Forrósáttatott drótviránytérkép

Definíció

A forró drótvirágzó egy eszköz, amely a folyadék áramlásának sebességének és irányának mérésére szolgál a hőveszteség kvantitatív értékelésével, amit egy a folyadékhoz kitett, elektromos árammal melegített drót ad. A drót hőmérséklete változik, ami a hőátvitel miatt történik, és ez az áramlás jellemzőire utal.

Amikor a melegített drót a folyadékáramba helyezkedik, a hő konvekcióval átadódik a folyadékba, ami a drót hőmérsékletének csökkenését eredményezi. A drót elektromos ellenállásának változása (a hőmérséklet-változás miatt) közvetlenül összefügg a folyadék áramlási sebességével, így lehetőséget ad a sebesség mérésére.

Az alapelve, hogy a magasabb hőmérsékletű objektumból a hő átadódik a hőmérséklettel alacsonyabb folyadékba, a forró drótvirágzó széles körben használatos kutatóeszközként a folyadékdinamika területén, ahol összetett áramlási dinamikákat vizsgálnak.

Szerkezet

A forró drótvirágzó két fő komponensből áll:

• Vezető drót
  

• Egy vékony, ellenállású drót (pl. platina, volfrám), amely kerámia vagy fémmel borított sonda belsejében található.

• A drót kitett a folyadékáramnak, ahol egyben hőforrás és hőmérséklet-szenzor is.

• A drótból kiinduló vezetékek a sondától a mérőáramkörhöz kapcsolódnak.

• Wheatstone-híd áramkör

• Egy precíziós elektrikus áramkör, amely a drót ellenállásának apró változásait méri.

• A híd beállítva van, hogy felmérje a folyadék általi hőveszteség miatt keletkező ellenállás-változásokat, és ezt átalakítja áramlási sebesség-mutatókká.

Működés: Állandó áram módszer

• Beállítás: A virágzó sonda a mérni kívánt folyadékáramban helyezkedik el.

• Drót melegítése: Egy állandó elektromos áram átmenik a vezető drón keresztül, amihez melegebb hőmérsékletet ad a folyadéknál.

• Hőátvitel: Amikor a folyadék a drót felett áramlik, elvissza a hőt, ami a drót hőmérsékletének csökkenését okozza. A gyorsabb áramlási sebességek növelik a hőveszteséget, ami nagyobb hőmérséklet-csökkenést eredményez.

• Ellenállás mérése: A Wheatstone-híd figyeli a drót ellenállását, ami a hőmérséklet csökkenésével (legtöbb fénnél) csökken. Az áramkör állandó feszültségen tartja a hídot, ami lehetővé teszi, hogy az ellenállás-változásokat a folyadék áramlási sebességével korrelálják előzetesen kalibrált viszonyokkal.

Kulcsfontosságú alkalmazások

• Aerodinamikai, hidrodinamikai és határ réteg áramlás vizsgálata.

• Ipari áramlásmérés csővezetékekben, HVAC rendszerekben és szélfurulyákban.

• Környezeti tanulmányok oceánok, atmoszférák és biológiai rendszerek folyadékmozgásairól.

Előnyök

• Magas érzékenység gyors áramlási fluktuációkra (ideális a turbulens áramlás elemzésére).

• Kompakt szerkezet, lehetővé teszi a mértéket szűk térben.

• Közvetlen mérés a folyadék áramlási sebességének és irányának megfelelő sonda orientációval.

Amikor a melegített drót egy folyadékáramba helyezkedik, a hő a drótból a folyadékba átadódik. A leadott hő mennyisége közvetlenül arányos a drót ellenállásával. Ahogy a hőveszteség csökken, a drót ellenállása is csökken. A Wheatstone-híd méri ezeket az ellenállás-változásokat, amiket aztán korrelál a folyadék áramlási sebességével.

Állandó hőmérséklet módszer

Ebben a konfigurációban egy elektromos áram melegíti a drót. Amikor a forró drót kitett a folyadékáramnak, a hő a drótból a folyadékba átadódik, ami a drót hőmérsékletének, és ennek következtében az ellenállásának változását okozza. A módszer azon elven működik, hogy a drót hőmérsékletét állandón tartja, ellenére a hőveszteségnek.

Egy visszacsatolási mechanizmus valós időben igazítja a dróton áthaladó elektromos áramot, hogy ellensúlyozza a hőveszteséget. Az a teljes áram, amely szükséges a drót kezdeti hőmérsékletének visszaállításához és fenntartásához, közvetlenül arányos a folyadék áramlási sebességével: a gyorsabb áramlási sebességek nagyobb áramot igényelnek, hogy kiegyenlítsék a növekvő hőveszteséget. Ez lehetővé teszi a gáz vagy folyadék sebességének pontos mérését, az árambeállítások és az áramlás-dinamika korrelációján keresztül.

Folyadék áramlási sebességének mérése forró drótvirágzóval

A forró drótvirágzóban elektromos áram melegíti egy folyadékáramban elhelyezett vékony drót. A Wheatstone-híd áramkör használatos a drót hőmérsékletének mérésére, azzal, hogy figyeli az elektromos ellenállását, mivel az ellenállás a hőmérséklet változásával változik.

Az állandó hőmérséklet módszer (gyakori működési mód) során a drót hőmérséklete állandó szinten marad, ellenére a hőveszteségnek a folyadékba. Egy visszacsatolási mechanizmus valós időben igazítja a melegítő áramot, hogy ellensúlyozza a hőveszteséget, és biztosítja, hogy a híd egyensúlyban legyen. A hőmérséklet állandó tartása érdekében szükséges melegítő áram nagysága közvetlenül arányos a folyadék áramlási sebességével, ami lehetővé teszi a pontos sebesség mérését.

Egy standard ellenállás sorosan kapcsolódik a melegítő dróthoz. Az átmenő áram meghatározható a ellenállás által okozott feszültséges csökkenés mérésével, amit pontatlanul mérhetünk egy potenciometerral.

A melegített drót hővesztesége a következő egyenlettel kvantitatívan meghatározható:

Ahol:

• v = a folyadék áramlási sebessége,

• ρ = a folyadék sűrűsége,

• a és b = konstansok, amelyek függnek a dimenzióktól, a folyadék fizikai tulajdonságaitól és a dróttól.

Tegyük fel, hogy I az átmenő áram a drón keresztül, és R a drót ellenállása, egyensúlyban:

A műszer ellenállása és hőmérséklete állandónak tartandó a folyadék áramlási sebességének méréséhez, az I áram mérésével.

Ez a beállítás kihasználja a folyadék sebessége, a hőátvitel és az elektromos ellenállás közötti összefüggést, hogy pontos, dinamikus áramlási sebesség adatokat biztosítson, laboratóriumi kutatásoktól az ipari folyamat-irányításig.

A forró drótvirágzó a hőátvitel, az elektromos ellenállás és a folyadékdinamika közötti interakció kihasználásával továbbra is alapvető eszköz a precíz áramlás-karakterizálás szempontjából a tudományos és mérnöki diszciplínákban.