Lämpökaapeli-anemometri

Määritelmä

Lämpövoimainen anemometri on laite, jota käytetään nesteen tai kaasun virtausnopeuden ja suunnan mittaamiseen. Laite toimii mitaten lämpöenergian häviön lämmittävästä vedestä, joka altistetaan virtaavalle nestelle tai kaasulle. Vesi lämmitetään sähkövirralla, ja sen lämpötilan muutos, joka johtuu lämpöenergian siirtymisestä virtaavaan nesteen tai kaasuun, toimii virtauksen ominaisuuksien ilmaisijana.

Kun lämpövedes asetetaan virtaavan nesteen tai kaasun polkuun, lämpöenergia kuljetetaan vedestä nesteen tai kaasun kautta, mikä aiheuttaa vedensä lämpötilan laskemisen. Vedensä sähköinen vastus muuttuu lämpötilan vaihtelun myötä, mikä liittyy suoraan nesteen tai kaasun virtausnopeuteen, mikä mahdollistaa nopeuden mittaamisen.

Lämpövoimaisessa anemometrissä toiminta perustuu lämpöenergian siirtymiseen korkean lämpötilan omanaisuudesta alhaisempaan lämpötilaan olevaan nesteen tai kaasuun. Tätä mittalaitetta käytetään laajasti virtausmekaniikan tutkimustyökaluna monimutkaisten virtauksien tarkasteluun.

Rakenne

Lämpövoimainen anemometri koostuu kahdesta pääkomponentista:

• Johtova vesi
  

• Hieno, vastusominaisuudeltaan resistiivinen vesi (esimerkiksi platina, wolfram) sisältynä keramiikka- tai metalliprotuksiin.

• Vesi altistetaan virtaavalle nestelelle tai kaasulle, jossa se toimii sekä lämmitysjärjestelmänä että lämpötilanmittarina.

• Veden johtimet ulottuvat protusta mittausjärjestelmään yhdistämällä veden.

• Wheatstonen silta

• Tarkka sähköinen piiri, jota käytetään vedensä vastuksen pieniin muutoksiin mittamaan.

• Silta kalibroidaan havaitsemaan vastuksen muutokset, jotka johtuvat lämpöenergian siirtymästä nesteen tai kaasun kautta, ja nämä muutokset kääntävät näiden nopeuden mittauksiksi.

Toiminta: Vakiovirtamenetelmä

• Asetus: Anemometrin protu asetetaan virtaavan nesteen tai kaasun polkuun, jonka nopeutta halutaan mitata.

• Veden lämmitys: Vakiovirta kulkee vedessä, joka lämmitetään nesteen tai kaasun lämpötilan yläpuolelle.

• Lämpöenergian siirto: Kun nestee tai kaasu virtaa vedeltä, se kuljettaa lämpöenergiaa pois, mikä laskee vedensä lämpötilaa. Nopeat virtausnopeudet lisäävät lämpöenergian siirtymistä, mikä johtaa suurempaan lämpötilan laskuun.

• Vastuksen mittaaminen: Wheatstonen silta seuraa vedensä vastusta, joka vähenee lämpötilan kanssa (useimmat metallit). Silta järjestelmä säilytetään vakiovoltilla, mikä mahdollistaa vastuksen muutosten kääntämisen virtausnopeuden mittaukseksi ennakkokalibroituja suhteita käyttäen.

Tärkeimmät sovellukset

• Aerodynamiikan, hydrodynamiikan ja rajakerrosvirtauksen tutkimus.

• Teollinen virtausmittaus putkistoissa, HVAC-järjestelmissä ja tuulenputkissa.

• Ympäristöntutkimukset virtauksista valtamerissä, ilmakehässä ja biologisissa järjestelmissä.

Edut

• Suuri herkkyys nopeille virtausmuutoksille (ideaali turbulenttien virtauksien analysointiin).

• Kompakti rakenne mahdollistaa mittaamisen tiiviissä tiloissa.

• Suoran mittaamisen virtausnopeuden ja suunnan asianmukaisella protun asennuksella.

Kun lämpövedes asetetaan nestevirtaukseen, lämpöenergia siirtyy vedestä nesteen. Lämpöenergian häviön määrä on suoraan verrannollinen vedensä vastukseen. Kun lämpöenergian häviö vähenee, vedensä vastus vähenee vastaavasti. Wheatstonen silta mittailee näitä vastuksen muutoksia, jotka kääntävät nesteen virtausnopeudeksi.

Vakiolämpötilamenetelmä

Tässä konfiguraatiossa sähkövirta lämmittelee veden. Kun kuuma vesi altistetaan virtaavalle nestelle tai kaasulle, lämpöenergia siirtyy vedestä nesteen tai kaasun, mikä aiheuttaa vedensä lämpötilan muutoksen - ja siten vastuksen muutoksen. Menetelmä toimii vedensä lämpötilan pitämisenä vakiona huolimatta lämpöenergian häviöstä.

Palautemekanismi säätää sähkövirtaa vedessä reaaliaikaisesti vastustamaan lämpöenergian häviötä. Kaikki sähkövirta, joka tarvitaan vedensä alkuperäisen lämpötilan palauttamiseen ja ylläpitämiseen, on suoraan verrannollinen nesteen tai kaasun virtausnopeuteen: nopeat virtausnopeudet vaativat suurempaa sähkövirtaa korvaamaan lisääntyneen lämpöenergian häviön. Tämä mahdollistaa tarkan kaasun tai nesteen nopeuden mittaamisen yhdistämällä sähkövirta-asetukset virtausdynamikoihin.

Nesteen virtausnopeuden mittaaminen lämpövoimaisella anemometrilla

Lämpövoimaisessa anemometrissa sähkövirta lämmittelee hienoa vettä, joka on asetettu nestevirtauksen polkuun. Wheatstonen silta-mittauspiiriä käytetään vedensä lämpötilan mittaamiseen seurantaan sähköistä vastusta, joka vaihtelee lämpötilan mukaan.

Vakiolämpötilamenetelmässä (yleinen toimintatapa), vedensä lämpötila pidetään vakiona huolimatta lämpöenergian häviöstä nesteen tai kaasun. Palautemekanismi säätää lämmityssähkövirtaa reaaliaikaisesti vastustamaan lämpöenergian häviötä, varmistamassa, että silta pysyy tasapainossa. Sähkövirta, joka tarvitaan vedensä vakionopeuden ylläpitämiseksi, on suoraan verrannollinen nesteen tai kaasun virtausnopeuteen, mikä mahdollistaa tarkan nopeuden mittaamisen.

Standardiresistori on kytketty sarjatukseen lämmitysveden kanssa. Virta, joka kulkee vedessä, voidaan määrittää mittamalla jännite resistentin yli, joka määritetään tarkasti potentiometrilla.

Lämpöenergian häviö lämpövedestä voidaan kvantifioida seuraavalla yhtälöllä:

Missä:

• v = nesteen virtausnopeus,

• ρ = nesteen tiheys,

• a ja b = vakiot, jotka riippuvat ulottuvuuksista, nesteen fysikaalisista ominaisuuksista ja vedestä.

Oletetaan, että I on virta vedessä ja R on sen vastus, tasapainossa:

Laitepidetään vastus ja lämpötila vakiona nesteen virtausnopeuden mittaamiseksi virtauksen I mittaamalla.

Tämä kokoonpano hyödyntää suhdetta nesteen virtausnopeuteen, lämpöenergian siirtymiseen ja sähköiseen vastukseen tarjoamaan tarkkaa, dynaamista virtausnopeuden tietoa eri sovelluksissa, laboratoriotutkimuksesta teolliseen prosessivalvontaan.

Lämpövoimaisen anemometrin avulla, joka hyödyntää lämpöenergian siirtymisen, sähköisen vastuksen ja nesteen dynamiikan välistä suhdetta, saatetaan tarkka virtauskarakterisointi tieteellisiin ja insinööriteknisiin aloihin.