Hete trådanemometer

Definisjon

En varmtrådanemometer er et instrument brukt til å måle farten og retningen på en flytende strøm ved å kvantifisere varmetapet fra en oppvarmet tråd som er utsatt for flytende strøm. Tråden blir oppvarmet via elektrisk strøm, og endringen i temperatur - forårsaket av varmeoverføring til flytende strøm - fungerer som en indikator for strømkarakteristika.

Når den oppvarmede tråden plasseres i flytende strøm, overføres varme fra tråden til flytende strøm, noe som fører til at trådens temperatur synker. Endringen i trådens elektriske motstand (som skyldes temperatursvikt) er direkte relatert til flytende strøms hastighet, noe som gjør det mulig å måle fart.

Basert på prinsippet om varmeoverføring fra et høytemperatur objekt til et lavere temperatur flytende strøm, brukes varmtrådanemometere vidt ut som forskningsverktøy i flytende mekanikk for å studere komplekse strømningsdynamikker.

Konstruksjon

En varmtrådanemometer består av to primære komponenter:

• Ledende Tråd
  

• En tynd, motstandsdyktig tråd (for eksempel platina, wolfram) innhylset i en keramisk eller metallisk probe.

• Tråden er utsatt for flytende strøm, hvor den fungerer både som varmesenter og temperatursensor.

• Ledninger fra tråden strekker seg fra proben for å koble til målemekanismer.

• Wheatstone Bridge-sirkuit

• Et presisjonselektrisk sirkuit brukt til å måle små endringer i trådens motstand.

• Broen kalibreres for å oppdage motstandsvariasjoner forårsaket av varmetap til flytende strøm, og oversetter disse til fartsmålinger.

Drift: Konstant Strøm Metode

• Oppsett: Anemometerproben plasseres i flytende strøm hvis fart skal måles.

• Oppvarming av Tråd: En konstant elektrisk strøm sendes gjennom ledende tråd, og den blir oppvarmet til en temperatur høyere enn flytende strøm.

• Varmeoverføring: Når flytende strøm beveger seg over tråden, bærer den vekk varme, noe som reduserer trådens temperatur. Raskere flytestyrke øker varmetap, noe som fører til en større temperaturnedgang.

• Motstands Måling: Wheatstone-broen overvåker trådens motstand, som minker med temperatur (for de fleste metaller). Bro-sirkuiten holdes ved konstant spenning, noe som tillater at motstandsvariasjoner korreleres med flytende strøms fart via forhånds kalibrerte relasjoner.

Viktige Bruksområder

• Forskning i aerodynamikk, hydrodynamikk og grenseskiktstrøm.

• Industriell strømmåling i rørledninger, HVAC-systemer og vindtunneler.

• Miljøstudier av flytbevegelser i hav, atmosfæren og biologiske systemer.

Fordeler

• Høy sensitivitet til raske strømfluktuasjoner (ideelt for turbulensanalyse).

• Kompakt design gir mulighet for måling i trange rom.

• Direkte måling av både strømfart og retning med passende probeorientering.

Når den oppvarmede tråden plasseres i en væskestrom, overføres varme fra tråden til væsken. Mengden overført varme er direkte proporsjonal til trådens motstand. Når varmetapet minker, minker også trådens motstand. Wheatstone-broen måler disse motstandsvariasjonene, som deretter korreleres med væskens strømhastighet.

Konstant Temperatur Metode

I denne konfigurasjonen oppvarmes tråden med elektrisk strøm. Når den varme tråden settes i en flytende strøm, overføres varme fra tråden til flytende strøm, noe som fører til en endring i trådens temperatur - og dermed dens motstand. Metoden baserer seg på prinsippet om å holde trådens temperatur konstant uansett varmetap.

En tilbakemelding mekanisme justerer elektrisk strøm gjennom tråden i sanntid for å motvirke varmetap. Den totale strømmen som kreves for å gjenopprette og vedlikeholde trådens opprinnelige temperatur er direkte proporsjonal til flytende strøms hastighet: raskere strømhyrder krever høyere strøm for å kompensere for økt varmetap. Dette tillater nøyaktig måling av gass eller væskens fart ved å korrelere strømjusteringer med strømdynamikk.

Måling av Flytende Strøms Hastighet Ved Hjelp av Varmtrådanemometer

I et varmtrådanemometer oppvarmes en tynd tråd beliggende i en flytende strøm med elektrisk strøm. Wheatstone-bridge-sirkuitet brukes til å måle trådens temperatur ved å overvåke dens elektriske motstand, da motstand varierer med temperatur.

For konstant temperatur metode (en vanlig driftsmodus), beholdes trådens temperatur ved en fast nivå uansett varmetap til flytende strøm. En tilbakemelding mekanisme justerer oppvarmingsstrømmen i sanntid for å motvirke varmetap, slik at broen forblir balansert. Størrelsen på opvarmingsstrømmen som kreves for å opprettholde denne konstante temperaturen er direkte proporsjonal til flytende strøms hastighet, noe som gjør det mulig å måle fart nøyaktig.

En standard motstand kobles i serie med opvarmingsbåndet. Strømmen som passerer gjennom tråden kan bestemmes ved å måle spenningstapet over motstanden, som akkurat måles ved hjelp av en potensiometer.

Varmetapet fra den oppvarmede tråden kan kvantifiseres ved hjelp av følgende ligning:

Der:

• v = hastigheten til flytende strøm,

• ρ = tettheten til flytende strøm,

• a og b = konstanter avhengig av dimensjoner, fysiske egenskaper av flytende strøm, og tråden.

Anta at I er strømmen gjennom tråden og R er dens motstand, ved likevekt:

Motstanden og temperaturen på instrumentet holdes konstant for å måle hastigheten til flytende strøm ved å måle strømmen I.

Dette oppsettet utnytter forholdet mellom flytende strømshastighet, varmeoverføring og elektrisk motstand for å gi nøyaktige, dynamiske strømhastighetsdata i ulike bruksområder, fra laboratorieforskning til industriell prosesskontroll.

Ved å utnytte interaksjonen mellom varmeoverføring, elektrisk motstand og flytende strøm, forblir varmtrådanemometer en grunnleggende verktøy for nøyaktig strømkarakterisering i vitenskapelige og ingeniørfaglige disipliner.