Anemòmetre de fil calent

Definició

Un anemòmetre de fil calent és un dispositiu utilitzat per mesurar la velocitat i direcció d'un flux de fluid quantificant la pèrdua de calor d'un fil calent exposat al flux de fluid. El fil es calenta mitjançant una corrent elèctrica, i el seu canvi de temperatura — causat per la transmissió de calor al fluid — serveix com a indicador de les característiques del flux.

Quan el fil calent es col·loca en el flux de fluid, la calor es convecta des del fil al fluid, fent que la temperatura del fil baixi. El canvi de la resistència elèctrica del fil (a causa de la variació de temperatura) està directament relacionat amb la velocitat del fluid, permetent la mesura de la velocitat.

Basat en el principi de la transmissió de calor d'un objecte a alta temperatura a un fluid a temperatura més baixa, l'anemòmetre de fil calent s'utilitza ampliament com a eina de recerca en mecànica de fluids per estudiar dinàmiques de flux complexos.

Construcció

Un anemòmetre de fil calent consta de dos components principals:

• Fil Conductiu
  

• Un fil fin i resistiu (per exemple, platí o tungstè) allotjat dins d'una sonda de ceràmica o metàl·lica.

• El fil es troba exposat al flux de fluid, on actua com a calorífic i sensor de temperatura.

• Els conductors del fil s'estenen des de la sonda per connectar-se a la circuitària de mesura.

• Circuit de Pont de Wheatstone

• Un circuit elèctric de precisió utilitzat per mesurar canvis minuts en la resistència del fil.

• El pont està calibrat per detectar les variacions de resistència causades per la pèrdua de calor al fluid, traduint aquests en lectures de velocitat de flux.

Funcionament: Mètode de Corrent Constant

• Configuració: La sonda de l'anemòmetre es posa en el flux de fluid cuya velocitat necessita ser mesurada.

• Calentament del Fil: Una corrent elèctrica constant passa pel fil conductiu, escalfant-lo a una temperatura superior a la del fluid.

• Transmissió de Calor: Quan el fluid flueix sobre el fil, porta calor, baixant la temperatura del fil. Les velocitats de flux més ràpides incrementen la pèrdua de calor, conduint a una major disminució de la temperatura.

• Mesura de Resistència: El pont de Wheatstone monitoritza la resistència del fil, que disminueix amb la temperatura (per a la majoria dels metalls). El circuit del pont es manté a una tensió constant, permetent correlacionar els canvis de resistència amb la velocitat del fluid a través de relacions precalibrades.

Aplicacions Clau

• Recerca en aerodinàmica, hidrodinàmica i flux de capa límit.

• Mesura industrial de flux en condutes, sistemes HVAC i túnels de vent.

• Estudis ambientals del moviment de fluids en oceans, atmosferes i sistemes biològics.

Avantatges

• Alta sensibilitat a fluctuacions ràpides de flux (ideal per a l'anàlisi de flux turbulent).

• Disseny compacte que permet la mesura en espais confinats.

• Mesura directa tant de la velocitat com de la direcció del flux amb l'orientació apropiada de la sonda.

Quan el fil calent es col·loca en un flux de líquid, la calor es transmet des del fil al fluid. La quantitat de calor dissipada és directament proporcional a la resistència del fil. Com la pèrdua de calor disminueix, la resistència del fil també ho fa. El pont de Wheatstone mesura aquestes variacions de resistència, que es correlacionen amb la velocitat del líquid.

Mètode de Temperatura Constant

En aquesta configuració, una corrent elèctrica escalfa el fil. Quan el fil calent es troba exposat a un flux de fluid, la calor es transmet des del fil al fluid, provocant un canvi en la temperatura del fil — i, per tant, en la seva resistència. El mètode opera segons el principi de mantenir la temperatura del fil constant malgrat la pèrdua de calor.

Un mecanisme de retroalimentació ajusta la corrent elèctrica a través del fil en temps real per contrarestar la dissipació de calor. La corrent total requerida per restaurar i sostenir la temperatura inicial del fil és directament proporcional a la velocitat del fluid: les velocitats de flux més ràpides requereixen corrents més elevades per compensar la pèrdua de calor augmentada. Això permet una mesura precisa de la velocitat de gas o líquid correlacionant els ajustos de corrent amb la dinàmica del flux.

Mesura de la Velocitat del Flux de Fluid Amb un Anemòmetre de Fil Calent

En un anemòmetre de fil calent, una corrent elèctrica escalfa un fil fin situat dins d'un flux de fluid. El circuit de pont de Wheatstone s'utilitza per mesurar la temperatura del fil monitoritzant la seva resistència elèctrica, ja que la resistència varia amb la temperatura.

Per al mètode de temperatura constant (un mode d'operació comú), la temperatura del fil es manté a un nivell fix malgrat la pèrdua de calor al fluid. Un mecanisme de retroalimentació ajusta la corrent de calentament en temps real per contrarestar la dissipació de calor, assegurant que el pont roman equilibrat. La magnitud de la corrent de calentament requerida per sostenir aquesta temperatura constant és directament proporcional a la velocitat del fluid, permetent una mesura precisa de la velocitat.

Un resistor estàndard està connectat en sèrie amb el fil de calentament. La corrent que passa pel fil es pot determinar mesurant la caiguda de tensió a través del resistor, que es mesura amb precisió utilitzant un potenciómetre.

La pèrdua de calor del fil calent es pot quantificar utilitzant la següent equació:

On:

• v = velocitat del flux de fluid,

• ρ = densitat del fluid,

• a i b = constants dependents de les dimensions, les propietats físiques del fluid i el fil.

Assumint que I és la corrent a través del fil i R és la seva resistència, a l'equilibri: 

La resistència i la temperatura de l'instrument es mantenen constants per mesurar la velocitat del fluid mesurant la corrent I.

Aquesta configuració utilitza la relació entre la velocitat del fluid, la transmissió de calor i la resistència elèctrica per proporcionar dades de velocitat de flux precises i dinàmiques en diverses aplicacions, des de la recerca en laboratori fins al control de processos industrials.

Lleventant l'interacció entre la transmissió de calor, la resistència elèctrica i la dinàmica de fluids, l'anemòmetre de fil calent continua sent una eina fonamental per a la caracterització precisa del flux en disciplines científiques i d'enginyeria.