热风速计－不同的电路和传感器

二、校准程序

2.1空气速度

以获得已知的速度的空气流中我使用了一个真空吸尘器中，从一个可变的变压器供电。 这样的风扇速度可以被任意地设定在一些范围。 吸尘器软管被连接到一个文丘里管来测量流速，并与其中所测试的探针置于中央的喷嘴端的装置。 为了扩大测量范围，我可以22，46和86毫米口径喷嘴之间交替。 知道它的直径和假设一个均匀的空气速度超过其摄入面积A（M 2）它是基本的，从流量Q（ 立方米 /秒）转换为速度V（米/秒）：V = Q / A。 运行一段时间后，风扇将热量传递给它的空气。 以避免杂散影响，空气被从室内吸入的，而不是从喷嘴吹出。

流量计文丘里管有两个探头孔，以测量来自输入的压力降，以收缩。 凭借伯努利定律的这种下降是成正比的流速的平方，是采取了水ü压力计，后来与一个压差传感器。 该管被校准，通过测量经过的时间来填充塑料袋已知体积。 文氏管的收缩，这样的压力是部分恢复后逐渐扩大。 此无关的流量测量正因为如此，但它减少了流量计的节流作用。

有校准的空气速度的替代方法。 探针可以把一个马达驱动的小车，或在一个旋转臂的端部。 或者你可以用一些校准参考风速计比较。

2.2温度

一个想知道的探头元件的温度。 对于热敏电阻和热丝很简单，因为电桥平衡条件（相同的电阻比两​​侧）讲述了他们的热电阻。 对于那些对温度然后可以从它们的已知抗冷性和温度系数计算出来的。

对于直接测量我用一个小油装满容器，在数字温度计探头进行。 第一风速计电路静置空气，其输出电压被记录为稳定。 容器加热用烙铁和然后使之冷却下来的同时慢慢将温度跟踪的温度计。 间隔探针热元件浸入油中。 在那里的风速仪输出，那么住在其先前记录值的点，油温等于探头尖端。 小纸翼的照片是从热空气从油浴中升起屏蔽寒冷参考传感器。

三、造型探头热阻

3.1内部传感器加热

在内部加热探头的加热器和传感器是同一个元件。 下面是一个热类似于这样的探针。 它看起来像一个电路，但是事实并非如此。 取而代之的是电源流过导体，未电流。 并有温度发展了它的元素，而不是电压。 我们可以这样做，因为热阻的定义，这是发展的温差，所进行的权力划分。 热电阻的测量是在K / W，每瓦度（开尔文或摄氏）。 这就是欧姆定律的热变化。

在上边是一个发生器，喷射功率P（瓦特）进入电路。C是焦耳（瓦特*秒）每度（K或℃）测得的器件（例如晶体管）的热容量，并且它的内部温度（结温）是T O。 所有温度是相对于周围环境='地'。

最初的渐进加热后的“电容”充电（=加热），以一个固定的温度。 一旦这已经达到可以忽略。然后所有的功率将流过固定电阻R O（芯片和外壳），并在表面温度T S产生。T S取决于功率P和两个并联电阻。 其中之一是中 R 1代表像传导的连接导线的热损失。 另一种是在可变电阻的R v表示从空气流的冷却。

对于导线P和T S之间的一个基本关系置于垂直于流动有人建议由LV国王（1914年）。 在一个简单的形式，它会读取P = T S / R诉 = A + B * V 0.5，其中A和B是依赖于面积和气体性质校准常数。 在足够高的速度V，我们可以进一步下降的一个常量来呈现最大限度简单表示R诉 = K RV / SQRT（V）。 指如半阻力在空气中的速度4米/秒相比，1米/秒。 这种关系被认为是适用于下面40的雷诺数。雷诺数Re为（RHO）* V * D /（亩），其中（RHO）的密度（1.2千克/米3）和（亩）是粘度（1.81 * 10 -5 NS /米2）为空气。 以最快的速度在这里考察，V = 25米/秒，然后重= 40时达到的特征维数D =0.024毫米，约1密耳。 我们的传感器大于由很远，在相同比例的雷诺数，所以我们不能指望国王的法律是准确有效的为我们的应用程序。 在实验工作（第4段），当R O已直接估计，则也指数为V进行了优化的数据。 从它出现的 R v用于本更大的传感器变化更像成反比加速，而不是在此的平方根。

那么系数k 旅行车得到K（米/秒）/毫瓦的尺寸。 这可能是方便的是要记住，R诉和k 旅行车得到相同的数值在风速1米/秒（相当于3.6公里每小时，大约197英尺/分钟，或2.24英里/小时）。

下面是使用该模型的理论校准曲线的几个例子。 他们表现出的输入热电阻R TOT与变化 空气的速度，这一措施主要是成正比的电压U以简单的方式，对偏移和缩放后毫安表也许如图所示。 他们是归一化，使得他们都在无限的气流速度，其中R V = 0达到单位价值。 其下限为R O /（R O + R L），与这些图示的值，我们到达了值的1/3。 每个图中曲线之间的差异仅限K 休旅车 ，它反映了传感器的渺小。

这两个曲线组表现出同样的事情，但左边的一个是空气速度的线性度，而右边的是基于对数。 你会注意到一个对数刻度也被用在各种电路的早期文稿。 因为零不能对数刻度显示，天秤是破碎的，追加部分显示零速读在最左边。

这应该是显而易见的，与单一范围的纯模拟仪表显示的结果是一个非常好的选择。 然后，它将有一个规模不算大的对数1偏离，像右图所示。 注意，对数标度的所有曲线具有相同的基本形状，仅沿轴速度换算。

从背景公式一定的研究，绕过代数的细节，而是由这些曲线的支持，我会推荐两个派生关键参数的传感器特性：

品质因数：Q = R L / R O

为了得到一个敏感的探测器，我们希望所提供的功率P在R v要消散的较大部分。 应在静止空气中使用的功率的很大差异，相对于在高空气速度。 这要求内阻R O应尽可能小（传感器具有良好的热导体），并且引线泄漏中 R 1应尽可能地大（连接布线不良的热导体）。 这两个条件被组合在Q因子。 Q反映探针的设计和材料的传感器及其连接的热特性。 它无关的工作原理和电路。 在该示例中曲线Q = 2。 我建议附加问答小于1的探针是很难值得使用。 在这种极限情况下，静止的空气动力是成功的一半功率的无级调速。

中档速度：V M = K 旅行车 *（R O + R L）/（R O R L）

一个中等范围V M正值当空气冷却电阻R诉等于R O和R L的并联组合。 上述公式假设R诉是成反比的速度。 观察该系数k Rv为也反比于被空气流冷却，传感器区域传达一个重要的信息。 使风速计为低速ĶRv的要小，即传感器具有很大的面积。反之，一米高的速度应该有一个小的传感器。在示例曲线V M = 0.6 ， 1.2 ，3，和6米/秒分别。

规模总有用的范围内，在大约1:100的例子，不依赖明显Q或虚拟机。但幅度确实增加，当1 / R诉有国王的法律平方根的V依赖性，而不是被发现的，本探针的直接比例。

我们还可以对内部R O和表面R诉电阻之间的关系的简化直接推理。让我们假定直径为D的圆线的传感器元件。内部的热传导阻力是一方面正比于加热行驶距离，即正比于D 。另一方面它是成反比的横越的热流的表面。这也正比于D 。因此， R O应该是独立的丝径。

电导率的1 / R诉的值正比于表面，因此，至D，并且另外的空气速度V某些功率x 。这导致了两个电阻之间的商数为R O / R ν= （常量） * D * V X 。这比必须小，例如小于1时，为探针是有用的。如果大，那么R O将主导使得电表变得或多或少不敏感​​在R v的任何更改。的重要后果是，所述探针粒径D把一个限制，可以测量的最高速度V 。你要测量的更高速度，更小的探头将要。同样的关系，如果你假设如球形元件，其中的热量走过表面正比于D 2 ，而不是ð为准。

3.2外部加热传感器

外部加热消除了问题，即加热功率注入可以用温度感知干扰。 这里是我的身影是相关但简单的热比喻为一个外部加热的探针。 该传感器被封装在一个单独的主体，热连接到由R O的加热器，其中包括其内部的压降。 现在有加热器的热容C H和该传感器，C S之间的区别。 在R O - 六，C s电路使一个低通滤波器，减慢运作，提高稳定性问题由电反馈电路来处理。 例如，当C s被加热并达到目标温度T s，则电路关闭电源。 尽管如此，C S将更加激烈从已经存放在C h时的能量。

突出的是，传感器温度T S去更多的比例单独R诉 ，而不是R O加R诉并联到R L的总和。 显然，人们仍然要努力保持中 R 1大，以尽量减少连接导线的热损失。

的外部加热传感器的原理可以延长使用范围的空气速度测量，但稳定性判据及其长的时间来适应可能是一个严重的缺点。

四、为热阻实验值

这是可能估计在测试探针的各种热电阻近似的数值。 其出发点是那么的输出电压U一个两列的表格与空气速度V，我用Excel进行的目的。 这些数据的示例是与上面的电路中所示的校准曲线。 下一个步骤是开发加热的电压和电流的表。 这些都可以从U和在电路图中有关内容进行推断。 他们的产品呈现功率P EXP，实际开发中的加热元件的值，每个测量速度的一个值。然后我提出了一组三个常数，则至今未知值R O，R L和K表的房车 。 从后者的另一列被计算，应用指数法像国王找到不同的 R v为校准的点。 现在我们在位置计算的热类推，R 邻即总和与R L和R诉的并联组合的总输入的热阻。 知道了温升T，从而计算假设模型功率P 模 = T / {R O + R l研究V /（R L + R V）}。
这些P 模形成一个附加列，每一件校准点的。 一个最终的柱计算它们的相对误差的平方，相对于实际功率为E 2 = {P 模 / P EXP -1} 2，并且这些归纳为一个单元，以指示数据和模型之间的总的不匹配。 最后一步是让Excel规划求解自动循环三种阻力系数，以便尽量减少错配。 为了获得热电阻绝对值，我们必须知道温升T，否则只有它们的相对值将导致。

在此之前用了几个单个点的典型均方根误差E在2％左右，较高的相当成功。 但自动迭代有一台最低，这三个系数之间，以使其他结余可以给模型和数据之间的几乎一样好对应。 另外，在某些情况下，这些最优解的了R O是不是身体接受负值。 但R O的确可以直接估计。 从“无限”的气流速度，即R诉= 0的冷却，我们可以分别确定R O = T / P INF。 所以校准表中分别添加这种极端点，距离U达到当探头强行冷却的电压决定。 这是由浸泡并搅动它在室温下WW石脑油完成。 幸运的是在所有情况下的电压可能不超载放大器供电。 但该教派。 1.5，24V灯的情况下给了一个不正常的结果，这种激进的散热还是给了一个较低的电压比使用的最高风速。 也许这可以通过其螺旋缠绕的丝凭借粘度阻碍液体冷却器来解释。

得到这个R上的O模型和数据之间所产生的总场比赛的幅度相对牢固的抓地力是一个令人失望（迭代中R 1和k 旅行车只）。 下一步就是再假设R诉= K 旅行车 / V XV，在这里就不仅限K 休旅车 ，也是指数x V的迭代的最佳匹配。 根据国王的法律，这指数应该是0.5的平方根。 但对于各种探头迭代它在0.85集群 - 使用NTC，桥在0.71和外部加热1.31 1.15范围内，再加上极端。 大概也探头表面结构具有影响力。 无论如何，我再选择使用x垂直= 1贯穿始终，即R诉= K RV / V，在模型匹配无明显损失。 从理想的理论，也是基于经验的偏差，可能远远超过了国王的法律规定的范围内是合理的，与目前的探针雷诺数。

在数米和探头呈现以下参数值。 他们是近似的，因为测量是不是太准确。 照片背景文件有5个平方毫米。

		Section	1.1	1.1	1.1	1.1	1.2	1.3	1.4	1.5	1.5
Quantity	Symbol	Dimension	TO18  Cu leads	TO18 Fe leads	SOT23 Cu leads	SOT23 Fe leads	Ext Diode	NTC bridge	Ext NTC	Lamp 24V	Lamp 6V 30mA
Int. res.	Ro	K/mW	0,24	0,24	0,22	0,21	0,03	0,10	0,02	0,12	0,35
Loss  res.	Rl	K/mW	0,09	0,13	0,07	0,55	0,12	0,24	0,19	2,18	6,90
Cool coeff.	kRv	K(m/s)/mW	0,15	0,09	0,47	0,30	0,11	0,38	0,25	1,06	7,43
Temp. rise	dT	K	30	39	29	32	5	5	7	20	22
Error	E	%	0,4	0,6	0,4	2,2	2,7	4,4	9,6	13,0	7,4
Quality	Rl/Ro	-	0,4	0,5	0,3	2,7	4,6	2,3	11,4	19,0	19,6
Mid speed	Vmed	m/s	2,4	1,1	8,9	2,0	5,1	5,2	16	9,7	22
Time const	t	s	30	40	4	3	15	4	10	-	-

这是令人鼓舞的R O值的晶体管同意合理与0.2的K / mW结到外壳，表示在他们的数据表。

此图显示了指示表盘刻度会是什么样的各种备选方案。它们来自于实际测量的电压和被扩展，使得所述范围是从0至20米/秒。左边的数字是U电压为左轴末端（0）中的％的满量程（20）。随着低质量探头这个偏移量是相当高的。

这些量表的自加热功率的早期理论的例子不同，和U是不成正比的底部五个一箱。

我觉得没有明显的解释，为什么规模为NTC桥来得非常接近理想的对数。

在这里，另外两个探头，报警例子不很成功：

照片	类型	评论
	1.1 TO18	与晶体管使用Araldit双组份EPOXI铝管内盆栽崎岖的形式。 增加的质量和热电阻使沉降时间几分钟。 敏感性降低到大约一半，它变成了坏的再现校准。 看起来不错，但是是完全无用的。
	1.5 灯 12V 5W	卤素灯。 冷电阻小于1欧姆，需要额外的电源驱动。

五、结论

不同的电路和探头的设计研究数均触手可及的方便业余构建。它们在空气中的速度范围从0.25至25米/秒（ 0.56 〜56 MPH）进行了测试。看来，没有人能在性能与竞争一个正统的热线式风速计，使用亚微米线，这样，就需要特殊的设备来实现。这一理想的最佳逼近被发现在白炽灯与折断的灯泡。这些脱颖而出的响应时间比使用晶体管，二极管，或NTC电阻器的替代品短幅度。

王定律描述了一个探头的冷却是在比重为方形的空气速度的根，在低于40的雷诺数。本探针是大到足以呈现高得多的雷诺数和实验表明，冷却效果则宁可速度成正比。这降低了速度范围该探头是非常有用的。这包括灯丝探针由于其螺旋结构，其中有效直径被扩大。

的各种电路和原则是由本身不测量范围非常重要。相反，重要的是探针的热传导性能。一个质量度量被定义为热电阻的连接导线由从有源区内部的热电阻冷却的表面分割的比例。这本质上是好得多的导线比象晶体管，二极管，热敏电阻或一个集总装置。一个晶体管探头提高时，其连接导线从铜线变成了热传导性较低铁合金一个壮观的方式。

一个措施是对中档空气速度V m，其中一个探针是非常有用的开发。这取决于如何将冷却的区域涉及到热传导探头内。一个重要结论是， V M成反比探头元件尺寸。举例来说，这意味着它们像一个TO18晶体管相对较大的传感器适合于测量只有低的空气速度。

在这些电路中我使用了TS462双运算放大器，也可以在单一和四版本，电池最大。 10V电源。该类型并不重要可言，您几乎可以使用任何通用运算放大器的类型，例如像741 ，用于安装在我的器官我选定了其中出现一个不错的选择结合性能，简单性和耐用性的热敏电阻电桥。