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熱線風速計(Hot wire Anemometer,簡稱HWA),發明于20世紀20年代。熱線風速計基本原理是將一根細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”。當流體沿垂直方向流過金屬絲時,將帶走金屬絲的一部分熱量,使金屬絲溫度下降。熱線風速計是可以將流速信號轉變為電信號的一種測速儀器,也可測量流體溫度或密度。通常與A/D板、相應的分析軟件組成一整套完整系統。
熱線風速計基本工作原理:
將直徑d只有5~10µ、長度l為幾mm的鉑鎢絲的兩頭焊在支架上制作成熱線探頭。當通電時,鉑鎢絲發熱,溫度高于周圍介質的溫度,介質流過探頭時帶走一部分熱量,于是熱線的溫度隨流速的大小而變化。
除去極小的流速(即與由于溫度差引起的自然對流流速相當的流速)外,可以認為熱線的熱損失主要是與強迫對流有關,也即損失的熱量主要是被氣流所帶走。
King氏研究了在強迫對流的情況下,流過無限長圓柱的熱損失方程,這個方程用無量綱參數形式寫出為
一般說來,熱線的長徑比l/d總超過200,因此可以應用King氏公式。式中的Re即為雷諾數,A,B為校正常數,Nu為努賽爾特數,這里定義為
其中λ為流體的熱傳導系數,θ為溫度,Q為熱量,下標w表示屬于熱線探頭的參數。
如寫成有量綱的形式,則為
對于已知的流體介質和探頭,λ和l都是常數,可以放到常數A,B中去,于是
電流通過探頭所提供的熱量為
其中Rw為探頭的電阻,Iw為通過探頭的電流。根據熱平衡原理,當達到平衡狀態時,氣流帶走的熱量應等于電流對金屬絲所加的熱量,即Q=Q1,于是有
金屬絲的電阻與溫度之間有下列關系
其中αf是溫度為θf時熱線材料的電阻溫度系數,下標f表示屬于流體介質的參數。因此
所以
同樣,若給定探頭和流體介質,則許多參數為常數可以歸并到常數A、B中去,上式為
上式就是用熱線風速儀測量風速的基本關系式。當保持熱線電阻Rw恒定時,電流Iw和風速υ∞有一一對應的關系,這就是恒溫式熱線風速儀的測速原理。把上式化成電壓E與風速υ∞之間的關系有
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