Heißdrahtanemometer

Definition

Ein Heißdrahtanemometer ist ein Gerät, das zur Messung der Geschwindigkeit und Richtung eines Fluidstroms verwendet wird, indem es den Wärmeverlust von einem beheizten Draht im Fluidstrom quantifiziert. Der Draht wird über einen elektrischen Strom beheizt, und seine Temperaturänderung, die durch den Wärmeübergang zum Fluid verursacht wird, dient als Indikator für Strömungscharakteristika.

Wenn der beheizte Draht in den Fluidstrom platziert wird, wird Wärme vom Draht zum Fluid konvektiert, was zu einer Abkühlung des Drahts führt. Die Änderung des elektrischen Widerstands des Drahts (aufgrund der Temperaturänderung) steht in direktem Zusammenhang mit der Flussrate des Fluids, was eine Geschwindigkeitsmessung ermöglicht.

Basierend auf dem Prinzip des Wärmeübergangs von einem hochtemperierten Objekt zu einem niedrigtemperierten Fluid wird das Heißdrahtanemometer weit verbreitet als Forschungsinstrument in der Strömungsmechanik eingesetzt, um komplexe Strömungsdynamiken zu untersuchen.

Aufbau

Ein Heißdrahtanemometer besteht aus zwei Hauptkomponenten:

• Leitfähiger Draht
  

• Ein feiner, widerständiger Draht (z.B. Platin, Wolfram), der in einem keramischen oder metallischen Sonde untergebracht ist.

• Der Draht ist dem Fluidstrom ausgesetzt, wo er sowohl als Heizer als auch als Temperatursensor fungiert.

• Leiter vom Draht führen von der Sonde zur Messschaltung.

• Wheatstone-Bridge-Schaltung

• Eine präzise elektrische Schaltung, die zur Messung minimaler Veränderungen des Widerstands des Drahts verwendet wird.

• Die Brücke ist kalibriert, um Widerstandsvariationen zu erkennen, die durch Wärmeabgabe an das Fluid verursacht werden, und diese in Flussgeschwindigkeitswerte umzurechnen.

Funktionsweise: Konstanter Stromverfahren

• Aufbau: Das Anemometer-Sonde wird im Fluidstrom positioniert, dessen Geschwindigkeit gemessen werden soll.

• Erhitzung des Drahts: Ein konstanter elektrischer Strom fließt durch den leitfähigen Draht, der ihn auf eine Temperatur erhitzt, die höher als die des Fluids ist.

• Wärmeübertragung: Wenn das Fluid über den Draht fließt, führt es Wärme ab, was zu einer Abkühlung des Drahts führt. Bei schnelleren Flussraten steigt der Wärmeverlust, was zu einem größeren Temperaturabfall führt.

• Widerstandsmessung: Die Wheatstone-Bridge überwacht den Widerstand des Drahts, der bei Temperaturen sinkt (für die meisten Metalle). Die Brückenschaltung wird bei konstanter Spannung gehalten, was es ermöglicht, Widerstandsänderungen mit der Flüssigkeitsgeschwindigkeit über vorher kalibrierte Beziehungen zu korrelieren.

Hauptanwendungen

• Forschung in Aerodynamik, Hydrodynamik und Grenzschichtströmungen.

• Industrielle Strömungsmessung in Rohrleitungen, HVAC-Systemen und Windkanälen.

• Umweltstudien zur Flüssigkeitsbewegung in Ozeanen, Atmosphären und biologischen Systemen.

Vorteile

• Hohe Empfindlichkeit gegenüber schnellen Strömungsfluktuationen (ideal für turbulente Strömungsanalyse).

• Kompakte Bauweise ermöglicht Messungen in engen Räumen.

• Direkte Messung sowohl der Strömungsgeschwindigkeit als auch der Richtung mit entsprechender Sondeausrichtung.

Wenn der beheizte Draht in einen Flüssigkeitsstrom platziert wird, wird Wärme vom Draht zum Fluid übertragen. Die Menge an abgegebener Wärme ist direkt proportional zum Widerstand des Drahts. Je geringer der Wärmeverlust, desto geringer fällt der Widerstand des Drahts. Die Wheatstone-Bridge misst diese Widerstandsänderungen, die dann mit der Flussrate der Flüssigkeit korreliert werden.

Konstante Temperaturmethode

In dieser Konfiguration wird der Draht durch einen elektrischen Strom erhitzt. Wenn der heiße Draht einem Fluidstrom ausgesetzt wird, wird Wärme vom Draht zum Fluid übertragen, was zu einer Änderung der Temperatur – und damit des Widerstands – des Drahts führt. Die Methode basiert auf dem Prinzip, die Temperatur des Drahts trotz Wärmeabgabe konstant zu halten.

Ein Rückkopplungsmechanismus regelt den elektrischen Strom durch den Draht in Echtzeit, um den Wärmeverlust auszugleichen. Der gesamte erforderliche Strom, um die ursprüngliche Temperatur des Drahts wiederherzustellen und aufrechtzuerhalten, steht in direktem Zusammenhang mit der Flussrate des Fluids: Bei schnelleren Flussraten sind höhere Ströme erforderlich, um den erhöhten Wärmeverlust auszugleichen. Dies ermöglicht eine präzise Messung der Gas- oder Flüssigkeitsgeschwindigkeit, indem Stromanpassungen mit Strömungsdynamiken korreliert werden.

Messung der Strömungsrate mit einem Heißdrahtanemometer

Bei einem Heißdrahtanemometer wird ein feiner Draht, der in einem Fluidstrom positioniert ist, durch elektrischen Strom erhitzt. Die Wheatstone-Bridge-Schaltung wird verwendet, um die Temperatur des Drahts durch Überwachung seines elektrischen Widerstands zu messen, da der Widerstand mit der Temperatur variiert.

Für die konstante Temperaturmethode (ein häufiger Betriebsmodus) wird die Temperatur des Drahts trotz Wärmeabgabe an das Fluid auf einem festen Niveau gehalten. Ein Rückkopplungsmechanismus passt den Heizstrom in Echtzeit an, um den Wärmeverlust auszugleichen und sicherzustellen, dass die Brücke ausgeglichen bleibt. Die Stärke des Heizstroms, der erforderlich ist, um diese konstante Temperatur aufrechtzuerhalten, steht in direktem Zusammenhang mit der Flussrate des Fluids, was eine präzise Geschwindigkeitsmessung ermöglicht.

Ein Standardwiderstand ist in Serie mit dem Heizdraht verbunden. Der Strom, der durch den Draht fließt, kann durch die Messung des Spannungsabfalls über den Widerstand bestimmt werden, der genau mit einem Potentiometer gemessen wird.

Der Wärmeverlust vom beheizten Draht kann mit folgender Gleichung quantifiziert werden:

Dabei gilt:

• v = Geschwindigkeit des Fluidstroms,

• ρ = Dichte des Fluids,

• a und b = Konstanten, die von den Dimensionen, den physikalischen Eigenschaften des Fluids und des Drahts abhängen.

Angenommen, I ist der Strom durch den Draht und R ist sein Widerstand, so gilt im Gleichgewicht:

Der Widerstand und die Temperatur des Instruments werden konstant gehalten, um die Rate des Fluids durch Messung des Stroms I zu bestimmen.

Diese Aufstellung nutzt den Zusammenhang zwischen der Fluidgeschwindigkeit, dem Wärmeübergang und dem elektrischen Widerstand, um genaue, dynamische Strömungsdaten in verschiedenen Anwendungen, von Laborforschung bis hin zur industriellen Prozesssteuerung, bereitzustellen.

Durch die Nutzung der Wechselwirkung zwischen Wärmeübertragung, elektrischem Widerstand und Fluidmechanik bleibt das Heißdrahtanemometer ein zentrales Instrument für die präzise Strömungscharakterisierung in wissenschaftlichen und ingenieurwissenschaftlichen Disziplinen.