Тополски анемометар

Дефиниција

Топола жична анемометар е уред користен за мерење на брзината и правецот на текот на флуид, квантитативно определувајќи губитокот на топлина од загревана жица изложена на флуидниот поток. Жицата се загрева преку електрична струја, а нейната промена на температура - предизвикана од пренос на топлина кон флуидот - служи како индикатор на карактеристиките на текот.

Кога загреваната жица се поставува во флуидниот поток, топлината се конвектира од жицата кон флуидот, што доведува до пад на температурата на жицата. Промената на електричното отпорноста на жицата (зголемено поради варијација на температурата) е директно поврзана со количината на текот на флуидот, што овозможува мерење на брзината.

Основан на принципот на пренос на топлина од објект со висока температура кон флуид со ниска температура, тополата жична анемометар е широко користена како истражувачки алат во механиката на флуидите за проучување на комплексни динамички текови.

Конструкција

Тополата жична анемометар се состои од две основни компоненти:

• Проводна жица
  

• Фина, резистивна жица (нпр. платина, волфрам) сместена во керамичен или метален зонд.

• Жицата е изложена на флуидниот поток, каде што делува како и загревач и сензор на температура.

• Одводници од жицата се продлжуваат од зондот до поврзување со мерната опрема.

• Мостовска шема Вејтстоун

• Пресна електрична шема користена за мерење на мали промени на отпорноста на жицата.

• Мостот е калибриран за да детектира варијации на отпорноста предизвикани од губиток на топлина кон флуидот, преведувајќи ги овие во читања на брзина на текот.

Функционирање: Метод на константна струја

• Подготвување: Зондот на анемометарот се поставува во флуидниот поток чијата брзина треба да се измери.

• Загревање на жицата: Константна електрична струја минува низ проводната жица, загревајќи ја до температура повисока од флуидот.

• Пренос на топлина: Кога флуидот тече над жицата, тој го однесува теплото, намалувајќи ја температурата на жицата. Побрзите брзини на текот зголемуваат губитокот на топлина, доведувајќи до подигнување на падот на температурата.

• Мерење на отпорноста: Мостовската шема Вејтстоун мониторира отпорноста на жицата, која намалува со температурата (за најмногу метали). Шемата на мостот се одржува при константна напона, што овозможува промени на отпорноста да се корелираат со брзината на флуидот преку претходно калибрирани односи.

Клучни применби

• Истражување во аеродинамика, хидродинамика и текови на границата на слојот.

• Индустријско мерење на текот во цеви, системи HVAC и ветрени тунели.

• Еколошки студии на текот на флуидите во океани, атмосфери и биолошките системи.

Преимущества

• Висока осетливост на брзи флуктуации на текот (идеално за анализа на турбулентни текови).

• Компактен дизајн овозможува мерење во ограничен простор.

• Директно мерење на брзината и правецот на текот со соодветна ориентација на зондот.

Кога загреваната жица се поставува во течниот поток, топлината се пренесува од жицата кон флуидот. Количеството на дисипирана топлина е директно пропорционално на отпорноста на жицата. Со намалување на губитокот на топлина, отпорноста на жицата се намалува соодветно. Мостовската шема Вејтстоун мери овие варијации на отпорноста, кои потоа се корелираат со количината на текот на течноста.

Метод на константна температура

Во оваа конфигурација, електрична струја загрева жицата. Кога загреваната жица е изложена на флуидниот поток, топлината се пренесува од жицата кон флуидот, доведувајќи до промена на температурата на жицата - и следствено, неговата отпорност. Методот функционира на принципот на одржување на температурата на жицата константна несмотре на губитокот на топлина.

Механизам на обратна врска прави реално време промени на електричната струја низ жицата за да се контрахира губитокот на топлина. Тоталната струја потребна за враќање и одржување на почетната температура на жицата е директно пропорционална на количината на текот на флуидот: побрзите брзини на текот бараат повисоки струи за компенсација на зголемен губиток на топлина. Ова овозможува прецизно мерење на брзината на гас или течност со корелација на промени на струјата со динамиката на текот.

Мерење на количината на текот на флуид со топола жична анемометар

Во тополата жична анемометар, електрична струја загрева тонка жица поставена во флуидниот поток. Мостовската шема Вејтстоун се користи за мерење на температурата на жицата со мониторирање на нејзината електрична отпорност, бидејќи отпорноста варира со температурата.

За методот на константна температура (обичен начин на работа), температурата на жицата се одржува на фиксно ниво несмотре на губитокот на топлина кон флуидот. Механизам на обратна врска прави реално време промени на загревачката струја за да се контрахира губитокот на топлина, осигурувајќи дека мостот останува балансиран. Магнитудот на загревачката струја потребна за одржување на оваа константна температура е директно пропорционален на количината на текот на флуидот, овозможувајќи прецизно мерење на брзината.

Стандарден резистор е поврзан во серија со загревачката жица. Струјата која поминува низ жицата може да се одреди со мерење на паѓањето на напонот низ резисторот, кој точно се мери со потенциометар.

Губитокот на топлина од загреваната жица може да се квантификува со следнава равенка:

Каде:

• v = брзина на текот на флуидот,

• ρ = густина на флуидот,

• a и b = константи зависни од димензии, физички својства на флуидот и жицата.

Предполагајќи дека I е струјата низ жицата и R е неговата отпорност, во равновесие: 

Отпорноста и температурата на инструментот се одржуваат константни за мерење на количината на текот на флуидот со мерење на струјата I.

Овој постав предоставува однос меѓу брзината на флуидот, преносот на топлина и електричната отпорност за доставување на точни, динамички податоци за количината на текот во различни применби, од лабораториско истражување до индустријски контрол на процеси.

Со исцрпување на интеракцијата помеѓу преносот на топлина, електричната отпорност и динамиката на флуидите, тополата жична анемометар останува основен алат за прецизно карактеризирање на текот во научни и инженерски дисциплини.