Anemómetro de Hilo Caliente

Definición

Un Anemómetro de Hilo Caliente es un dispositivo utilizado para medir la velocidad y dirección del flujo de un fluido cuantificando la pérdida de calor de un hilo calentado expuesto al flujo del fluido. El hilo se calienta mediante una corriente eléctrica, y su cambio de temperatura, causado por la transferencia de calor al fluido, sirve como indicador de las características del flujo.

Cuando el hilo calentado se coloca en el flujo del fluido, el calor se transfiere del hilo al fluido, lo que provoca una disminución de la temperatura del hilo. El cambio en la resistencia eléctrica del hilo (debido a la variación de temperatura) está directamente relacionado con la tasa de flujo del fluido, permitiendo la medición de la velocidad.

Basado en el principio de la transferencia de calor desde un objeto de alta temperatura a un fluido de baja temperatura, el anemómetro de hilo caliente se utiliza ampliamente como herramienta de investigación en mecánica de fluidos para estudiar dinámicas de flujo complejas.

Construcción

Un anemómetro de hilo caliente consta de dos componentes principales:

• Hilo Conductor
  

• Un hilo fino y resistivo (por ejemplo, platino, tungsteno) alojado dentro de una sonda de cerámica o metálica.

• El hilo está expuesto al flujo del fluido, donde actúa tanto como calefactor como sensor de temperatura.

• Los conductores del hilo se extienden desde la sonda para conectarse a la circuitería de medición.

• Circuito Puente de Wheatstone

• Un circuito eléctrico de precisión utilizado para medir cambios minúsculos en la resistencia del hilo.

• El puente se calibra para detectar variaciones de resistencia causadas por la pérdida de calor al fluido, traduciéndolas en lecturas de velocidad de flujo.

Operación: Método de Corriente Constante

• Configuración: La sonda del anemómetro se posiciona en el flujo del fluido cuya velocidad necesita ser medida.

• Calentamiento del Hilo: Se pasa una corriente eléctrica constante a través del hilo conductor, calentándolo a una temperatura superior a la del fluido.

• Transferencia de Calor: A medida que el fluido fluye sobre el hilo, lleva consigo el calor, reduciendo la temperatura del hilo. Las tasas de flujo más rápidas aumentan la pérdida de calor, lo que resulta en una mayor disminución de la temperatura.

• Medición de Resistencia: El puente de Wheatstone monitorea la resistencia del hilo, que disminuye con la temperatura (para la mayoría de los metales). El circuito del puente se mantiene a un voltaje constante, permitiendo que los cambios de resistencia se correlacionen con la velocidad del fluido a través de relaciones precalibradas.

Aplicaciones Clave

• Investigación en aerodinámica, hidrodinámica y flujo de capa límite.

• Medición de flujo industrial en tuberías, sistemas HVAC y túneles de viento.

• Estudios ambientales del movimiento de fluidos en océanos, atmósferas y sistemas biológicos.

Ventajas

• Alta sensibilidad a fluctuaciones rápidas del flujo (ideal para el análisis de flujo turbulento).

• Diseño compacto que permite la medición en espacios confinados.

• Medición directa de la velocidad y dirección del flujo con la orientación adecuada de la sonda.

Cuando el hilo calentado se coloca en un flujo de líquido, el calor se transfiere del hilo al fluido. La cantidad de calor disipado es directamente proporcional a la resistencia del hilo. A medida que la pérdida de calor disminuye, la resistencia del hilo también disminuye. El puente de Wheatstone mide estas variaciones de resistencia, que luego se correlacionan con la tasa de flujo del líquido.

Método de Temperatura Constante

En esta configuración, una corriente eléctrica calienta el hilo. Cuando el hilo caliente se expone a un flujo de fluido, el calor se transfiere del hilo al fluido, provocando un cambio en la temperatura del hilo, y consecuentemente, en su resistencia. El método opera sobre el principio de mantener la temperatura del hilo constante a pesar de la pérdida de calor.

Un mecanismo de retroalimentación ajusta la corriente eléctrica a través del hilo en tiempo real para contrarrestar la disipación de calor. La corriente total requerida para restaurar y mantener la temperatura inicial del hilo es directamente proporcional a la tasa de flujo del fluido: las tasas de flujo más rápidas requieren corrientes más altas para compensar la mayor pérdida de calor. Esto permite una medición precisa de la velocidad de gas o líquido correlacionando los ajustes de corriente con la dinámica del flujo.

Medición de la Tasa de Flujo de Fluidos Utilizando un Anemómetro de Hilo Caliente

En un anemómetro de hilo caliente, una corriente eléctrica calienta un hilo fino posicionado dentro de un flujo de fluido. El circuito puente de Wheatstone se utiliza para medir la temperatura del hilo monitoreando su resistencia eléctrica, ya que la resistencia varía con la temperatura.

Para el método de temperatura constante (un modo de operación común), la temperatura del hilo se mantiene a un nivel fijo a pesar de la pérdida de calor al fluido. Un mecanismo de retroalimentación ajusta la corriente de calentamiento en tiempo real para contrarrestar la disipación de calor, asegurando que el puente permanezca equilibrado. La magnitud de la corriente de calentamiento requerida para mantener esta temperatura constante es directamente proporcional a la tasa de flujo del fluido, permitiendo una medición precisa de la velocidad.

Un resistor estándar está conectado en serie con el hilo de calentamiento. La corriente que pasa a través del hilo puede determinarse midiendo la caída de tensión a través del resistor, que se mide con precisión utilizando un potenciómetro.

La pérdida de calor del hilo calentado puede cuantificarse utilizando la siguiente ecuación:

Donde:

• v = velocidad del flujo del fluido,

• ρ = densidad del fluido,

• a y b = constantes dependientes de las dimensiones, propiedades físicas del fluido y del hilo.

Suponiendo que I es la corriente a través del hilo y R es su resistencia, en equilibrio: 

La resistencia y la temperatura del instrumento se mantienen constantes para medir la tasa del fluido midiendo la corriente I.

Esta configuración aprovecha la relación entre la velocidad del fluido, la transferencia de calor y la resistencia eléctrica para proporcionar datos de tasa de flujo precisos y dinámicos en diversas aplicaciones, desde la investigación en laboratorio hasta el control de procesos industriales.

Al aprovechar la interacción entre la transferencia de calor, la resistencia eléctrica y la dinámica de fluidos, el anemómetro de hilo caliente sigue siendo una herramienta fundamental para la caracterización precisa del flujo en disciplinas científicas e ingenieriles.