热线风速仪

概述

　　热线风速仪发明于20世纪20年代，需要将一根细的金属丝放在流体中，通电流加热金属丝，使其温度高于流体的温度，因此将金属丝称为“热线”。热线长度一般在0.5～2毫米范围，直径在1～10微米范围，材料为铂、钨或铂铑合金等。若以一片很薄(厚度小于0.1微米)的金属膜代替金属丝，即为热膜风速仪，功能与热丝相似，但多用于测量液体流速。热线除普通的单线式外，还可以是组合的双线式或三线式，用以测量各个方向的速度分量。从热线输出的电信号，经放大、补偿和数字化后输入计算机，可提高测量精度，自动完成数据后处理过程，扩大测速功能，如同时完成瞬时值和时均值、合速度和分速度、湍流度和其他湍流参数的测量。

原理

　　热线风速仪的基本原理是，将一根通电加热的细金属丝（称热线）置于气流中，热线在气流中的散热量与流速有关，而散热量导致热线温度变化而引起电阻变化，流速信号即转变成电信号。当流体沿垂直方向流过金属丝时，将带走金属丝的一部分热量，使金属丝温度下降。根据强迫对流热交换理论，可导出热线散失的热量Q与流体的速度v之间存在关系式(D3.4.4a)。

　　上式称为金（L.V.King,1914）公式，R、I分别为热线的电阻和流过的电流强度，ΔT为热线与流体的温度差，A、B为与流体和热线有关的物理常数。考虑到热线材料的电阻温度特性，（D3.4.4a）式可化为(D3.4.4b)。

　　上式中U为热线的输出电压，A’，B’为与热线的电阻温度系数有关的物理常数，由实验确定。这样通过测量热线两端的电压，即可确定流速。

特点

　　1.体积小，对流场干扰小。

　　2.适用范围广，可用于气体、液体，在气体的亚声速、跨声速和超声速流动中均可使用；除了测量平均速度外，还可测量脉动值和湍流量；除了测量单方向运动外还可同时测量多个方向的速度分量。

　　3.频率响应高，可高达1 MH z。

　　4.测量精度高，重复性好。

　　5.缺点是探头对流场有一定干扰，热线容易断裂。

工作模式

　　热线风速仪有两种工作模式：

　　1.恒流式，亦称定电流法，即加热金属丝的电流保持不变，气体带走一部分热量后金属丝的温度就降低，流速愈大温度降低得就愈多；温度变化时，热线电阻改变，两端电压变化，因而测得金属丝的温度则可得知流速的大小。

　　2.恒温式，亦称定电阻法（即定温度法），改变加热的电流使气体带走的热量得以补充，而使金属丝的温度保持不变（也称金属丝的电阻值不变）如保持150℃，；这时流速愈大则所需加热的电流也愈大，根据所需施加的电流（加热电流值）则可得知流速的大小。

　　恒温式比恒流式应用更广泛。

用途

　　热线风速仪的主要用途有以下几点：

　　1.测量平均流动的速度和方向。

　　2.测量来流的脉动速度及其频谱。

　　3.测量湍流中的雷诺应力及两点的速度相关性、时间相关性。

　　4.测量壁面切应力（通常是采用与壁面平齐放置的热膜探头来进行的，原理与热线测速相似）。

　　5.测量流体温度（事先测出探头电阻随流体温度的变化曲线，然后根据测得的探头电阻就可确定温度。除此以外还开发出许多用途。

选型指南

     风速（流速）测试有平均风速的测试和紊流成分（风的乱流1～150KHz、与变动不同）的测试。热式风速计是测试平均风速的。测试平均风速的方法有热式、超音波式、叶轮式、及皮拖管式等，但在这些方式中，热线式风速计是利用热耗散的原理。下面，对这些风速的测定方法做一下说明。
     热式风速计
     该方式是测试处于通电状态下传感器因风而冷却时产生的电阻变化，由此测试风速。不能得出风向的信息。
     除携带容易方便外，成本性能比高，作为风速计的标准产品广泛地被采用。
     热式风速计的素子有使用白金线、电热偶、半导体的。白金线的材质在物质上最稳定。因此，长期安定性、以及在温度补偿方面都具有优势。
     价格带：10～50万円　适用范围：0.05～50m/s　显示分辨率：0.01m/s　占有率：80%
     超音波式
     该方式是测试传送一定距离的超音波时间，因风的影响而使到达时间延迟，由此测试风速。
     3次方时，可以知道风向。
     传感器部较大，在测试部周围，有可能发生紊流，使流动不规则。用途受到限定。
     普及度低。
     适用范围：0～10m/s　显示分辨率：0.01m/s　占有率：10%
     叶轮式
     该方式是应用风车的原理，通过测试叶轮的转数，测试风速。
     用于气象观测等。
     原理比较简单，价格便宜，但测试精度较低，所以不适合微风速的测试和细小风速变化的测试。
     普及度低。
     适用范围：1～50m/s　显示分辨率：0.1m/s　市场占有率：10%
     皮拖管式
     在流动面的正面有与之形成直角方向的小孔，内部藏有从各自孔里分别提取压力的细管。通过测试其压力差（前者为全压、后者为静压），就可知道风速。
     原理比较简单，风速仪价格便宜，但与流动面必须设置成直角，否则不能进行正确的测试。不适合一般用。
     不是作为风速计，而是作为高速域的风速校正来使用。
     适用范围：5～100m/s　显示分辨率：0.01m/s　占有率：很少