Ανεμομέτρης Ζεστής Σύριγγας

Ορισμός

Ένας Θερμοδημανόμετρος είναι ένα συστηματικό που χρησιμοποιείται για τη μέτρηση της ταχύτητας και της κατεύθυνσης της ροής ενός υγρού, διασφαλίζοντας την αξιοποίηση της απώλειας θερμότητας από ένα θερμανόμενο χαλίνι που είναι εκτεθειμένο στη ροή. Το χαλίνι θερμαίνεται μέσω ηλεκτρικού ρεύματος, και η μεταβολή της θερμοκρασίας του, που προκαλείται από τη μεταφορά θερμότητας στο υγρό, λειτουργεί ως δείκτης των χαρακτηριστικών της ροής.

Όταν το θερμανόμενο χαλίνι είναι εκτεθειμένο στη ροή του υγρού, η θερμότητα μεταφέρεται από το χαλίνι στο υγρό, προκαλώντας μείωση της θερμοκρασίας του χαλινιού. Η μεταβολή της ηλεκτρικής αντίστασης του χαλινιού (λόγω μεταβολής της θερμοκρασίας) συνδέεται άμεσα με την ταχύτητα ροής του υγρού, επιτρέποντας τη μέτρηση της ταχύτητας.

Βασισμένο στην αρχή της μεταφοράς θερμότητας από ένα αντικείμενο υψηλής θερμοκρασίας σε ένα υγρό χαμηλής θερμοκρασίας, το θερμοδημανόμετρο είναι ευρέως χρησιμοποιούμενο ως εργαλείο έρευνας στην ρευστημηχανική για τη μελέτη πολύπλοκων δυναμικών ροών.

Κατασκευή

Ένα θερμοδημανόμετρο αποτελείται από δύο βασικά συστατικά:

• Διαχειριζόμενο Χαλίνι
  

• Ένα λεπτό, αντιστατικό χαλίνι (π.χ., πλατίνι, τουγκστένιο) που είναι εγκατεστημένο μέσα σε ένα κεραμικό ή μεταλλικό προβλήτα.

• Το χαλίνι είναι εκτεθειμένο στη ροή του υγρού, όπου λειτουργεί ως και θερμαντικό και ως αισθητήρας θερμοκρασίας.

• Οι συνδέσεις του χαλινιού εκτείνονται από το προβλήτα προς την κυκλωματική μετρητική συσκευή.

• Κύκλωμα Γέφυρας Wheatstone

• Ένα ακριβές ηλεκτρικό κύκλωμα που χρησιμοποιείται για τη μέτρηση μικρών μεταβολών της αντίστασης του χαλινιού.

• Η γέφυρα ρυθμίζεται για να ανιχνεύει τις μεταβολές της αντίστασης που προκαλείται από την απώλεια θερμότητας στο υγρό, μετατρέποντάς τις σε μέτρηση ταχύτητας ροής.

Λειτουργία: Μέθοδος Σταθερού Ρεύματος

• Εγκατάσταση: Ο προβλήτας του δημανομετρού είναι θέσει στη ροή του υγρού, την ταχύτητα του οποίου πρέπει να μετρηθεί.

• Θέρμανση του Χαλινιού: Ένα σταθερό ηλεκτρικό ρεύμα διαστέλλεται μέσω του διαχειριζόμενου χαλινιού, θερμαίνοντάς το σε θερμοκρασία υψηλότερη από την του υγρού.

• Μεταφορά Θερμότητας: Καθώς το υγρό ρέει πάνω από το χαλίνι, φέρνει μαζί του θερμότητα, μειώνοντας τη θερμοκρασία του χαλινιού. Πιο γρήγορες ταχύτητες ροής αυξάνουν την απώλεια θερμότητας, οδηγώντας σε μεγαλύτερη μείωση της θερμοκρασίας.

• Μέτρηση της Αντίστασης: Η Γέφυρα Wheatstone παρακολουθεί την αντίσταση του χαλινιού, η οποία μειώνεται με τη θερμοκρασία (για τα περισσότερα μέταλλα). Το κύκλωμα της γέφυρας διατηρείται σε σταθερή τάση, επιτρέποντας τη συσχέτιση των μεταβολών της αντίστασης με την ταχύτητα του υγρού μέσω προετοιμασμένων σχέσεων.

Κύριες Εφαρμογές

• Έρευνα στην αεροδυναμική, την υδραυλική και την ροή στο οριακό στρώμα.

• Βιομηχανική μέτρηση ροής σε αγωγούς, συστήματα HVAC και ανεμοσφαίρια.

• Περιβαλλοντικές μελέτες της ροής υγρών σε ωκεανούς, ατμόσφαιρες και βιολογικά συστήματα.

Πλεονεκτήματα

• Υψηλή ευαισθησία σε γρήγορες κυμαίνονται ροές (ίδια για ανάλυση ταραγμένης ροής).

• Συμπαγής σχεδιασμός που επιτρέπει μέτρηση σε περιορισμένες χώρες.

• Προσωπική μέτρηση της ταχύτητας και της κατεύθυνσης της ροής με κατάλληλη προσαρμογή του προβλήτα.

Όταν το θερμανόμενο χαλίνι είναι εκτεθειμένο σε ροή υγρού, η θερμότητα μεταφέρεται από το χαλίνι στο υγρό. Η ποσότητα της αποδοθείσας θερμότητας είναι ανάλογη με την αντίσταση του χαλινιού. Καθώς η απώλεια θερμότητας μειώνεται, η αντίσταση του χαλινιού μειώνεται αντίστοιχα. Η Γέφυρα Wheatstone μετρά αυτές τις μεταβολές της αντίστασης, οι οποίες συσχετίζονται με την ταχύτητα ροής του υγρού.

Μέθοδος Σταθερής Θερμοκρασίας

Σε αυτή την διάταξη, ένα ηλεκτρικό ρεύμα θερμαίνει το χαλίνι. Όταν το θερμανόμενο χαλίνι είναι εκτεθειμένο σε ροή υγρού, η θερμότητα μεταφέρεται από το χαλίνι στο υγρό, προκαλώντας μεταβολή στη θερμοκρασία του χαλινιού - και, επομένως, την αντίστασή του. Η μέθοδος λειτουργεί με βάση την αρχή της διατήρησης της θερμοκρασίας του χαλινιού σταθερή, παρά την απώλεια θερμότητας.

Ένα μηχανισμός ανάδρασης προσαρμόζει το ηλεκτρικό ρεύμα που διαστέλλεται μέσω του χαλινιού σε πραγματικό χρόνο, για να αντισταθεί στην απώλεια θερμότητας. Το συνολικό ρεύμα που απαιτείται για να επαναφέρει και να διατηρήσει την αρχική θερμοκρασία του χαλινιού είναι ανάλογο με την ταχύτητα ροής του υγρού: πιο γρήγορες ταχύτητες ροής απαιτούν υψηλότερα ρεύματα για να αντισταθούν στην αυξημένη απώλεια θερμότητας. Αυτό επιτρέπει την ακριβή μέτρηση της ταχύτητας αερίου ή υγρού, συσχετίζοντας τις προσαρμογές του ρεύματος με την δυναμική της ροής.

Μέτρηση της Ταχύτητας Ροής Υγρού Με Θερμοδημανόμετρο

Σε ένα θερμοδημανόμετρο, ένα ηλεκτρικό ρεύμα θερμαίνει ένα λεπτό χαλίνι που είναι εγκατεστημένο μέσα σε ροή υγρού. Το κύκλωμα Γέφυρας Wheatstone χρησιμοποιείται για τη μέτρηση της θερμοκρασίας του χαλινιού, παρακολουθώντας την ηλεκτρική αντίστασή του, καθώς η αντίσταση μεταβάλλεται με τη θερμοκρασία.

Για τη μέθοδο σταθερής θερμοκρασίας (μια κοινή λειτουργική μέθοδος), η θερμοκρασία του χαλινιού διατηρείται σε σταθερό επίπεδο, παρά την απώλεια θερμότητας στο υγρό. Ένας μηχανισμός ανάδρασης προσαρμόζει το θερμαντικό ρεύμα σε πραγματικό χρόνο, για να αντισταθεί στην απώλεια θερμότητας, διασφαλίζοντας ότι η γέφυρα παραμένει ισορροπημένη. Η μέγεθος του θερμαντικού ρεύματος που απαιτείται για τη διατήρηση αυτής της σταθερής θερμοκρασίας είναι ανάλογος με την ταχύτητα ροής του υγρού, επιτρέποντας την ακριβή μέτρηση της ταχύτητας.

Ένας πρότυπος αντιστατής είναι συνδεδεμένος σε σειρά με το θερμαντικό χαλίνι. Το ρεύμα που διαστέλλεται μέσω του χαλινιού μπορεί να καθοριστεί μετρώντας την πτώση τάσης στον αντιστατή, η οποία μετρείται ακριβώς με τη χρήση ενός ποτεντιόμετρου.

Η απώλεια θερμότητας από το θερμανόμενο χαλίνι μπορεί να ποσοτικοποιηθεί με την παρακάτω εξίσωση:

όπου:

• v = ταχύτητα της ροής του υγρού,

• ρ = πυκνότητα του υγρού,

• a και b = σταθερές εξαρτώμενες από τις διαστάσεις, τις φυσικές ιδιότητες του υγρού και του χαλινιού.

Υποθέτοντας ότι I είναι το ρεύμα που διαστέλλεται μέσω του χαλινιού και R είναι η αντίστασή του, σε ισορροπία: 

Η αντίσταση και η θερμοκρασία του όργανου διατηρούνται σταθερές για τη μέτρηση της ταχύτητας του υγρού, μετρώντας το ρεύμα I.

Αυτή η διάταξη εκμεταλλεύεται τη σχέση μεταξύ ταχύτητας ροής, μεταφοράς θερμότητας και ηλεκτρικής αντίστασης, παρέχοντας ακριβή, δυναμικά δεδομένα ταχύτητας ροής σε διάφορες εφαρμογές, από ερευνητικές εργασίες σε εργαστήρια έως βιομηχανικό έλεγχο διαδικασιών.

Χρησιμοποιώντας την αλληλεπίδραση μεταξύ μεταφοράς θερμότητας, ηλεκτρικής αντίστασης και ρευστημηχανικής, το θερμοδημανόμετρο παραμένει ένα βασικό εργαλείο για ακριβή χαρακτηρισμό ροής σε επιστημονικά και μηχανικά πεδία.