Anemómetro de Hilo Caliente

Definición

Un anemómetro de hilo caliente é un dispositivo utilizado para medir a velocidade e dirección dun fluxo de fluido ao cuantificar a perda de calor dun fío calentado exposto ao flujo do fluido. O fío está calentado mediante unha corrente eléctrica, e o seu cambio de temperatura—causado polo trasvase de calor ao fluido—serve como indicador das características do fluxo.

Cando o fío calentado se coloca no flujo do fluido, o calor se convecta desde o fío ao fluido, causando unha diminución da súa temperatura. O cambio na resistencia eléctrica do fío (debido á variación de temperatura) está directamente relacionado coa taxa de fluxo do fluido, permitindo a medida da velocidade.

Basándose no principio do trasvase de calor dun obxecto de alta temperatura a un fluido de menor temperatura, o anemómetro de hilo caliente é ampliamente utilizado como ferramenta de investigación en mecánica de fluidos para estudiar dinámicas de fluxo complexas.

Construción

Un anemómetro de hilo caliente compónse de dous componentes principais:

• Fío Conductor
  

• Un fío fino e resistente (por exemplo, platino, tungsteno) aloxado dentro dunha sonda de cerámica ou metálica.

• O fío está exposto ao flujo do fluido, onde actúa tanto como calefactor como sensor de temperatura.

• Os conductores do fío estendense desde a sonda para conectar co circuito de medida.

• Circuíto de Puente de Wheatstone

• Un circuito eléctrico de precisión utilizado para medir cambios mínimos na resistencia do fío.

• O puente está calibrado para detectar variacións de resistencia causadas pola perda de calor ao fluido, traducíndolas en lecturas de velocidade de fluxo.

Funcionamento: Método de Corrente Constante

• Configuración: A sonda do anemómetro está posicionada no flujo do fluido cuxa velocidade precisa ser medida.

• Calentando o Fío: Unha corrente eléctrica constante pasa polo fío conductor, calentándoo a unha temperatura superior á do fluido.

• Trasvase de Calor: Cando o fluido fluye sobre o fío, leva consigo calor, reducindo a súa temperatura. Taxas de fluxo máis rápidas aumentan a perda de calor, provocando unha maior diminución da temperatura.

• Medida de Resistencia: O puente de Wheatstone monitoriza a resistencia do fío, que diminúe con a temperatura (para a maioría dos metais). O circuito do puente mantense a unha tensión constante, permitindo correlacionar os cambios de resistencia coa velocidade do fluido mediante relacións precalibradas.

Aplicacións Clave

• Investigación en aerodinámica, hidrodinámica e fluxo de capa límite.

• Medida de fluxo industrial en tuberías, sistemas HVAC e túneis de viento.

• Estudos ambientais do movemento de fluidos nos océanos, atmosferas e sistemas biolóxicos.

Ventajas

• Alta sensibilidade a fluctuacións rápidas de fluxo (ideal para análise de fluxo turbulento).

• Deseño compacto permite a medida en espazos confinados.

• Medida directa tanto da velocidade de fluxo como da dirección coa orientación adecuada da sonda.

Cando o fío calentado se coloca nun flujo de líquido, o calor se transmite do fío ao fluido. A cantidade de calor disipado é directamente proporcional á resistencia do fío. Á medida que a perda de calor diminúe, a resistencia do fío tamén diminúe. O puente de Wheatstone mide estas variacións de resistencia, que despois se correlacionan coa taxa de fluxo do líquido.

Método de Temperatura Constante

Nesta configuración, unha corrente eléctrica calenta o fío. Cando o fío calentado está exposto a un flujo de fluido, o calor se transmite do fío ao fluido, provocando un cambio na súa temperatura—ando, na súa resistencia. O método opera sobre o principio de manter a temperatura do fío constante a pesar da perda de calor.

Un mecanismo de retroalimentación axusta a corrente eléctrica a través do fío en tempo real para contrarrestar a dissipación de calor. A corrente total necesaria para restaurar e sostener a temperatura inicial do fío está directamente proporcional á taxa de fluxo do fluido: taxas de fluxo máis rápidas requiren correntes máis altas para compensar a perda de calor aumentada. Isto permite unha medida precisa da velocidade de gas ou líquido correlacionando os axustes de corrente cos dinámicos do fluxo.

Medida da Taxa de Fluxo de Fluidos Utilizando un Anemómetro de Hilo Caliente

Num anemómetro de hilo caliente, a corrente eléctrica calenta un fío fino posicionado dentro dun flujo de fluido. O circuito de puente de Wheatstone utilízase para medir a temperatura do fío monitorizando a súa resistencia eléctrica, xa que a resistencia varía con a temperatura.

Para o método de temperatura constante (un modo de funcionamento común), a temperatura do fío mantense a un nivel fixo a pesar da perda de calor ao fluido. Un mecanismo de retroalimentación axusta a corrente de calefacción en tempo real para contrarrestar a dissipación de calor, asegurando que o puente permanezca equilibrado. A magnitude da corrente de calefacción necesaria para sostener esta temperatura constante está directamente proporcional á taxa de fluxo do fluido, permitindo unha medida precisa da velocidade.

Un resistor estándar conectase en serie co fío de calefacción. A corrente que pasa polo fío pode determinarse midendo a caída de tensión a través do resistor, que se mide con precisión utilizando un potenciómetro.

A perda de calor do fío calentado pode cuantificarse utilizando a seguinte ecuación:

Onde:

• v = velocidade do fluxo de fluido,

• ρ = densidade do fluido,

• a e b = constantes dependentes das dimensións, propiedades físicas do fluido e do fío.

Supondo que I é a corrente a través do fío e R é a súa resistencia, no equilibrio: 

A resistencia e a temperatura do instrumento mantéñense constantes para medir a taxa do fluido midindo a corrente I.

Esta configuración aproveita a relación entre a velocidade do fluido, o trasvase de calor e a resistencia eléctrica para proporcionar datos precisos e dinámicos de taxa de fluxo en varias aplicacións, desde a investigación en laboratorio ata o control de procesos industriais.

Ao aproveitar a interacción entre o trasvase de calor, a resistencia eléctrica e a dinámica de fluidos, o anemómetro de hilo caliente permanece como unha ferramenta fundamental para a caracterización precisa do fluxo en disciplinas científicas e de enxeñaría.