Anemometer Panas Kabel

Definisi

Alat pengukur kecepatan aliran panas (Hot Wire Anemometer) adalah perangkat yang digunakan untuk mengukur kecepatan dan arah aliran fluida dengan mengkuantifikasi hilangnya panas dari kawat yang dipanaskan yang terkena aliran fluida. Kawat tersebut dipanaskan melalui arus listrik, dan perubahan suhunya—yang disebabkan oleh transfer panas ke fluida—menjadi indikator karakteristik aliran.

Ketika kawat yang dipanaskan ditempatkan dalam aliran fluida, panas dikonveksi dari kawat ke fluida, menyebabkan penurunan suhu kawat. Perubahan resistansi listrik kawat (akibat variasi suhu) secara langsung berkaitan dengan laju aliran fluida, memungkinkan pengukuran kecepatan.

Berdasarkan prinsip transfer panas dari objek ber temperatur tinggi ke fluida ber temperatur rendah, alat pengukur kecepatan aliran panas banyak digunakan sebagai alat penelitian dalam mekanika fluida untuk mempelajari dinamika aliran yang kompleks.

Konstruksi

Alat pengukur kecepatan aliran panas terdiri dari dua komponen utama:

• Kawat Konduktif
  

• Kawat halus yang resistif (misalnya, platina, tungsten) yang ditempatkan dalam probe keramik atau logam.

• Kawat tersebut terkena aliran fluida, di mana ia berfungsi sebagai pemanas dan sensor suhu.

• Kabel dari kawat tersebut keluar dari probe untuk terhubung ke rangkaian pengukuran.

• Rangkaian Jembatan Wheatstone

• Rangkaian listrik presisi yang digunakan untuk mengukur perubahan kecil dalam resistansi kawat.

• Jembatan ini dikalibrasi untuk mendeteksi variasi resistansi yang disebabkan oleh hilangnya panas ke fluida, menerjemahkan perubahan tersebut menjadi pembacaan kecepatan aliran.

Operasi: Metode Arus Konstan

• Penyiapan: Probe alat pengukur kecepatan aliran panas ditempatkan dalam aliran fluida yang kecepatannya perlu diukur.

• Pemanasan Kawat: Arus listrik konstan dialirkan melalui kawat konduktif, memanaskannya hingga suhu yang lebih tinggi dari fluida.

• Transfer Panas: Ketika fluida mengalir melewati kawat, panas dibawa pergi, menurunkan suhu kawat. Laju aliran yang lebih cepat meningkatkan hilangnya panas, menyebabkan penurunan suhu yang lebih besar.

• Pengukuran Resistansi: Rangkaian jembatan Wheatstone memonitor resistansi kawat, yang menurun dengan suhu (untuk sebagian besar logam). Rangkaian jembatan dipertahankan pada tegangan konstan, memungkinkan perubahan resistansi dikorelasikan dengan kecepatan aliran fluida melalui hubungan yang telah dikalibrasi sebelumnya.

Aplikasi Utama

• Penelitian dalam aerodinamika, hidrodinamika, dan aliran lapisan batas.

• Pengukuran aliran industri dalam pipa, sistem HVAC, dan terowongan angin.

• Studi lingkungan tentang gerakan fluida di lautan, atmosfer, dan sistem biologis.

Keunggulan

• Sensitivitas tinggi terhadap fluktuasi aliran yang cepat (ideal untuk analisis aliran turbulen).

• Desain kompak memungkinkan pengukuran di ruang terbatas.

• Pengukuran langsung kecepatan dan arah aliran dengan orientasi probe yang tepat.

Ketika kawat yang dipanaskan ditempatkan dalam aliran cairan, panas ditransfer dari kawat ke fluida. Jumlah panas yang dilepaskan secara langsung proporsional dengan resistansi kawat. Seiring berkurangnya hilangnya panas, resistansi kawat juga berkurang. Rangkaian jembatan Wheatstone mengukur variasi resistansi ini, yang kemudian dikorelasikan dengan laju aliran cairan.

Metode Suhu Konstan

Dalam konfigurasi ini, arus listrik memanaskan kawat. Ketika kawat panas terkena aliran fluida, panas ditransfer dari kawat ke fluida, menyebabkan perubahan suhu kawat—dan akibatnya, resistansinya. Metode ini beroperasi berdasarkan prinsip menjaga suhu kawat tetap konstan meskipun ada hilangnya panas.

Mekanisme umpan balik menyesuaikan arus listrik melalui kawat secara real time untuk mengimbangi hilangnya panas. Total arus yang diperlukan untuk memulihkan dan mempertahankan suhu awal kawat secara langsung proporsional dengan laju aliran fluida: laju aliran yang lebih cepat memerlukan arus yang lebih tinggi untuk mengkompensasi hilangnya panas yang lebih besar. Ini memungkinkan pengukuran yang tepat kecepatan gas atau cairan dengan mengorelasikan penyesuaian arus dengan dinamika aliran.

Pengukuran Laju Aliran Fluida Menggunakan Alat Pengukur Kecepatan Aliran Panas

Dalam alat pengukur kecepatan aliran panas, arus listrik memanaskan kawat halus yang ditempatkan dalam aliran fluida. Rangkaian jembatan Wheatstone digunakan untuk mengukur suhu kawat dengan memantau resistansi listriknya, karena resistansi bervariasi dengan suhu.

Untuk metode suhu konstan (mode operasi yang umum), suhu kawat dipertahankan pada tingkat tertentu meskipun ada hilangnya panas ke fluida. Mekanisme umpan balik menyesuaikan arus pemanasan secara real time untuk mengimbangi hilangnya panas, memastikan jembatan tetap seimbang. Besarnya arus pemanasan yang diperlukan untuk mempertahankan suhu konstan ini secara langsung proporsional dengan laju aliran fluida, memungkinkan pengukuran kecepatan yang tepat.

Resistor standar dihubungkan secara seri dengan kawat pemanas. Arus yang melewati kawat dapat ditentukan dengan mengukur beda tegangan di seberang resistor, yang diukur dengan akurat menggunakan potensiometer.

Hilangnya panas dari kawat yang dipanaskan dapat dikuantifikasi menggunakan persamaan berikut:

Di mana:

• v = kecepatan aliran fluida,

• ρ = densitas fluida,

• a dan b = konstanta yang bergantung pada dimensi, sifat fisik fluida, dan kawat.

Dengan asumsi I adalah arus melalui kawat dan R adalah resistansinya, pada kesetimbangan: 

Resistansi dan suhu instrumen dipertahankan konstan untuk mengukur laju fluida dengan mengukur arus I.

Pengaturan ini memanfaatkan hubungan antara kecepatan fluida, transfer panas, dan resistansi listrik untuk memberikan data laju aliran yang akurat dan dinamis dalam berbagai aplikasi, dari penelitian laboratorium hingga kontrol proses industri.

Dengan memanfaatkan interaksi antara transfer panas, resistansi listrik, dan dinamika fluida, alat pengukur kecepatan aliran panas tetap menjadi alat utama untuk karakterisasi aliran yang tepat dalam disiplin ilmu pengetahuan dan teknik.