[科普中国]-散热式风速表

简介

一个被加热的物体的散热速率与周围空气的流速有关，利用这种特性可测量风速。这类测风仪器统称为热力式或散热式风速表，也有人称为致冷式风速表。

早期的卡他温度表(或称冷率温度表)就是利用玻璃酒精温度表在増热后放到环境温度下冷却所需要的时间与气流速度有关这样的原理米测量风速的。1914年金(L.V.King)用加热的电阻丝作为热线首次实施了风速的测定。此后，热力式测风技术有了很大的发展，由于它的感应元件可以制作得很小，响应快，因此在大气湍流等领域的测量中已成为精确有效的测风仪器。1

结构和原理散热式风速传感器的主要器件是加热元件和测温元件。加热与测温分别由两个元件承担的称为旁热式合为一体的称为直热式。一般选用恒流源加热，以提供恒定的加热功率。旁热式的温度敏感元件一般选用半导体热敏电阻·有两种形式。直热式采用一根直径仅5～10 um的铂丝，长度约儿毫米到20 mm，由于有较大的电流流经铂丝，其温度比四周气温可高出200～500℃；铂丝既可用来感应外界的风速，又可用来测量热线的温度，时间常数可小至0.01 s.2

通常，散热式风速传感器采用尺寸很小的加热和热敏元件，因而频率相当高，时间常数小。在很小的空间内可以安装很多测量元件，空间分辨率很高，在大气探测中常用于小尺度的大气湍流探测。但其灵敏度随风速的增大而明显减小，非线性误差增大，对于大于10 m/s以上风速的测量，准确度很低。因此，仅适宜于小风速的测试，尤其对测量0.01～1 m/s的微风最为有利。

散热式风速传感器在测量时要求热线与气流来向垂直，即散热体的方向必须与气流的方向正交，否则由于对流热交换系数随热线与风向交角的不同而变化，从而使测量误差增大。一般，交角偏差应在10°以内。另外，物体的热交换系数与通风量有关，即空气密度的变化直接影响风速的测量结果，若使用地点与检定地点的空气密度不同，应进行空气密度修正。1

分类旁热型风速表最简单的是旁热型风速表，采用温度系数近于零的金属丝（例如锰铜丝）作为热线材料，将微型的测温元件紧贴在它的表面，测定热线的温度。

直热型风速表直热式热线风速仪的感应部分是一根极细铂丝，紧绷在支架上。钼丝的直径只有5-10um，长度在几个到20mm从表面上看，它与铂电阻温度表没有什么差别，但由于有较大的电流流经铂丝，它的温度比四周的空气可高出200～500℃。3

误差来源散热式风速表的测量误差主要有：

1.气温变化造成的误差。若环境温度变化，将导致风速表检定曲线的变化。适当提高热线的工作温度可以减小这种影响。在热线风速表中加进温度补偿线路也可减小测量误差。

2.由于热线方向不与气流方向垂直而造成的误差。测量风速时要求热线与气流来向垂直，若不垂直，由于对流热交换系数会随热线与风向的交角的不同而有变化多从而带来测量误差，一般夹角偏差在1 0°以内影响不大；在10°以上误差值随夹角的增大而增加。

3.由于空气密度的改变而造成的误差由于对流热交换系数与空气密度有关。仪器在标定时是假定p=p0，而实际使用时多p≠p0.这就造成误差。当空气密度较大时应施以密度订正。1