Среди разнообразных методов измерения скорости воздушного потока тепловые расходомеры привлекают своей простотой. Они также отличаются несложной конструкцией, низкой стоимостью и превосходной чувствительностью к слабым потокам менее 1000 fpm (fpm – фут в минуту). Во всех термоанемометрах используется взаимосвязь между скоростью потока воздуха AF и тепловым сопротивлением ZT нагреваемого датчика. Одним из практических примеров такой взаимосвязи является эта модель теплового сопротивления корпуса ТО-92:
где:
ZJ = 44 °C/Вт – тепловое сопротивление переход-корпус,
SC = 6.4 мВт/°C – тепловое сопротивление корпус-окружающая среда при неподвижном воздухе,
KT = 75 мкВт/°C·√fpm – коэффициент термодиффузии в формуле Кинга,
AF – скорость потока воздуха в футах в минуту.
В этой модели необработанный выходной сигнал датчика по своей природе нелинеен относительно скорости потока, что является общей проблемой для всех термоанемометров. Для компенсации этой нелинейности в схеме должны быть предусмотрены средства линеаризации. Схема на Рисунке 1 объединяет идеи двух более ранних статей [1] и [2]. Она представляет собой простой линеаризованный (с точностью ±5%) термоанемометр с компенсацией температуры окружающей среды. Это надежное и энергоэффективное устройство, потребляющее менее 1 Вт общей мощности от одной шины стабилизированного питания 5 В.
 | |
| Рисунок 1. | В схеме, объединившей идеи, предложенные в двух более ранних статьях, реализован простой линеаризованный термоанемометр. Это надежное и энергоэффективное устройство с компенсацией температуры окружающей среды. |
В процессе работы усилитель A1 стабилизирует разность температур (около 25 °C) между транзисторами Q1 и Q2, независимо от изменений теплового сопротивления и температуры окружающей среды. Для этого A1 поддерживает постоянное соотношение напряжений база-эмиттер двух транзисторов. Это может быть сделано путем управления токами коллекторов и, соответственно, рассеиваемой мощностью последовательно соединенных устройств.
Поскольку через оба транзистора проходит один и тот же ток IQ, их относительная рассеиваемая мощность определяется исключительно соответствующими напряжениями коллектор-эмиттер VQ1 и VQ2. Для всех допустимых режимов работы VQ1 > VQ2 (за этим следит транзистор Q3). Таким образом, для любого заданного тока IQ транзистор Q1 всегда будет рассеивать больше мощности и выделять больше тепла, а значит, при работе он будет более горячим, чем включенный диодом транзистор Q2. Следовательно, по мере увеличения скорости воздушного потока и уменьшения теплового сопротивления усилитель A1 может поддерживать любое выбранное соотношение температур транзисторов Q1/Q2 за счет увеличения IQ. Результирующий ток IQ, зависящий от воздушного потока, создает падение напряжения на резисторе R1, которое затем смещается и усиливается усилителем A2. В свою очередь, он становится выходным сигналом анемометра VO с диапазоном напряжений от 0 до 2.5 В, масштабом 10 мВ = 1 fpm (примерно 2.5 kts – навигационных миль в час) и полной шкалой 0 … 250 fpm.
При этом Q3 совместно с A2 стремятся ограничить максимальное напряжение на R1 примерно до 2 В. Это сделано, чтобы избежать риска защелкивания, которое могло бы произойти, если бы выходному напряжению A1 было позволено слишком приблизиться к напряжению шины 5 В. В этом случае VQ1 приблизится к VQ2. Тогда было бы невозможно достичь запрограммированной разности температур и отношения напряжений база-эмиттер транзисторов Q1 и Q2, независимо от того, насколько мог бы увеличиться ток IQ. Аналогично, резисторы R7 и R8 защищают от защелкивания при первом включении схемы.
А как насчет линеаризации измерений? Как видно из Рисунка 2, внутренняя квадратичная зависимость между IQ и относительной рассеиваемой мощностью Q1/Q2 неплохо справляется с компенсацией нелинейности. За счет нее устраняются все ошибки линейности во всем диапазоне скоростей, за исключением погрешности полной шкалы ±5%. Кроме того, калибровка анемометра выполняется быстро и просто. Для этого пара транзисторных датчиков просто помещается в поток медленно движущегося воздуха (почти, но не совсем неподвижного; идеально подходит значение AF от 5 до 7 футов в минуту). Затем с помощью подстроечного резистора R6 устанавливают ноль выходного напряжения (VO = 0).
 | |
| Рисунок 2. | Квадратичная зависимость между IQ и относительной мощностью, рассеиваемой транзисторами Q1/Q2, неплохо устраняет все ошибки линейности во всем диапазоне скоростей, кроме ±5% погрешности полной шкалы. |
«Транемометр» («tranemometer» – термин, придуманный автором статьи, прим. ред.) характеризуется константами схемы, которые масштабируют его выходной сигнал для VO = 0.01 В/fpm = 1 В/kts. Впрочем, при соответствующем выборе сопротивлений R1, R2 и R3 схема может быть адаптирована практически для любого диапазона скоростей воздушного потока.