Anemometro a filo caldo

Definizione

Un Anemometro a Filo Caldo è un dispositivo utilizzato per misurare la velocità e la direzione di un flusso fluido quantificando la perdita di calore da un filo riscaldato esposto al flusso del fluido. Il filo viene riscaldato tramite una corrente elettrica, e il suo cambiamento di temperatura, causato dal trasferimento di calore al fluido, serve come indicatore delle caratteristiche del flusso.

Quando il filo riscaldato viene posizionato nel flusso del fluido, il calore viene convogliato dal filo al fluido, causando una diminuzione della temperatura del filo. Il cambiamento della resistenza elettrica del filo (a causa della variazione di temperatura) è direttamente correlato alla velocità del flusso del fluido, consentendo la misurazione della velocità.

Basato sul principio del trasferimento di calore da un oggetto ad alta temperatura a un fluido a bassa temperatura, l'anemometro a filo caldo è ampiamente utilizzato come strumento di ricerca nella meccanica dei fluidi per studiare dinamiche di flusso complesse.

Costruzione

Un anemometro a filo caldo comprende due componenti principali:

• Filo Conduttore
  

• Un filo sottile e resistivo (ad esempio, platino, tungsteno) alloggiato all'interno di una sonda in ceramica o metallica.

• Il filo è esposto al flusso del fluido, dove agisce sia come riscaldatore che come sensore di temperatura.

• I cavi dal filo si estendono dalla sonda per connettersi alla circuitazione di misura.

• Circuito Ponte di Wheatstone

• Un circuito elettrico preciso utilizzato per misurare piccole variazioni della resistenza del filo.

• Il ponte è tarato per rilevare le variazioni di resistenza causate dalla perdita di calore al fluido, traducendole in letture di velocità del flusso.

Funzionamento: Metodo Corrente Costante

• Impostazione: La sonda dell'anemometro viene posizionata nel flusso del fluido la cui velocità deve essere misurata.

• Riscaldamento del Filo: Una corrente elettrica costante viene fatta passare attraverso il filo conduttore, riscaldandolo a una temperatura superiore a quella del fluido.

• Trasferimento di Calore: Quando il fluido scorre sopra il filo, porta via calore, abbassando la temperatura del filo. Velocità di flusso più elevate aumentano la perdita di calore, portando a una maggiore diminuzione della temperatura.

• Misurazione della Resistenza: Il ponte di Wheatstone monitora la resistenza del filo, che diminuisce con la temperatura (per la maggior parte dei metalli). Il circuito del ponte è mantenuto a una tensione costante, permettendo di correlare i cambiamenti di resistenza con la velocità del fluido tramite relazioni pre-calibrate.

Applicazioni Chiave

• Ricerca in aerodinamica, idrodinamica e flusso del strato limite.

• Misurazione industriale del flusso in tubazioni, sistemi HVAC e gallerie del vento.

• Studi ambientali del movimento del fluido negli oceani, atmosfere e sistemi biologici.

Vantaggi

• Alta sensibilità alle fluttuazioni rapide del flusso (ideale per l'analisi del flusso turbolento).

• Design compatto che consente la misurazione in spazi angusti.

• Misurazione diretta sia della velocità del flusso che della direzione con l'orientamento appropriato della sonda.

Quando il filo riscaldato viene posizionato in un flusso liquido, il calore viene trasferito dal filo al fluido. La quantità di calore dissipato è direttamente proporzionale alla resistenza del filo. Con la diminuzione della perdita di calore, la resistenza del filo diminuisce di conseguenza. Il ponte di Wheatstone misura queste variazioni di resistenza, che vengono poi correlate alla velocità del flusso del liquido.

Metodo Temperatura Costante

In questa configurazione, una corrente elettrica riscalda il filo. Quando il filo riscaldato è esposto a un flusso di fluido, il calore viene trasferito dal filo al fluido, causando un cambiamento nella temperatura del filo e, di conseguenza, nella sua resistenza. Il metodo opera sul principio di mantenere la temperatura del filo costante nonostante la perdita di calore.

Un meccanismo di feedback regola in tempo reale la corrente elettrica attraverso il filo per contrastare la dissipazione di calore. La corrente totale richiesta per ripristinare e sostenere la temperatura iniziale del filo è direttamente proporzionale alla velocità del fluido: velocità di flusso più elevate necessitano di correnti più alte per compensare la perdita di calore maggiore. Ciò consente una misurazione precisa della velocità del gas o del liquido correlando gli aggiustamenti della corrente con la dinamica del flusso.

Misurazione del Tasso di Flusso del Fluidi Utilizzando un Anemometro a Filo Caldo

In un anemometro a filo caldo, una corrente elettrica riscalda un filo sottile posizionato all'interno di un flusso di fluido. Il circuito ponte di Wheatstone viene utilizzato per misurare la temperatura del filo monitorando la sua resistenza elettrica, poiché la resistenza varia con la temperatura.

Per il metodo a temperatura costante (una modalità operativa comune), la temperatura del filo è mantenuta a un livello fisso nonostante la perdita di calore al fluido. Un meccanismo di feedback regola in tempo reale la corrente di riscaldamento per contrastare la dissipazione di calore, assicurando che il ponte rimanga bilanciato. L'entità della corrente di riscaldamento richiesta per sostenere questa temperatura costante è direttamente proporzionale alla velocità del fluido, consentendo una misurazione precisa della velocità.

Un resistore standard è collegato in serie con il filo di riscaldamento. La corrente che passa attraverso il filo può essere determinata misurando la caduta di tensione sul resistore, che viene misurata con precisione utilizzando un potenziometro.

La perdita di calore dal filo riscaldato può essere quantificata utilizzando la seguente equazione:

Dove:

• v = velocità del flusso del fluido,

• ρ = densità del fluido,

• a e b = costanti dipendenti dalle dimensioni, dalle proprietà fisiche del fluido e del filo.

Assumendo che I sia la corrente attraverso il filo e R sia la sua resistenza, in equilibrio: 

La resistenza e la temperatura dello strumento sono mantenute costanti per misurare il tasso del fluido misurando la corrente I.

Questo setup sfrutta la relazione tra la velocità del fluido, il trasferimento di calore e la resistenza elettrica per fornire dati di tasso di flusso precisi e dinamici in varie applicazioni, dalla ricerca in laboratorio al controllo dei processi industriali.

Sfruttando l'interazione tra trasferimento di calore, resistenza elettrica e dinamica dei fluidi, l'anemometro a filo caldo rimane uno strumento fondamentale per la caratterizzazione precisa del flusso in discipline scientifiche e ingegneristiche.