Heetdraad Anemometer

Definitie

Een warmdraad-anemometer is een apparaat dat wordt gebruikt om de snelheid en richting van een vloeistofstroom te meten door de warmteafgifte van een verhitte draad die aan de vloeistofstroom is blootgesteld, te kwantificeren. De draad wordt via een elektrische stroom verwarmd, en de temperatuurverandering - veroorzaakt door warmtetransfer naar de vloeistof - dient als indicatie voor de stroomkenmerken.

Wanneer de verhitte draad in de vloeistofstroom wordt geplaatst, wordt warmte van de draad overgebracht naar de vloeistof, waardoor de temperatuur van de draad daalt. De verandering in de elektrische weerstand van de draad (door temperatuursvariatie) is rechtstreeks gerelateerd aan de stroomsnelheid van de vloeistof, waardoor de snelheidsmeting mogelijk is.

Gebaseerd op het principe van warmtetransfer van een object met hoge temperatuur naar een vloeistof met lagere temperatuur, wordt de warmdraad-anemometer breed gebruikt als onderzoeksinstrument in de vloeistofmechanica om complexe stroomdynamiek te bestuderen.

Opbouw

Een warmdraad-anemometer bestaat uit twee primaire componenten:

• Leidende Draad
  

• Een fijne, resistieve draad (bijvoorbeeld platina, wolfraam) gehuisvest in een keramische of metalen sonde.

• De draad is blootgesteld aan de vloeistofstroom, waar hij zowel als verwarmer als temperatuursensor fungeert.

• Leidingen van de draad lopen van de sonde naar de meetcircuits.

• Wheatstone-brugcircuit

• Een precisie-elektrisch circuit dat wordt gebruikt om minuscule veranderingen in de weerstand van de draad te meten.

• De brug is gekalibreerd om weerstandsvariaties te detecteren die worden veroorzaakt door warmteafgifte aan de vloeistof, en deze omzetten in stroomsnelheidswaarden.

Werking: Methode van constante stroom

• Opstelling: De anemometersonde wordt in de vloeistofstroom geplaatst waarvan de snelheid gemeten moet worden.

• Verhitting van de draad: Een constante elektrische stroom wordt door de leidende draad geleid, waardoor deze tot een temperatuur wordt verhit die hoger is dan die van de vloeistof.

• Warmtetransfer: Wanneer de vloeistof over de draad stroomt, neemt deze warmte mee, waardoor de temperatuur van de draad daalt. Hogere stroomsnelheden nemen de warmteafgifte toe, wat leidt tot een grotere temperatuurdaling.

• Weerstandsmeting: De Wheatstone-brug monitort de weerstand van de draad, die afneemt met de temperatuur (voor de meeste metalen). Het brugcircuit wordt bij een constante spanning gehouden, waardoor weerstandsveranderingen kunnen worden gerelateerd aan de stroomsnelheid via vooraf gecalibreerde relaties.

Belangrijke toepassingen

• Onderzoek in aerodynamica, hydrodynamica en grenslaagsstroming.

• Industriële stroommeting in pijpleidingen, HVAC-systemen en windtunnels.

• Milieuonderzoeken van vloeistofbeweging in oceanen, atmosferen en biologische systemen.

Voordelen

• Hoge gevoeligheid voor snelle stroomfluctuaties (ideaal voor turbulente stroomanalyse).

• Compact ontwerp stelt meting in beperkte ruimtes mogelijk.

• Directe meting van zowel stroomsnelheid als richting met de juiste sondeoriëntatie.

Wanneer de verhitte draad in een vloeistofstroom wordt geplaatst, wordt warmte van de draad overgebracht naar de vloeistof. Het afgegeven warmtebedrag is direct evenredig met de weerstand van de draad. Naarmate de warmteafgifte afneemt, neemt de weerstand van de draad ook af. De Wheatstone-brug meet deze weerstandsvariaties, die vervolgens worden gerelateerd aan de stroomsnelheid van de vloeistof.

Methode van constante temperatuur

In deze configuratie wordt de draad door een elektrische stroom verhit. Wanneer de warme draad aan een vloeistofstroom wordt blootgesteld, vindt er warmtetransfer plaats van de draad naar de vloeistof, wat resulteert in een verandering in de temperatuur - en dus de weerstand - van de draad. De methode werkt volgens het principe van het handhaven van de temperatuur van de draad constant ondanks warmteafgifte.

Een feedbackmechanisme past de elektrische stroom door de draad in real-time aan om warmteafgifte tegen te gaan. De totale stroom die nodig is om de initiële temperatuur van de draad te herstellen en te handhaven, is direct evenredig met de stroomsnelheid van de vloeistof: hogere stroomsnelheden vereisen hogere stromen om de toegenomen warmteafgifte te compenseren. Dit stelt een nauwkeurige meting van gas- of vloeistofsnelheid mogelijk door stroomaanpassingen te correleren met stroomdynamiek.

Metingsmethode voor vloeistofsnelheid met behulp van een warmdraad-anemometer

Bij een warmdraad-anemometer wordt een fijne draad binnen een vloeistofstroom door een elektrische stroom verhit. Het Wheatstone-brugcircuit wordt gebruikt om de temperatuur van de draad te meten door de elektrische weerstand te bewaken, aangezien de weerstand varieert met de temperatuur.

Voor de methode van constante temperatuur (een algemeen werkingsmodus) wordt de temperatuur van de draad ondanks warmteafgifte aan de vloeistof op een vast niveau gehandhaafd. Een feedbackmechanisme past de verwarmingsstroom in real-time aan om warmteafgifte tegen te gaan, zodat de brug in balans blijft. De grootte van de verwarmingsstroom die nodig is om deze constante temperatuur te handhaven, is direct evenredig met de stroomsnelheid van de vloeistof, waardoor een nauwkeurige snelheidsmeting mogelijk is.

Een standaardweerstand is in serie verbonden met de verwarmingsdraad. De stroom door de draad kan worden bepaald door de spanning over de weerstand te meten, wat nauwkeurig wordt gemeten met een potentiometer.

De warmteafgifte van de verhitte draad kan worden gekwantificeerd met behulp van de volgende vergelijking:

Waarbij:

• v = snelheid van de vloeistofstroom,

• ρ = dichtheid van de vloeistof,

• a en b = constanten die afhankelijk zijn van de afmetingen, fysieke eigenschappen van de vloeistof en de draad.

Aangenomen dat I de stroom door de draad is en R de weerstand, dan geldt bij evenwicht: 

De weerstand en temperatuur van het instrument worden constant gehouden voor het meten van de stroomsnelheid door de stroom I te meten.

Deze opstelling maakt gebruik van de relatie tussen vloeistofsnelheid, warmtetransfer en elektrische weerstand om nauwkeurige, dynamische stroomsnelheidsgegevens te leveren in verschillende toepassingen, van laboratoriumonderzoek tot industriële procescontrole.

Door de interactie tussen warmtetransfer, elektrische weerstand en vloeistofdynamiek te benutten, blijft de warmdraad-anemometer een hoeksteen in wetenschappelijke en technische disciplines voor nauwkeurige stroomkarakterisering.