風速感測原理
風速感測器原理｜Hot-wire Air Velocity Sensor Principle
eyc-tech 熱線式風速感測技術解析
Hot-wire Air Velocity Sensor (CTA) Measurement Principle
熱線式風速感測器 (Hot-wire Air Velocity Sensor) 是利用感測元件與流體之間的熱傳遞來量測氣流速度。 常見的感測元件包括熱絲線或金屬薄膜。
當流體經過感測元件時， 會帶走部分熱量， 導致感測元件溫度下降， 進而改變其電阻值。
透過測量感測元件所需的電功率， 即可推算流體的流速。 此技術常見於 恆溫風速計 (Constant Temperature Anemometer, CTA)。
CTA 風速計系統架構
現代 CTA 風速計通常包含以下三個主要部分：
- 類比/數位轉換器 (ADC) 與資料擷取系統
- CTA 控制與使用者設定功能
- 風速校正系統與校準設備
資料擷取系統會接收 CTA 風速訊號， 並透過數位訊號處理技術 進行速度計算與資料分析。
風速量測與校正系統
CTA 風速計通常需要搭配校準系統 以確保量測準確度。
液體流速校準系統 通常涵蓋從數 cm/s 到 10 m/s 的速度範圍， 而氣體校準系統 則可從數 cm/s 延伸至接近 1 Mach 的速度範圍。
訊號處理與輸出
熱膜探頭接入感測器電路後， 氣體流速訊號會被轉換為電壓訊號， 經由差動放大與同相放大電路處理， 再送入 MSP430 微控制器的 12 位元 ADC。
微控制器根據量測訊號 計算出氣體流速， 並可依據使用者需求 輸出 4–20 mA 類比訊號。
CTA 風速計的非線性關係
CTA 的輸出電壓 E 與流體速度 U 通常呈現非線性關係， 常以冪次定律 (King’s Law) 或多項式模型 進行建模與校正。
此外， 流體密度、溫度等因素 都會影響熱傳效果， 因此 CTA 風速感測器 在使用前通常需要進行 速度響應校正與溫度補償。
FAQ
熱線式風速感測器如何工作？
熱線式風速感測器透過量測感測元件 與氣流之間的熱交換， 來推算氣流速度。 當氣流速度增加時， 熱量散失增加， 感測元件電阻與功率需求會隨之改變。
什麼是 CTA 風速計？
CTA (Constant Temperature Anemometer) 是一種保持感測元件溫度恆定的風速計。 透過測量維持恆溫所需的功率， 即可計算氣流速度。
為什麼風速感測器需要校正？
由於流體密度、溫度與環境條件 都會影響量測結果， 因此風速感測器通常需要 透過風洞系統進行校正， 以確保量測準確度。