Термоанемометр: принцип работы и применение¶

Термоанемометр — прибор для измерения скорости и направления газового или жидкостного потока, действие которого основано на зависимости теплоотдачи нагретого тела от скорости обтекающего его потока. Относится к классу анемометров и широко применяется в метеорологии, промышленной вентиляции, аэродинамических исследованиях и системах управления воздушными потоками.

¶Принцип действия

Основой термоанемометра служит чувствительный элемент — обычно тонкая металлическая нить, плёнка или терморезистор, нагреваемый электрическим током. Поток среды отводит от элемента тепло тем интенсивнее, чем выше его скорость. Это позволяет по изменению температуры или по затратам мощности на поддержание заданной температуры судить о скорости потока.

Количественная связь описывается законом теплоотдачи, эмпирически сформулированным Кингом в 1914 году:

при малых скоростях теплоотдача пропорциональна корню квадратному из скорости;
при больших скоростях зависимость приближается к линейной.

Существуют два основных режима работы:

режим постоянного тока — через элемент пропускают стабильный ток, а о скорости судят по изменению его температуры (а значит, и сопротивления);
режим постоянной температуры — электронная схема автоматически регулирует ток так, чтобы температура элемента оставалась неизменной; измеряемая величина — ток или напряжение нагрева. Этот режим обеспечивает более высокое быстродействие и широко используется на практике.

¶Устройство

Типичный термоанемометр включает:

чувствительный элемент (нить, плёнку, терморезистор) диаметром от единиц до десятков микрометров;
мостовую измерительную схему;
усилитель и блок обратной связи;
блок обработки и индикации сигнала.

Для измерения направления потока применяют многокомпонентные датчики: несколько нитей, расположенных под разными углами, либо вращающиеся зонды. Современные приборы часто оснащаются цифровыми преобразователями и микропроцессорами для линеаризации сигнала и вычисления осреднённых значений.

¶Виды

По конструкции и назначению выделяют:

нитевые — классический вариант с тонкой металлической нитью, применяемый в лабораторных исследованиях;
плёночные — чувствительный элемент напылён на подложку, что повышает механическую прочность;
терморезисторные — на основе полупроводниковых или металлических терморезисторов, распространены в портативных приборах;
многокомпонентные — для одновременного измерения скорости и направления;
портативные — бытовые и профессиональные приборы для вентиляционных и климатических измерений.

¶История

Первые термоанемометры появились в начале XX века в связи с развитием аэродинамики и гидродинамики. Работы Л. В. Кинга (1914) заложили теоретическую основу метода. В 1920–1930-е годы приборы начали применяться в аэродинамических трубах для исследования турбулентности. Существенный вклад в развитие метода внесли советские учёные, работавшие в области теплофизики и аэродинамики, в частности в ЦАГИ. С середины XX века развитие электроники позволило создать компактные и быстродействующие приборы, а с появлением микропроцессоров — автоматизировать обработку сигналов.

¶Применение

Термоанемометры используются в самых разных областях:

метеорология — измерение скорости и турбулентности ветра, в том числе в приземном слое атмосферы;
промышленная вентиляция и кондиционирование — контроль скорости воздуха в воздуховодах, оценка эффективности систем;
аэродинамика — исследование пограничного слоя, турбулентных течений, обтекания моделей;
теплоэнергетика — измерение расходов газов и паров;
медицина — спирометрия, оценка скорости выдоха;
автоматика — датчики массового расхода воздуха в двигателях внутреннего сгорания;
экология и охрана труда — контроль воздушных потоков на рабочих местах.

Особую ценность термоанемометр представляет там, где требуется измерение малых скоростей (от долей метра в секунду) и быстропеременных процессов, недоступных механическим анемометрам.

¶Преимущества и ограничения

К достоинствам относят:

высокую чувствительность к малым скоростям;
малое время отклика (до долей секунды и менее);
компактность чувствительного элемента, слабо возмущающего поток;
возможность измерения пульсаций скорости.

Ограничения:

зависимость показаний от температуры, давления и состава среды, требующая градуировки;
чувствительность нити к загрязнению и механическим повреждениям;
необходимость индивидуальной тарировки для каждой среды;
ограниченный диапазон измерений одним датчиком.

¶Градуировка и погрешности

Для получения достоверных результатов термоанемометр градуируют в потоке с известной скоростью, обычно с помощью аэродинамической трубы или эталонного сопла. Основные источники погрешности — изменение температуры среды, загрязнение чувствительного элемента, ориентация датчика относительно потока, а также тепловые потери через держатель. Современные приборы компенсируют температурную зависимость автоматически.

¶Современное состояние

Сегодня выпускаются как лабораторные термоанемометры высокой точности, так и портативные модели для полевых и производственных измерений. Развиваются методы лазерной и ультразвуковой анемометрии, однако термоанемометр сохраняет позиции благодаря простоте, чувствительности и способности регистрировать быстрые пульсации потока. В России приборы этого класса производятся рядом предприятий и научных организаций, а также широко представлены импортными моделями.

Источники: Кинг Л. В. «О конвекции тепла от тонких цилиндров», 1914; учебники по теплофизике и аэродинамике; техническая документация производителей анемометров; справочные издания по измерительной технике.