Varmtråd Anemometer

Definition

En varmtrådanemometer er en enhed, der anvendes til at måle strømningshastighed og retning af en væske ved at kvantificere varmetab fra en opvarmet tråd, der er udsat for væskestrømmen. Tråden opvarmes via en elektrisk strøm, og dens temperaturændring - forårsaget af varmeoverførsel til væsken - fungerer som indikator for strømningsegenskaberne.

Når den opvarmede tråd placeres i væskestrømmen, overføres varme fra tråden til væsken, hvilket fører til, at trådens temperatur falder. Ændringen i trådens elektriske resistens (på grund af temperaturvariation) er direkte relateret til væskens strømningshastighed, hvilket gør det muligt at måle hastigheden.

Baseret på principperne for varmeoverførsel fra et højtempereret objekt til en lavere tempereret væske, anvendes varmtrådanemometret bredt som forskningsværktøj i fluiddynamik til at studere komplekse strømningsdynamikker.

Konstruktion

Et varmtrådanemometer består af to primære komponenter:

• Ledende Tråd
  

• En fin, resistiv tråd (f.eks. platina, tungsten) indkapslet i en keramisk eller metallisk probe.

• Tråden er udsat for væskestrømmen, hvor den fungerer både som varmekilde og temperatursensor.

• Kabler fra tråden løber ud af proben for at forbinde til målingskredsløbet.

• Wheatstone-brug kredsløb

• Et præcisionselektrisk kredsløb, der anvendes til at måle små ændringer i trådens resistens.

• Broen kalibreres til at registrere resistensvariationer forårsaget af varmetab til væsken, hvilket oversættes til strømningshastighedsdata.

Funktion: Konstant Strøm Metode

• Opsætning: Anemometer-proben placeres i væskestrømmen, hvis hastighed skal måles.

• Opvarmning af Tråden: En konstant elektrisk strøm føres igennem den ledende tråd, hvilket opvarmer den til en temperatur, der er højere end væsken.

• Varmeoverførsel: Når væsken flyder over tråden, bærer den varme med sig, hvilket nedbringer trådens temperatur. Højere strømningshastigheder øger varmetab, hvilket fører til en større temperaturnedgang.

• Måling af Resistens: Wheatstone-broen overvåger trådens resistens, som falder med temperaturen (for de fleste metaller). Brokredsløbet fastholdes ved en konstant spænding, hvilket gør det muligt at korrelere resistensændringer med væskens hastighed via forhånds-kalibrerede forhold.

Hovedanvendelser

• Forskning i aerodynamik, hydrodynamik og grænselagstrømning.

• Industriel strømningsmåling i rørledninger, HVAC-systemer og vindkanaler.

• Miljøstudier af væskens bevægelse i oceaner, atmosfæren og biologiske systemer.

Fordele

• Høj sensitivitet over for hurtige strømningsfluktueringer (ideelt til analyse af turbulent strømning).

• Kompakt design tillader måling i begrænsede områder.

• Direkte måling af både strømningshastighed og retning med passende probeorientering.

Når den opvarmede tråd placeres i en væskestrøm, overføres varme fra tråden til væsken. Mængden af dissiperet varme er direkte proportional med trådens resistens. Når varmetabet falder, falder trådens resistens også. Wheatstone-broen måler disse resistensvariationer, som derefter korreleres med væskens strømningshastighed.

Konstant Temperatur Metode

I denne konfiguration opvarmes tråden af en elektrisk strøm. Når den opvarmede tråd udsættes for en væskestrøm, overføres varme fra tråden til væsken, hvilket fører til en ændring i trådens temperatur - og dermed dens resistens. Metoden opererer på princippet om at opretholde trådens temperatur konstant trods varmetab.

En feedback-mekanisme justerer elektrisk strøm igennem tråden i realtid for at modvirke varmedissipation. Den totale strøm, der kræves for at genskabe og opretholde trådens oprindelige temperatur, er direkte proportional med væskens strømningshastighed: hurtigere strømningshastigheder kræver højere strøm for at kompensere for øget varmetab. Dette gør det muligt at foretage præcise målinger af gas- eller væskens hastighed ved at korrelerer strømjusteringer med strømningdynamik.

Måling af Væskens Strømningshastighed Ved Brug af et Varmtrådanemometer

I et varmtrådanemometer opvarmes en fin tråd, placeret i en væskestrøm, af en elektrisk strøm. Et Wheatstone-brokredsløb bruges til at måle trådens temperatur ved at overvåge dens elektriske resistens, da resistens varierer med temperatur.

For konstant temperaturmetode (en almindelig driftsmåde) opretholdes trådens temperatur ved en fast niveau trods varmetab til væsken. En feedback-mekanisme justerer opvarmingsstrømmen i realtid for at modvirke varmedissipation, hvilket sikrer, at broen forbliver balanceret. Størrelsen af den opvarmingsstrøm, der kræves for at opretholde denne konstante temperatur, er direkte proportional med væskens strømningshastighed, hvilket gør det muligt at foretage præcise hastighedsmalinger.

En standard resistor er forbundet i serie med opvarmings-tråden. Strømmen, der passerer gennem tråden, kan bestemmes ved at måle spændingsfaldet over resistoren, som præcist måles ved hjælp af en potentiometer.

Varmetabet fra den opvarmede tråd kan kvantificeres ved hjælp af følgende ligning:

Hvor:

• v = hastighed af væskens strømning,

• ρ = densiteten af væsken,

• a og b = konstanter, der afhænger af dimensionerne, fysiske egenskaberne af væsken og tråden.

Antages I er strømmen gennem tråden og R er dens resistens, ved ligevægt: 

Resistensen og temperaturen af instrumentet holdes konstant for at måle væskens hastighed ved at måle strømmen I.

Denne opsætning benytter forholdet mellem væskens hastighed, varmeoverførsel og elektrisk resistens for at give præcise, dynamiske strømningshastighedsdata i forskellige anvendelser, fra laboratorieforskning til industrielle proceskontrolsystemer.

Ved at udnytte interaktionen mellem varmeoverførsel, elektrisk resistens og fluiddynamik, forbliver varmtrådanemometret en grundlæggende værktøj for præcis strømningssammenfatning i videnskabelige og tekniske discipliner.