Anemometer Kawat Panas

Definisi

Alat pengukur anemometer kawat panas adalah perangkat yang digunakan untuk mengukur kelajuan dan arah aliran fluida dengan mengkuantifikasi hilangnya haba dari kawat yang dipanaskan dan terkena aliran fluida. Kawat tersebut dipanaskan melalui arus elektrik, dan perubahan suhunya—yang disebabkan oleh transfer haba ke fluida—berfungsi sebagai indikator karakteristik aliran.

Apabila kawat yang dipanaskan diletakkan dalam aliran fluida, haba dikonveksi dari kawat ke fluida, menyebabkan suhu kawat menurun. Perubahan rintangan elektrik kawat (akibat variasi suhu) berkaitan langsung dengan kadar aliran fluida, membolehkan pengukuran kelajuan.

Berdasarkan prinsip transfer haba dari objek berhawa tinggi ke fluida berhawa rendah, anemometer kawat panas secara luas digunakan sebagai alat penyelidikan dalam mekanik fluida untuk mempelajari dinamika aliran yang kompleks.

Konstruksi

Anemometer kawat panas terdiri dari dua komponen utama:

• Kawat Penghantar
  

• Kawat resistif halus (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 diperpanjang dari probe untuk terhubung dengan rangkaian pengukuran.

• Rangkaian Jembatan Wheatstone

• Rangkaian elektrik presisi yang digunakan untuk mengukur perubahan kecil dalam rintangan kawat.

• Jembatan tersebut dikalibrasi untuk mendeteksi variasi rintangan yang disebabkan oleh hilangnya haba ke fluida, menerjemahkan ini menjadi pembacaan kelajuan aliran.

Operasi: Metode Arus Tetap

• Penyiapan: Probe anemometer diletakkan dalam aliran fluida yang kelajuannya perlu diukur.

• Pemanasan Kawat: Arus elektrik tetap dialirkan melalui kawat penghantar, memanaskannya hingga suhu yang lebih tinggi daripada fluida.

• Transfer Haba: Apabila fluida mengalir melewati kawat, ia membawa haba, menurunkan suhu kawat. Laju aliran yang lebih cepat meningkatkan hilangnya haba, menyebabkan penurunan suhu yang lebih besar.

• Pengukuran Rintangan: Jembatan Wheatstone memantau rintangan kawat, yang menurun dengan suhu (untuk sebagian besar logam). Rangkaian jembatan dipertahankan pada tegangan konstan, membolehkan perubahan rintangan dikorelasikan dengan kelajuan 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.

Kelebihan

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

• Desain yang ringkas membolehkan pengukuran di ruang sempit.

• Pengukuran langsung baik kelajuan maupun arah aliran dengan orientasi probe yang tepat.

Apabila kawat yang dipanaskan diletakkan dalam aliran cairan, haba ditransfer dari kawat ke fluida. Jumlah haba yang dibuang berkaitan langsung dengan rintangan kawat. Ketika hilangnya haba berkurang, rintangan kawat juga berkurang. Jembatan Wheatstone mengukur variasi rintangan ini, yang kemudian dikorelasikan dengan laju aliran cairan.

Metode Suhu Tetap

Dalam konfigurasi ini, arus elektrik memanaskan kawat. Ketika kawat panas terkena aliran fluida, haba ditransfer dari kawat ke fluida, menyebabkan perubahan suhu kawat—dan akibatnya, rintangannya. Metode ini beroperasi berdasarkan prinsip mempertahankan suhu kawat tetap walaupun ada hilangnya haba.

Mekanisme umpan balik menyesuaikan arus elektrik melalui kawat secara real-time untuk mengimbangi disipasi haba. Arus total yang diperlukan untuk memulihkan dan mempertahankan suhu awal kawat berkaitan langsung dengan laju aliran fluida: laju aliran yang lebih cepat memerlukan arus yang lebih tinggi untuk mengganti hilangnya haba yang lebih besar. Ini membolehkan pengukuran tepat kelajuan gas atau cairan dengan mengkorelasikan penyesuaian arus dengan dinamika aliran.

Pengukuran Laju Aliran Fluida Menggunakan Anemometer Kawat Panas

Dalam anemometer kawat panas, arus elektrik memanaskan kawat halus yang ditempatkan dalam aliran fluida. Rangkaian jembatan Wheatstone digunakan untuk mengukur suhu kawat dengan memantau rintangan elektriknya, karena rintangan bervariasi dengan suhu.

Untuk metode suhu tetap (mode operasi yang umum), suhu kawat dipertahankan pada tingkat tertentu walaupun ada hilangnya haba ke fluida. Mekanisme umpan balik menyesuaikan arus pemanasan secara real-time untuk mengimbangi disipasi haba, memastikan jembatan tetap seimbang. Besarnya arus pemanasan yang diperlukan untuk mempertahankan suhu tetap ini berkaitan langsung dengan laju aliran fluida, membolehkan pengukuran kelajuan yang tepat.

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

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

Di mana:

• v = kelajuan aliran fluida,

• ρ = ketumpatan fluida,

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

Dengan asumsi I adalah arus melalui kawat dan R adalah rintangannya, pada keseimbangan: 

Rintangan dan suhu instrumen dipertahankan tetap untuk mengukur laju fluida dengan mengukur arus I.

Pengaturan ini memanfaatkan hubungan antara kelajuan fluida, transfer haba, dan rintangan elektrik untuk memberikan data laju aliran yang akurat dan dinamis dalam berbagai aplikasi, dari penelitian laboratorium hingga kontrol proses industri.

Dengan memanfaatkan interaksi antara transfer haba, rintangan elektrik, dan dinamika fluida, anemometer kawat panas tetap menjadi alat pokok untuk karakterisasi aliran yang tepat dalam disiplin ilmu pengetahuan dan teknik.