Horkovláknový anemometr

Definice

Horkovláknový anemometr je zařízení používané k měření rychlosti a směru proudění tekutiny kvantifikací tepelných ztrát z horkého drátu, který je vystaven toku tekutiny. Drát se ohřívá elektrickým proudem a změna jeho teploty způsobená předáním tepla do tekutiny slouží jako ukazatel charakteristik toku.

Když je horký drát umístěn v proudu tekutiny, teplo se konvekčně přenáší z drátu do tekutiny, což způsobí pokles teploty drátu. Změna elektrického odporu drátu (z důvodu změny teploty) je přímo spojena s rychlostí toku tekutiny, což umožňuje měření rychlosti.

Založen na principu přenosu tepla z objektu s vyšší teplotou do tekutiny s nižší teplotou, horkovláknový anemometr je široce používán jako výzkumný nástroj v dynamice tekutin pro studium komplexních dynamických toků.

Konstrukce

Horkovláknový anemometr se skládá ze dvou hlavních komponent:

• Vodičový drát
  

• Jemný, odporný drát (např. platina, wolfram) umístěný uvnitř keramického nebo kovového čidlo.

• Drát je vystaven toku tekutiny, kde funguje jak jako ohřívač, tak jako teplotní čidlo.

• Vodiče vedoucí z drátu vedou z čidlo ke měřicímu obvodu.

• Mostový obvod Wheatstonea

• Přesný elektrický obvod používaný k měření malých změn odporu drátu.

• Most je kalibrován k detekci změn odporu způsobených tepelnými ztrátami do tekutiny, které jsou převedeny na hodnoty rychlosti toku.

Funkce: Metoda konstantního proudu

• Nastavení: Čidlo anemometru je umístěno v proudu tekutiny, jehož rychlost je třeba změřit.

• Ohřev drátu: Konstantní elektrický proud prochází vodičovým drátem, ohřívajíc ho na teplotu vyšší než tekutina.

• Přenos tepla: Když tekutina protéká drátem, odvádí teplo, snižujíc teplotu drátu. Rychlejší rychlosti toku zvyšují tepelné ztráty, což vede k většímu poklesu teploty.

• Měření odporu: Mostový obvod Wheatstonea sleduje odpor drátu, který klesá s teplotou (pro většinu kovů). Obvod mostu je udržován na konstantní napětí, což umožňuje korelovat změny odporu s rychlostí toku tekutiny pomocí předkalibrovaných vztahů.

Klíčové aplikace

• Výzkum v aerodynamice, hydrodynamice a hraniční vrstvě toku.

• Průmyslové měření toku v potrubích, HVAC systémech a větrných tunelech.

• Environmentální studie pohybu tekutin v oceánech, atmosféře a biologických systémech.

Výhody

• Vysoká citlivost na rychlé fluktuace toku (ideální pro analýzu turbulentního toku).

• Kompaktní návrh umožňuje měření v omezených prostorech.

• Přímé měření jak rychlosti, tak směru toku s vhodnou orientací čidlo.

Když je horký drát umístěn v proudu kapaliny, teplo se přenáší z drátu do tekutiny. Množství disipovaného tepla je přímo úměrné odporu drátu. Jak tepelné ztráty klesají, klesá i odpor drátu. Mostový obvod Wheatstonea měří tyto změny odporu, které jsou pak korelovány s rychlostí proudu kapaliny.

Metoda konstantní teploty

V této konfiguraci elektrický proud ohřívá drát. Když je horký drát vystaven proudu tekutiny, teplo se přenáší z drátu do tekutiny, což způsobuje změnu teploty drátu - a tedy i jeho odporu. Metoda funguje na principu udržování teploty drátu konstantní navzdory tepelným ztrátám.

Mechanismus zpětné vazby upravuje elektrický proud procházející drátem v reálném čase, aby kompenzoval tepelné ztráty. Celkový proud potřebný k obnově a udržení počáteční teploty drátu je přímo úměrný rychlosti toku tekutiny: rychlejší rychlosti vyžadují vyšší proudy k kompenzaci zvýšených tepelných ztrát. To umožňuje přesné měření rychlosti plynu nebo kapaliny korelací změn proudu s dynamikou toku.

Měření rychlosti toku tekutiny pomocí horkovláknového anemometru

V horkovláknovém anemometru elektrický proud ohřívá jemný drát umístěný v proudu tekutiny. Mostový obvod Wheatstonea se používá k měření teploty drátu sledováním jeho elektrického odporu, protože odpor se mění s teplotou.

Pro metodu konstantní teploty (běžný režim provozu) se teplota drátu udržuje na pevné úrovni navzdory tepelným ztrátám do tekutiny. Mechanismus zpětné vazby upravuje ohřívací proud v reálném čase, aby kompenzoval tepelné ztráty, a zajistil vyváženost mostu. Velikost ohřívacího proudu potřebného k udržení této konstantní teploty je přímo úměrná rychlosti toku tekutiny, což umožňuje přesné měření rychlosti.

Standardní odporník je připojen sériově k ohřívacímu drátu. Proud procházející drátem lze určit měřením spádu napětí na odporníku, který je přesně měřen pomocí potenciometru.

Tepelné ztráty z ohřátého drátu lze kvantifikovat pomocí následující rovnice:

Kde:

• v = rychlost toku tekutiny,

• ρ = hustota tekutiny,

• a a b = konstanty závislé na rozměrech, fyzikálních vlastnostech tekutiny a drátu.

Předpokládejme, že I je proud procházející drátem a R je jeho odpor, v rovnováze: 

Odpor a teplota přístroje jsou udržovány konstantní pro měření rychlosti toku tekutiny měřením proudu I.

Toto nastavení využívá vztah mezi rychlostí toku tekutiny, přenosem tepla a elektrickým odporem k poskytnutí přesných, dynamických dat o rychlosti toku v různých aplikacích, od laboratorního výzkumu až po průmyslové procesy řízení.

Využitím vzájemného působení mezi přenosem tepla, elektrickým odporem a dynamikou tekutin zůstává horkovláknový anemometr klíčovým nástrojem pro přesné charakterizace toku v odborných a inženýrských disciplínách.