热线风速仪名词定义

中文名称:热线风速仪

英文名称:hot-wire anemometer

将流速信号转变为电信号的一种测速仪器，也可测量流体温度或密度。其原理是，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。它有两种工作模式:①恒流式。通过热线的电流保持不变，温度变化时，热线电阻改变，因而两端电压变化，由此测量流速;②恒温式。热线的温度保持不变，如保持150℃，根据所需施加的电流可度量流速。恒温式比恒流式应用更广泛。

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。热线风速仪与皮托管相比，具有探头体积小，对流场干扰小;响应快，能测量非定常流速;能测量很低速(如低达0.3米/秒)等优点。

流速计的一种，它的作用原理是将感测元件--一根通以电流而被加热的细金属丝置于通道中，当气体流过它时则将带走一定的热量，此热量与流体的速度有关。其流速的确定，常用的有两种方法:一是定电流法，即加热金属丝的电流不变，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;测得金属丝的温度则可得知流速的大小。另一种是定电阻法(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);这时流速愈大则所需加热的电流也愈大，测得加热电流值则可得知流速的大小。

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。

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专业用途。

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。

・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%

・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%

・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%

・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

热线风速仪(Hot wire Anemometer，简称HWA)，发明于20世纪20年代。其基本原理是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"。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。

标准的热线探头由两根支架张紧一根短而细的金属丝组成，如图2.1所示。金属丝通常用铂、铑、钨等熔点高、延展性好的金属制成。常用的丝直径为5μm，长为2 mm;最小的探头直径仅1μm，长为0.2 mm。根据不同的用途，热线探头还做成双丝、三丝、斜丝及V形、X形等。为了增加强度，有时用金属膜代替金属丝，通常在一热绝缘的基体上喷镀一层薄金属膜，称为热膜探头，如图2.2所示。 热线探头在使用前必须进行校准。静态校准是在专门的标准风洞里进行的，测量流速与输出电压之间的关系并画成标准曲线;动态校准是在已知的脉动流场中进行的，或在风速仪加热电路中加上一脉动电信号，校验热线风速仪的频率响应，若频率响应不佳可用相应的补偿线路加以改善。

(1)体积小，对流场干扰小;

(2)适用范围广。不仅可用于气体也可用于液体，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。热线风速仪的缺点是探头对流场有一定干扰，热线容易断裂。

(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专业用途。

本仪器主要与本实验室实验风洞配套使用。在老师的指导下，学生了解仪器的原理、性能和操作方法，对风洞实验段进行实际测量;经报名参加部分科研项目的测试。

热线风速仪hot-wire anemometer

将流速信号转变为电信号的一种测速仪器，也可测量流体温度或密度。其原理是，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。它有两种工作模式:

①恒流式。通过热线的电流保持不变，温度变化时，热线电阻改变，因而两端电压变化，由此测量流速;

②恒温式。热线的温度保持不变，如保持150℃，根据所需施加的电流可度量流速。恒温式比恒流式应用更广泛。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。热线风速仪与皮托管相比，具有探头体积小，对流场干扰小;响应快，能测量非定常流速;能测量很低速(如低达0.3米/秒)等优点。

多功能风速表AM4836C

参数

1一般参数

显 示 器: 13 mm 4位液晶

测量单位: 速度:米/秒,千米/时,呎/分,节

流 量: CMM(米³/分)

CFM(呎³/分)

风 级: 蒲福氏风级

浪 高: 米

风 向: °以正北方向为基准

温 度: ℃ & ℉

数据保持: 最大值

记 忆: 24 组

采样速率: 约1秒

传 感 器: 风速/流量:3杯

风 向: 低摩擦方向指针

温 度: 热敏电阻

自动关机: 0-9 分钟之间任意设定

数据输出: RS 232 C 数据接口

操作温度: 0℃ - 50℃(32℉ ~ 122℉)

操作湿度: 最大80%RH

电 源: 4节7号电池

重 量: 约260克.包括电池和传感器

尺 寸: 3杯传感器: 65x65x115mm

方向指针: 86x69x115mm

主 机: 156x67x28mm

(6.1x2.6x1.1")

2量程参数

风速 量程 分辨率 准确度

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

km/h (千米/时) 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 (节) 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)

蒲福氏风级 0-12 0.1 ±0.5

风向 0-360° 22.5° ±22.5°

浪高(米) 0-14 0.1 ±0.1

温度 32 - 140℉ 0.1 ℉ 0.9 ℉

0-60 ℃ 0.1 ℃ 0.5 ℃

· 利用热线或热膜探头对低速气流的速度和湍流进行测量;

· 教学演示:如对典型流体动态现象的演示说明;

· 多点测量，应用于如对边界层和连续结构的研究。

微型恒温热线风速仪特性:

· 操作简便;

· 体积小;

· 可用电池供电;

· 非常适合用于场的测量;

· 可以内置于模型中;

· 提供针对其他热线和热膜探头的特殊应用版本。

微型恒温热线风速仪介绍:

微型恒温热线风速仪是一种对 DANTEC 气体热线和热膜探头的通用型风速。

它根据传统的恒温热线风速仪，并在其技术规格和性能上，针对在很多流体动力学应用场合发生的普通低速流而设计。它主要用于适度频率流场中的流速和湍流的测量，并尤其适用于教学目的，多点测量和场测量。

微型恒温热线风速仪描述:

有单通道和多通道(至多达 3 个 CTA 线路)版本。它通过 BNC 口的连接器连接，由一只 12V 直流电源适配器或电池供电工作。其带宽针对热线探头的使用做了优化(最大 10kHz )，但使用热膜探头也可以得到很好的操作性能。 MiniCTA 可允许使用的探头，其冷阻抗最大不超过 10Ω 。其过热比设置通过盒子内部的跳线开关来定义。

对过热比的设置可参考手册附带的软盘中的 EXCEL 文件。

2D 和 3D 系统的扩展:

带有 2 只或 3 只 MiniCTA 板卡的 3 通道仪器盒可与探头阵列一起用于的 2 维或 3 维流体的测量。仪器盒通过 3 只 BNC 连接器与探头连接，并另外有一个辅助 BNC 连接器用于外部传感器的输入。

多通道恒温热线风速仪--利用热线探头对流场的有效描绘

多通道恒温热线风速仪应用:

· 描绘气体中速度和湍流的分布;

· 使用探头阵列对连续结构的测量;

· 描绘湍流点以及边缘层流场的间隙流;

· 流场测量

多通道恒温热线风速仪特性:

· 同时可测多达 16 个点;

· 测量一维、二维、三维流体;

· 出厂的硬件设置直接可用;

· 通过系统温度探头记录偏移温度;

· 通过内置标准速度传感器进行多探头标定(选件)

多通道恒温热线风速仪介绍:

多通道恒温热线风速仪针对频率高达 10kHz 的低、中速气流的速度和湍流分布的描绘，提供了一种有效、可行的方案。多通道的概念来源于使用探头阵列进行测量，它减少了实验时间，并降低了昂贵的风洞运行成本。厂家硬件的设置使得用户操作友好简单。作为选件的标准速度传感器可用于标定多个探头。

多通道恒温热线风速仪由应用软件包支持运行。

多通道恒温热线风速仪描述:

多通道恒温热线风速仪分为 8 个

热线风速仪通道和 6 热线风速仪通道两个版本。CTA 通道安装固定在主机中，主机带有探头输入接口和与 NI 公司 A/D 板相适配的多针输出接口。主机由电源适配器或一节 12V 电池供电。可以把两台主机连接在一起以组成 16 通道系统。

6 通道版本另外还配有一个温度通道以便使用系统温度探头记录测量时的环境温度。这一版本也可以扩展带一个标准速度传感器，以便在诸如风洞的实验条件下进行多探头标定。

厂家缺省设置中的即时可用理念:

此系统可以直接使用标准热线探头，而不需要由用户来进行调整设置。对于热线探头的 overheat 阻抗，其通常的可用设置出厂时就已经处理好。而 Overheat ratio 在实际应用中在探头与探头之间可能会有少许的不同，所以设置中允许用户根据实际使用的探头对设置进行相应的调整。

探头通过 4m 或 10m 的标准探头电缆与主机后面板的 BNC 接口连接。状态指示灯和工作 / 等待转换开关在前面板，并且也带有用于监控的 BNC 接口。

输出信号通过一根传输电缆直接输入到 PC 机中的 A/D 板卡，而不需要另外的接线盒。

目前，国内外对缸内气体流动的研究方法分为微观研究方法和宏观研究方法两种。

微观研究方法主要是利用特定的仪器研究缸内湍流速度场的分布情况。研究的设备有热线风速仪CTA、激光多普勒测速仪LDA和激光粒子图像速度场测量仪PIV等。这种研究方法的优点是研究的信息丰富，阐述的机理比较透彻，能知道滚流的生成到破碎的机理，能探明缸内湍流动能的分布情况及其变化。其缺点有仪器昂贵、工作量大、操作复杂等，最主要的缺点是该方法只适用于理论研究，对实际工作的指导作用有限。

宏观研究方法主要是指稳流试验技术，即利用气道试验台进行研究。这种研究方法的优点是原理简单，结果比较可靠，能广泛地用于对实际工作的指导，能在较快时间内给出试验结果，效率较高。该方法的缺点是得到的信息不够详尽，无法得知缸内具体湍流速度场的分布情况。

两种研究方法各有利弊，研究时采取哪种方法要根据实际情况而定。