工作 / 等待轉(zhuǎn)換開關(guān)在前面板，并且也帶有用于監(jiān)控的 BNC 接口。

輸出信號通過一根傳輸電纜直接輸入到 PC 機(jī)中的 A/D 板卡，而不需要另外的接線盒。

目前，國內(nèi)外對缸內(nèi)氣體流動的研究方法分為微觀研究方法和宏觀研究方法兩種。

微觀研究方法主要是利用特定的儀器研究缸內(nèi)湍流速度場的分布情況。研究的設(shè)備有熱線風(fēng)速儀CTA、激光多普勒測速儀LDA和激光粒子圖像速度場測量儀PIV等。這種研究方法的優(yōu)點(diǎn)是研究的信息豐富，闡述的機(jī)理比較透徹，能知道滾流的生成到破碎的機(jī)理，能探明缸內(nèi)湍流動能的分布情況及其變化。其缺點(diǎn)有儀器昂貴、工作量大、操作復(fù)雜等，最主要的缺點(diǎn)是該方法只適用于理論研究，對實(shí)際工作的指導(dǎo)作用有限。

宏觀研究方法主要是指穩(wěn)流試驗(yàn)技術(shù)，即利用氣道試驗(yàn)臺進(jìn)行研究。這種研究方法的優(yōu)點(diǎn)是原理簡單，結(jié)果比較可靠，能廣泛地用于對實(shí)際工作的指導(dǎo)，能在較快時(shí)間內(nèi)給出試驗(yàn)結(jié)果，效率較高。該方法的缺點(diǎn)是得到的信息不夠詳盡，無法得知缸內(nèi)具體湍流速度場的分布情況。

兩種研究方法各有利弊，研究時(shí)采取哪種方法要根據(jù)實(shí)際情況而定。