热敏式风速仪(也称为热线/热膜风速仪)是一种基于热交换原理测量流体(主要是气体)速度的仪器。它以其高灵敏度、快速响应和对低风速测量的优异性能而著称,特别适合测量湍流、脉动气流或微小空间内的风速。

工作原理

核心思想:利用加热的敏感元件在气流中散热量与风速之间的关系来测量风速。

  1. 敏感元件:
    • 通常是一根非常细的金属丝(热线,如铂丝、钨丝)或沉积在绝缘基片上的金属薄膜(热膜)。
    • 这个元件具有正温度系数特性(电阻随温度升高而增大)。
  2. 加热与热平衡:
    • 敏感元件通过电流被加热到高于环境流体温度的一个设定值(通常在100°C到300°C甚至更高)。
    • 当没有气流时,元件通过自然对流和辐射达到热平衡状态,温度稳定,电阻稳定。
    • 当有气流流过元件时,强制对流散热增强,导致元件温度下降(从而电阻减小)。
  3. 测量模式:
    仪器主要有两种工作模式来维持热平衡并测量风速:
    • 恒温式:
      • 这是最常用、性能最优的模式。
      • 电路设计的目标是保持敏感元件的温度(从而电阻)恒定不变
      • 当气流增大导致散热增强、元件温度降低(电阻减小)时,反馈控制电路会瞬间增大通过元件的加热电流,以补偿额外的热量损失,使元件温度迅速回升到设定值。
      • 风速与维持恒温所需的加热电流(或加热电压)的平方之间存在特定的函数关系(通常需要校准)。
      • 优点: 响应速度极快(可达微秒级),频率响应好,非常适合测量快速变化的气流(如湍流)。
    • 恒流式:
      • 电路保持通过敏感元件的电流恒定不变
      • 当气流增大导致散热增强时,元件温度会下降,其电阻也随之减小。
      • 测量的是元件两端电压的变化(因为电流I恒定,电阻R变化导致电压V=I*R变化)。
      • 风速与元件电阻(或电压)的变化存在函数关系(同样需要校准)。
      • 优点: 电路相对简单。
      • 缺点: 响应速度较慢(因为元件温度变化需要时间),热惯性影响较大,不适合测量快速脉动气流。
  4. 信号处理与输出:
    • 电路检测并处理维持恒温所需的电流/电压变化(恒温式)或元件两端的电压变化(恒流式)。
    • 这些电信号经过放大、线性化处理(根据校准曲线将非线性关系转化为线性输出)和温度补偿(补偿环境温度变化的影响)。
    • 最终输出与风速成比例的电信号(如模拟电压、电流)或直接显示风速值(数字式)。