热线风速计
정의
핫 와이어 아네모미터는 유체 흐름의 속도와 방향을 측정하는 장치로, 가열된 와이어가 유체에 노출될 때 발생하는 열 손실을 정량화하여 사용됩니다. 와이어는 전기 전류를 통해 가열되며, 유체로의 열 전달로 인한 온도 변화는 흐름 특성의 지표로 사용됩니다.
가열된 와이어가 유체 흐름에 배치되면, 와이어에서 유체로 열이 대류되어 와이어의 온도가 떨어집니다. 와이어의 전기 저항 변화(온도 변동에 따른)는 유체의 유속과 직접적으로 관련되어 있어, 이를 통해 속도를 측정할 수 있습니다.
고온 물체에서 저온 유체로 열 전달 원리를 기반으로 하는 핫 와이어 아네모미터는 복잡한 유동 역학 연구를 위한 유체 역학 연구 도구로서 널리 사용되고 있습니다.
구조
핫 와이어 아네모미터는 두 가지 주요 구성 요소로 이루어져 있습니다:
전도 와이어
세라믹 또는 금속 프로브 내부에 위치한 미세하고 저항적인 와이어(예: 백금, 텅스텐).
와이어는 유체 흐름에 노출되어 가열기와 온도 센서 역할을 합니다.
프로브에서 와이어로 이어지는 리드선은 측정 회로에 연결됩니다.
위트스톤 다리 회로
와이어의 저항 변화를 측정하기 위한 정밀 전기 회로입니다.
다리는 유체로의 열 손실로 인한 저항 변화를 감지하여 이를 유속 값으로 변환합니다.
작동: 일정 전류 방법
주요 응용 분야
장점
가열된 와이어가 액체 흐름에 배치되면, 와이어에서 유체로 열이 전달됩니다. 방출되는 열의 양은 와이어의 저항과 직접 비례합니다. 열 손실이 감소하면 와이어의 저항도 감소합니다. 위트스톤 다리는 이러한 저항 변화를 측정하고, 이를 액체의 유속과 연관시킵니다.
일정 온도 방법
이 구성을 통해 전기 전류가 와이어를 가열합니다. 핫 와이어가 유체 흐름에 노출되면, 와이어에서 유체로 열이 전달되어 와이어의 온도가 변화하게 됩니다. 이 방법은 열 손실에도 불구하고 와이어의 온도를 일정하게 유지하는 원리로 작동합니다.
피드백 메커니즘이 실시간으로 와이어를 통과하는 전류를 조정하여 열 손실을 상쇄합니다. 와이어의 초기 온도를 복원하고 유지하기 위해 필요한 총 전류는 유체의 유속과 직접적으로 비례합니다: 더 빠른 유속은 더 많은 열 손실을 보상하기 위해 더 높은 전류를 필요로 합니다. 이는 전류 조정을 유동 역학과 연관시켜 가스 또는 액체의 속도를 정확히 측정할 수 있게 합니다.
핫 와이어 아네모미터를 이용한 유체 유속 측정
핫 와이어 아네모미터에서 전기 전류가 유체 흐름 내에 위치한 미세한 와이어를 가열합니다. 위트스톤 다리 회로는 와이어의 온도를 측정하기 위해 그 전기 저항을 모니터링합니다. 저항은 온도에 따라 변동합니다.
일정 온도 방법(일반적인 운영 모드)에서는, 와이어의 온도가 유체로의 열 손실에도 불구하고 일정한 수준을 유지합니다. 피드백 메커니즘이 실시간으로 가열 전류를 조정하여 열 손실을 상쇄하고 다리 회로가 균형을 유지하도록 합니다. 일정 온도를 유지하기 위해 필요한 가열 전류의 크기는 유체의 유속과 직접적으로 비례하므로, 정확한 속도 측정이 가능합니다.
표준 저항기가 가열 와이어와 직렬로 연결됩니다. 와이어를 통과하는 전류는 저항기의 전압 강하를 측정하여 결정할 수 있으며, 포텐티오미터를 사용하여 정확하게 측정됩니다.
가열된 와이어에서 발생하는 열 손실은 다음 식을 사용하여 정량화할 수 있습니다:
여기서:
v = 유체 흐름의 속도,
I가 와이어를 통과하는 전류이고, R은 그 저항이라고 가정하면, 평형 상태에서:
유체의 유속을 측정하기 위해 저항과 온도는 일정하게 유지되며, 전류 I를 측정합니다.
이 설정은 유체 속도, 열 전달, 전기 저항 간의 관계를 활용하여 실험실 연구부터 산업 공정 제어까지 다양한 응용 분야에서 정확하고 동적인 유속 데이터를 제공합니다.
열 전달, 전기 저항, 유체 역학 간의 상호 작용을 활용함으로써, 핫 와이어 아네모미터는 과학 및 공학 분야에서 정확한 유동 특성화를 위한 핵심 도구로 남아 있습니다.
