Siltīgais dūmu detailezers

Definīcija

Siltā drōta anemometrs ir ierīce, kas tiek izmantota, lai mērītu šķīduma plūsmas ātrumu un virzienu, kvantificējot siltuma zudumu no uzsildītās drotas, kas izpostīta šķīduma plūsmai. Drots tiek uzsildīts ar elektrisku strāvu, un tā temperatūras maiņa, ko izraisa siltuma pārnesums šķīdumam, kļūst par plūsmas raksturojuma rādītāju.

Kad uzsildītā drōta tiek novietota šķīduma plūsmā, no drotes uz šķīdumu tiek konvektivā veidā nodots siltums, samazinot drotes temperatūru. Drotes elektriskās pretestības maiņa (izraisīta temperatūras maiņa) tieši saistīta ar šķīduma plūsmas ātrumu, ļaujot mērīt ātrumu.

Balstoties uz siltuma pārnesuma principu no augstākas temperatūras objekta uz zemākas temperatūras šķīdumu, siltā drōta anemometrs plaši tiek izmantots kā pētniecības rīks šķīduma mehānikā, lai pētītu sarežģītus plūsmas dinamikas procesus.

Konstrukcija

Siltā drōta anemometrs sastāv no diviem galvenajiem komponentiem:

• Vadīgā drōta
  

• Saistoša, pretestības drōta (piemēram, platīns, volfrāms), kas ievietota keramiskā vai metāla sonderā.

• Drota tiek izpostīta šķīduma plūsmā, kur tā darbojas gan kā sildītājs, gan temperatūras sensora.

• No drotes izvedas vadītāji, kas savieno sondu ar mērījumu shēmu.

• Wheatstonea mosts

• Precīzā elektroshēma, kas tiek izmantota, lai mērītu mazus drotes pretestības mainījumus.

• Mosts kalibrēts, lai detektētu pretestības atšķirības, kas izraisītas siltuma zudumu šķīdumam, pārveidojot tos par plūsmas ātruma rādītājiem.

Darbība: Konstantā strāva metode

• Izstrādājums: Anemometra sonde tiek novietota šķīduma plūsmā, kura ātrumu jāmēra.

• Drotes uzsildīšana: Pār drotes caurule tiek pārnesta konstantā elektriskā strāva, uzsildot to līdz temperatūrai, kas augstāka par šķīdumu.

• Siltuma pārnesums: Kad šķīdums plūst pāri drotei, tas nes aiz sevi siltumu, samazinot drotes temperatūru. Strāvas ātrākiem ātrumiem pieaug siltuma zudums, radot lielāku temperatūras pazemināšanos.

• Pretestības mērījums: Wheatstonea mosts uzraudzī baseina drotes pretestību, kas samazinās ar temperatūras pazemināšanos (daudzām metālu). Mosta shēma tiek uzturēta konstantā spriegumā, ļaujot pretestības maiņai tikt saistītai ar šķīduma ātrumu, izmantojot iepriekš nokalibrētas attiecības.

Galvenās lietojuma jomas

• Pētniecība aerodinamikā, hidrodinamikā un robežslāņa plūsmās.

• Industrijā plūsmas mērījumi caurules, HVAC sistēmas un vēja tunelos.

• Vides pētījumi šķīduma kustībā okeānos, atmosfērā un bioloģiskajos sistēmās.

Priekšrocības

• Augsta jūtība pret ātri mainīgām plūsmas fluktuācijām (ideāls turbulento plūsmu analīzei).

• Kompakta dizaina ļauj mērījumus ierobežotās telpās.

• Tiešs mērījums gan plūsmas ātrumam, gan virzienam ar piemērotu sondera orientāciju.

Kad uzsildītā drōta tiek novietota šķīduma plūsmā, siltums tiek pārnests no drotes uz šķīdumu. Siltuma zuduma apmērs ir tieši proporcionāls drotes pretestībai. Kad siltuma zudums samazinās, drotes pretestība arī samazinās. Wheatstonea mosts mēra šos pretestības mainījumus, kas pēc tam tiek saistīti ar šķīduma plūsmas ātrumu.

Konstantā temperatūra metode

Šajā konfigurācijā elektriskā strāva uzsilda droti. Kad uzsildītā drōta tiek izpostīta šķīduma plūsmā, siltums tiek pārnests no drotes uz šķīdumu, izraisot drotes temperatūras maiņu — un tādējādi tās pretestības. Metode darbojas, uzturējot drotes temperatūru konstantā, nevis siltuma zudumu.

Atgriezeniskās saites mehānisms reāllaikā pielāgo elektrisko strāvu, kas gājusi cauri drotei, lai atlīdzinātu siltuma zudumu. Kopējais strāvas daudzums, kas nepieciešams, lai atjaunotu un uzturētu drotes sākotnējo temperatūru, ir tieši proporcionāls šķīduma plūsmas ātrumam: strāvas ātrākiem ātrumiem nepieciešamas lielākas strāvas, lai kompensētu pieaugošo siltuma zudumu. Tas ļauj precīzi mērīt gāzes vai šķīduma ātrumu, korrelējot strāvas pielāgojumus ar plūsmas dinamiku.

Šķīduma plūsmas ātruma mērījums, izmantojot siltās drōtas anemometru

Siltās drōtas anemometrā elektriskā strāva uzsilda fīnu drōtu, kas novietota šķīduma plūsmā. Wheatstonea mosta shēma tiek izmantota, lai mērītu drotes temperatūru, kontrolējot tās elektriskās pretestības, kā pretestība mainās ar temperatūru.

Konstantā temperatūra metode (parasta darbības metode) drotes temperatūra tiek uzturēta fiksētā līmenī, nevis siltuma zudumu šķīdumam. Atgriezeniskās saites mehānisms reāllaikā pielāgo sildīšanas strāvu, lai atlīdzinātu siltuma zudumu, nodrošinot, ka mosts paliek salīdzināts. Sildīšanas strāvas daudzuma, kas nepieciešams, lai uzturētu šo konstanto temperatūru, tieši proporcionāls šķīduma plūsmas ātrumam, ļaujot precīzi mērīt ātrumu.

Standarta rezisors tiek savienots seriālā secībā ar sildīšanas droti. Strāva, kas gājusi cauri drotei, var tikt noteikta, mērījot sprieguma kritumu pāri rezisoram, kas tiek precīzi mērots, izmantojot potenciometru.

Uzsildītās drotes siltuma zudums var tikt kvantificēts, izmantojot šādu vienādojumu:

Kur:

• v = šķīduma plūsmas ātrums,

• ρ = šķīduma blīvums,

• a un b = konstantes, kas atkarīgas no dimensijām, fiziskajām īpašībām šķīduma un drotes.

Pieņemsim, ka I ir strāva caur droti un R ir tās pretestība, līdzsvarā:

Instrumenta pretestība un temperatūra tiek uzturētas konstantā, lai mērītu šķīduma plūsmas ātrumu, mērījot strāvu I.

Šis izstrādājums izmanto attiecību starp šķīduma ātrumu, siltuma pārnesumu un elektriskās pretestības, lai sniegtu precīzas, dinamiskas plūsmas ātruma datus dažādos lietojumos, sākot no laboratorijas pētniecības līdz rūpnieciskajam procesa kontrolēšanai.

Izmantojot siltuma pārnesuma, elektriskās pretestības un šķīduma dinamikas savstarpējo saikni, siltās drōtas anemometrs paliek pamatierīcis precīzām plūsmas raksturošanai zinātniskajā un inženierzinātniskajā praksē.