Vrućepčani anemometar

Definicija

Toplični anemometar je uređaj koji se koristi za mjerenje brzine i smjera strujanja fluida kvantificiranjem gubitka toplote s zagrijanog voda izloženog strujanju fluida. Vod se zagrijava električnim strujom, a promjena njegove temperature - uzrokovana prijenosom toplote fluidu - služi kao pokazatelj karakteristika strujanja.

Kada se zagrijani vod postavi u strujanje fluida, toplina se konvektivno prenosi od voda na fluid, čime pada temperatura voda. Promjena elektro-otpornosti voda (zbog varijacije temperature) direktno je povezana s protokom fluida, omogućujući mjerenje brzine.

Temeljen na principu prijenosa toplote od objekta visoke temperature na fluid niže temperature, toplični anemometar široko se koristi kao istraživački alat u mehanici fluida za studiranje složenih dinamika strujanja.

Konstrukcija

Toplični anemometar sastoji se od dviju glavnih komponenti:

• Vodnikov vod
  

• Fin, otporni vod (npr. platina, tvrdjava) smješten unutar keramičke ili metalne sondice.

• Vod je izložen strujanju fluida, gdje djeluje kao zagrijivač i senzor temperature.

• Izlazi sa voda proširuju se iz sonde kako bi se spojili na mjerilnu opremu.

• Most Wheatstonea

• Precizna električna sklopovska shema koja se koristi za mjerenje sitnih promjena otpornosti voda.

• Most je kalibriran da otkrije varijacije otpornosti uzrokovanje gubitkom toplote fluidu, pretvarajući ih u čitanja brzine strujanja.

Funkcija: Metoda konstantne struje

• Postavljanje: Sonda anemometra postavlja se u strujanje fluida čija brzina treba biti izmjerena.

• Zagrijavanje voda: Konstantna električna struja prodira kroz vodnikov vod, zagrijavajući ga na temperaturu veću od temperature fluida.

• Prijenos toplote: Kako fluid teče preko voda, nosi toplinu, snižujući temperaturu voda. Brže protoci povećavaju gubitak toplote, što dovodi do veće padove temperature.

• Mjerenje otpornosti: Most Wheatstonea nadgleda otpornost voda, koja opada s temperaturom (za većinu metala). Sklop mosta održava se na konstantnom naponu, omogućujući da se promjene otpornosti uspoređuju s brzinom fluida putem predkalibriranih odnosa.

Ključne primjene

• Istraživanje aerodinamike, hidrodinamike i granicnih slojeva strujanja.

• Industrijsko mjerenje protoka u cjevovodima, sustavima HVAC-a i tunelima za vetar.

• Ekovisiozne studije o kretanju fluida u oceanima, atmosferama i biološkim sustavima.

Prednosti

• Visoka osjetljivost na brze fluktuacije strujanja (idealno za analizu turbulentnog strujanja).

• Kompaktan dizajn omogućuje mjerenje u suženim prostorima.

• Direktno mjerenje brzine i smjera strujanja s odgovarajućom orijentacijom probe.

Kada se zagrijani vod postavi u strujanje tekućine, toplina se prenosi od voda na fluid. Količina disipirane topline direktno je proporcionalna otpornosti voda. Smanjenjem gubitka topline, otpornost voda se smanjuje. Most Wheatstonea mjeri te varijacije otpornosti, koje se zatim uspoređuju s protokom tekućine.

Metoda konstantne temperature

U ovoj konfiguraciji, električna struja zagrijava vod. Kada se zagrijani vod izloži strujanju fluida, toplina se prenosi od voda na fluid, uzrokujući promjenu temperature voda - i time njegovu otpornost. Metoda funkcionira na principu održavanja temperature voda konstantnom unatoč gubitku toplote.

Mehanizam povratne informacije prilagođava električnu struju kroz vod u stvarnom vremenu kako bi se suprotstavila disipaciji topline. Ukupna struja potrebna za obnovu i održavanje početne temperature voda direktno je proporcionalna protoku fluida: brži protoci zahtijevaju veće struje kako bi se kompenzirao povećani gubitak topline. To omogućuje precizno mjerenje brzine plina ili tekućine uspoređivanjem prilagodbi struje s dinamikom strujanja.

Mjerenje protoka fluida pomoću topličnog anemometra

U topličnom anemometru, električna struja zagrijava tanak vod smješten unutar strujanja fluida. Most Wheatstonea koristi se za mjerenje temperature voda nadgledanjem njegove elektro-otpornosti, jer se otpornost mijenja s temperaturom.

Za metodu konstantne temperature (uobičajeni način rada), temperatura voda održava se na fiksiranom nivou unatoč gubitku toplote fluidu. Mekhanizam povratne informacije prilagođava zagrijavajuću struju u stvarnom vremenu kako bi se suprotstavila disipaciji topline, osiguravajući ravnotežu mosta. Magnituda zagrijavajuće struje potrebne za održavanje ove konstantne temperature direktno je proporcionalna protoku fluida, omogućujući precizno mjerenje brzine.

Standardni otpornik spojen je u seriju s zagrijavajućim vodom. Struja koja prolazi kroz vod može se odrediti mjerenjem padova napona na otporniku, koji se precizno mjeri pomoću potencijometra.

Gubitak toplote s zagrijanog voda može se kvantificirati pomoću sljedeće jednadžbe:

Gdje:

• v = brzina strujanja fluida,

• ρ = gustoća fluida,

• a i b = konstante ovisne o dimenzijama, fizikalnim svojstvima fluida i voda.

Pretpostavljajući da je I struja kroz vod i R je njegova otpornost, u ravnoteži: 

Otpornost i temperatura instrumenta održavaju se konstantne za mjerenje protoka fluida mjerenjem struje I.

Ova postavka iskoristi odnos između brzine fluida, prijenosa toplote i elektro-otpornosti kako bi pružila precizne, dinamičke podatke o protoku u različitim primjenama, od laboratorijskog istraživanja do industrijskog upravljanja procesima.

Iskorištavanjem interakcije između prijenosa toplote, elektro-otpornosti i dinamike fluida, toplični anemometar ostaje temeljni alat za preciznu karakterizaciju strujanja u znanstvenim i inženjerskim disciplinama.