Термически анемометър

Дефиниция

Топлинен анемометър е устройство, използвано за измерване на скоростта и посоката на течението на флуид, като се квантифицира загубата на топлина от топло нагрет проводник, изложен на потока на флуида. Проводникът се нагрява чрез електрически ток, а промяната в неговата температура, причинена от прехода на топлина към флуида, служи като индикатор на характеристиките на потока.

Когато топлият проводник е поставен в потока на флуида, топлината се конвектира от проводника към флуида, причинявайки намаление на температурата на проводника. Промяната в електрическото съпротивление на проводника (в резултат на вариацията на температурата) е директно свързана с debitа на флуида, позволявайки измерване на скоростта.

Основан в принципа на прехода на топлина от обект с висока температура към флуид с по-ниска температура, топлинният анемометър е широко използван като научен инструмент в механиката на флуидите за изучаване на сложните динамични потоци.

Конструкция

Топлинният анемометър се състои от две основни компонента:

• Проводник
  

• Фин, резистивен проводник (например платина, волфрам), разположен в керамична или метална сонда.

• Проводникът е изложен на потока на флуида, където действа както като нагревател, така и като датчик на температура.

• Водачи от проводника излизат от сондата, за да се свържат с измервателната схема.

• Схема на Уитстън

• Точна електрическа схема, използвана за измерване на милимални промени в съпротивлението на проводника.

• Мостът е калибриран, за да детектира вариации в съпротивлението, причинени от загуба на топлина към флуида, превръщайки ги в показания за скоростта на потока.

Функциониране: Метод на постоянен ток

• Подготвяне: Сондата на анемометъра се позиционира в потока на флуида, чиято скорост трябва да бъде измерена.

• Нагреване на проводника: Константен електрически ток минава през проводника, нагрявайки го до температура, по-висока от тази на флуида.

• Преход на топлина: Когато флуидът протича над проводника, той отвежда топлина, намалявайки температурата му. По-високи скорости на потока увеличават загубата на топлина, водейки до по-голямо намаление на температурата.

• Измерване на съпротивлението: Схемата на Уитстън наблюдава съпротивлението на проводника, което намалява с температурата (за повечето метали). Схемата се поддържа при постоянна напруга, позволявайки корелация между промените в съпротивлението и скоростта на флуида чрез предварително калибрирани отношения.

Основни приложения

• Изследвания в аеродинамиката, хидродинамиката и потока на границата на слоя.

• Индустриално измерване на потока в тръби, HVAC системи и вятърни тунели.

• Екологични проучвания на движението на флуидите в океани, атмосфера и биологични системи.

Преимущества

• Висока чувствителност към бързи колебания на потока (идеално за анализ на турбулентни потоци).

• Компактен дизайн, позволяващ измерване в ограничени пространства.

• Директно измерване както на скоростта, така и на посоката на потока с подходяща ориентация на сондата.

Когато топлият проводник е поставен в потока на течност, топлината се преизвежда от проводника към флуида. Количество излъчена топлина е директно пропорционално на съпротивлението на проводника. Като загубата на топлина намалява, съпротивлението на проводника също намалява. Схемата на Уитстън измерва тези вариации в съпротивлението, които след това се корелират с debitа на течността.

Метод на постоянна температура

В тази конфигурация, електрически ток нагрежда проводника. Когато топлият проводник е изложен на потока на флуида, топлината се преизвежда от проводника към флуида, причинявайки промяна в температурата на проводника – и следователно, в неговото съпротивление. Методът работи по принципа на поддържане на температурата на проводника постоянна, несмотря на загубата на топлина.

Механизъм за обратна връзка регулира електрическия ток през проводника в реално време, за да противодейства на преизвеждането на топлина. Общият ток, необходим за възстановяване и поддържане на началната температура на проводника, е директно пропорционален на debitа на флуида: по-високи скорости на потока изискват по-високи токове, за да компенсират увеличената загуба на топлина. Това позволява точно измерване на скоростта на газ или течност, като се корелират корекциите на тока с динамиката на потока.

Измерване на debitа на флуида с топлинен анемометър

В топлинния анемометър, електрически ток нагрежда фин проводник, разположен в потока на флуида. Схемата на Уитстън се използва за измерване на температурата на проводника, като се наблюдава неговото електрическо съпротивление, тъй като съпротивлението варира с температурата.

За метода на постоянна температура (една от най-разпространените операционни режими), температурата на проводника се поддържа на фиксирано ниво, несмотря на загубата на топлина към флуида. Механизъм за обратна връзка регулира нагревателния ток в реално време, за да противодейства на преизвеждането на топлина, осигурявайки, че мостът остава балансиран. Размерът на нагревателния ток, необходим за поддържане на тази постоянна температура, е директно пропорционален на debitа на флуида, позволявайки точни измервания на скоростта.

Стандартен резистор е свързан в серия с нагревателния проводник. Токът, минаващ през проводника, може да бъде определен чрез измерване на нападащата напруга върху резистора, която се измерва точно с помощта на потенциометър.

Загубата на топлина от нагретия проводник може да бъде квантифицирана с помощта на следното уравнение:

Където:

• v = скоростта на потока на флуида,

• ρ = плътността на флуида,

• a и b = константи, зависещи от размерите, физическите свойства на флуида и проводника.

При допускане, че I е токът през проводника и R е неговото съпротивление, при равновесие: 

Съпротивлението и температурата на инструмента се поддържат константни за измерване на debitа на флуида чрез измерване на тока I.

Тази конфигурация използва взаимодействието между скоростта на флуида, прехода на топлина и електрическото съпротивление, за да предостави точни, динамични данни за debitа в различни приложения, от лабораторни изследвания до индустриално управление на процеси.

Чрез използване на взаимодействието между прехода на топлина, електрическото съпротивление и динамиката на флуидите, топлинният анемометър остава ключов инструмент за точна карактеризация на потока в научни и инженерни дисциплини.