热线风速仪这东西,说白了就是把一根细细的“火棒”怼进气流里,然后看火棒如何烧、如何动,凭这温度变化和气流速度算出风有多大。
那会儿那会儿老师傅可能凭手感摸一摸,目前全是高科技,核心就是靠两个探头,一个测高温,一个测低温,要么测温差。
你想想,风一吹,高温探头那边温度飙升,瞬间超过铁熔点,这时候它一断电,高温探头就“啪”地一声炸了,这是个硬伤;而低温探头那边温度会猛地跌落,就连落到水沸腾的临界点以下,这时候它再断电,低温探头就没法直接烧了,是个软伤。
这两点拍板了热线风速仪啊,就是那个“听音识微”的高手,它不是靠眼看,是靠耳朵听,听的是那个瞬时的热力响应。 那它到底是个啥原理呢?实际上就一句话:测的是气流对热线的冷却功能。空气是个凉快的牲口,比铁头的温度低多了。当高速气流扑过来,它就像个狂热的围攻者,往铁头上冲,把铁头给烫伤了。
这种冷却效应有多了得呢?一念之间,要是风速够高,铁头就能烫穿;要是风速不够,铁头还好好的。
这实际上是个热力学难题,就是热量传递的难题。当气流速度超过临界值,热量跑不掉,铁头就烧了;反之,要是气流慢吞吞的,热量还来不及散,铁头就发烫。
这就好比你在河边捞鱼,水急不中,水慢也不中,得看水流多快。 那具体是如何算的?这就得靠数学了,别看不用那么复杂的公式,但逻辑得理顺。热线的冷却本事跟温差成正比,跟风速成正比。温差越大,冷却越快,风速越快,冷却越强。
反过来,风速慢了,温差小了,冷却就慢。
这时候,冷却功能的大小,就拍板了热线能不能承受住这个速度。
要是热线承受不住,它就得烧;要是烧了,那就意味着气流速度超过了临界速度。
故此,我们测的就是这个临界速度。 说到临界速度,那得给个具体数儿。比方说铁头是个 100 摄氏度的,空气温度是 25 摄氏度的。
要是风速是 1 米每秒,那冷却效应可能只能让铁头升高 10 度,这时候铁头还是 35 度,彻底没难题。
可是,一旦风速冲到 2 米每秒,冷却效应可能让铁头升高 20 度,这时候铁头就烧了。
实际上不同金属的耐热性不一样,铜的高温性能更好,故此用铜做的热线测风,比用铁做的热线测风更准。
不过话说回来,铁头的结构好办,成本低,别看发热快,但有时候也能用上,毕竟便宜好用嘛。 那要是空气流动挺慢呢?这时候冷却功能挺弱,热线温度慢慢升高,但还没到烧断的程度,这时候就是吸热阶段。
这时候,线段的温度升高,反过来又会影响它的冷却效率,这就是个恶性循环,最终害得温度上限下降。
这时候,我们就得寻思线段的吸热效应了。吸热效应跟温度差和风速相关,风速越快,吸热越少,冷却效应越强。
故此,当风速超过某个数值,热线就会烧断;当风速低于某个数值,热线会吸热。
这就是两个阈值,一个临界速度,一个最小速度。 那如何测出这两个阈值呢?一般是用双热线法。一套热线测高温,一套测低温。高温热线一烧,就知道上限是多少;低温热线一冷,就知道下限是多少。
然后,用这两个阈值算出风速。
比方说,高温热线在 100 度时烧断了,低温热线在 20 度时启动吸热了,那这两个温差对应的风速,就是临界风速。 实际上这背后还有个“临界层流”的概念。流体流动时,有时候是个层流,有时候是个湍流,取决于速度。当速度够大,空气就会变得挺乱,形成湍流。
这时候,空气的摩擦阻力就变大了,对热线的冷却功能也变大了。
故此,热线风速仪实际上就是在告诉你,当前气流是不是处于湍流状态,还有流速具体是多少。 那在实际应用里,大量时候不需求知道精确系数。
比如风场监测,只要知道大约有几米每秒风就行,不需求特别精确。
这时候,用几十块钱的热线就够了。它比皮托管便宜,皮托管还得算公式,还要寻思皮管形状对风阻的影响,有时候还得寻思环境气压,那忒费事了。热线电话好办,就是两根线串起来,一根烧了,一根冷了,瞬间就知道风多大了。有些老式设备就连不用金属,直接用玻璃管,把风喷进去,看温度变化。
不过这种老式设备早就淘汰了,目前都是带混频器的,能直接输出电流信号,撇脱计算机处理。 有时候,用户可能还会问,那能不能测逆风?逆风的时候,风从后面吹过来,是对着热线吹的,这时候冷却效应是反向的。
实际上原理是一样的,只是方向反了。
要是风速大于临界风速,热线烧断;要是风速小于临界风速,热线吸热。
故此逆风测也是成立的,只是数值要反向。 那有没有啥缺点呢?自然有。
起初就是寿命难题。热线要是过热了,寿命就短了。出于过热意味着冷却功能忒强,冷却越快,寿命越短。为了延长寿命,得管住工作温度,不能让它过热。温度对测量结局的影响。
要是环境温度变化大,空气冷却性变化大,那测量出来的风速就不准了。
比如夏天热,冬天冷,同样的风吹,冷却效果不一样,测出来风速可能偏差挺大。
还有,非线性难题。温度越高,冷却系数越大,那就是个非线性关系,不是好办的正比,这就有点复杂了。 不过,总体来说,热线风速仪这东西,好办、便宜、好用。
只要知道根本原理,配合好办的数学公式,就能测出风的速度。它特别适合做风速计、风向仪,就连在飞机上测风速。目前用得越来越多了,出于它的成本挺低,维护也好办。别看不能像激光多普勒测风仪那样精确到厘米,但在大多数场合,它足以应付。
毕竟,风这东西,本身就不归于那高精尖领域,略微粗糙点也没关系嘛。 最终再说说如何用。
实际上原理挺好办,就是让热线通个电,让它保持恒定的温度。
然后,让气流吹过它,看温度如何变。
要是温度飙升超过铁熔点,说明风忒快了,烧断了。
要是温度跌下来,说明风慢了,冷却忒了得。
然后,根据这个温差和风速的关系,就能算出风速。 实际上,这个过程中,线段的吸热效应和冷却效应是相互制约的。冷却效应越强,吸热效应就越弱。当风速增添,冷却效应增强,吸热效应减弱,直到临界点。
这时候,吸热和冷却达到了一个平衡状态。
要是风速持续增添,冷却效应过不去这个平衡点,那就烧了。
反之,要是风速削减,吸热效应占上风,那就冷了。
这就是为啥热线风速仪有两个阈值,一个上限,一个下限。 故此,总结一下,热线风速仪就是个靠测温判断风速的“火眼金睛”。它利用空气冷却热线的原理,通过测量热线的烧断点和吸热点,间接推算出风的速度。别看它不能做到毫厘不差,但对于一般的风速监测来说,已经充足精准了。好办、实用、便宜,这就是它存有的意义。