Czujnik prędkości strumienia ciepłej druty

Definicja

Anemometr cieplny to urządzenie służące do pomiaru prędkości i kierunku przepływu płynu poprzez kwantyfikację strat ciepła z grzałki umieszczonej w strumieniu płynu. Grzałka jest nagrzewana prądem elektrycznym, a zmiana jej temperatury spowodowana przepływem ciepła do płynu służy jako wskaźnik charakterystyk przepływu.

Gdy grzałka zostanie umieszczona w strumieniu płynu, ciepło jest przekazywane od grzałki do płynu, powodując obniżenie temperatury grzałki. Zmiana oporu elektrycznego grzałki (wynikająca z zmiany temperatury) jest bezpośrednio związana z szybkością przepływu płynu, co pozwala na pomiar prędkości.

Zasada działania anemometru cieplnego opiera się na przekazywaniu ciepła od obiektu o wyższej temperaturze do płynu o niższej temperaturze. Anemometry cieplne są szeroko stosowane jako narzędzie badawcze w mechanice płynów do studiowania złożonych dynamik przepływu.

Konstrukcja

Anemometr cieplny składa się z dwóch głównych elementów:

• Przewód przewodzący
  

• Cienki, oporny przewód (np. platyna, wolfram) umieszczony w sondzie ceramicznej lub metalowej.

• Przewód jest narażony na strumień płynu, gdzie działa zarówno jako grzałka, jak i czujnik temperatury.

• Przewody od przewodu wychodzą z sondy i podłączają się do układu pomiarowego.

• Mostek Wheatstone'a

• Precyzyjny obwód elektryczny służący do pomiaru drobnych zmian oporu przewodu.

• Mostek jest kalibrowany do wykrywania zmian oporu spowodowanych utratą ciepła do płynu, które są następnie tłumaczone na odczyty prędkości przepływu.

Działanie: Metoda stałego prądu

• Ustawienie: Sonda anemometru jest umieszczana w strumieniu płynu, którego prędkość ma być zmierzona.

• Nagrzewanie przewodu: Stały prąd elektryczny przepływa przez przewód przewodzący, nagrzewając go do temperatury wyższej niż temperatura płynu.

• Przekazywanie ciepła: Gdy płyn przepływa nad przewodem, zabiera ciepło, obniżając temperaturę przewodu. Wyższe prędkości przepływu zwiększają utratę ciepła, prowadząc do większego spadku temperatury.

• Pomiar oporu: Mostek Wheatstone'a monitoruje opór przewodu, który maleje wraz z temperaturą (dla większości metali). Układ mostkowy jest utrzymywany przy stałym napięciu, co pozwala na skorelowanie zmian oporu z prędkością płynu za pomocą wcześniejszych kalibracji.

Główne zastosowania

• Badania aerodynamiki, hydrodynamiki i warstwy granicznej przepływu.

• Pomiar przepływu w przemyśle w rurociągach, systemach HVAC i tunelach aerodynamicznych.

• Studia środowiskowe dotyczące ruchu płynów w oceanach, atmosferze i systemach biologicznych.

Zalety

• Wysoka wrażliwość na szybkie fluktuacje przepływu (idealna dla analizy przepływu turbulentnego).

• Kompaktowa konstrukcja umożliwia pomiary w ograniczonych przestrzeniach.

• Bezpośredni pomiar zarówno prędkości, jak i kierunku przepływu przy odpowiednim ustawieniu sondy.

Gdy grzałka jest umieszczona w strumieniu płynu, ciepło jest przekazywane od przewodu do płynu. Ilość oddanego ciepła jest bezpośrednio proporcjonalna do oporu przewodu. W miarę zmniejszania się strat ciepła, opór przewodu również maleje. Mostek Wheatstone'a mierzy te zmiany oporu, które są następnie korelowane z prędkością przepływu płynu.

Metoda stałe temperatury

W tej konfiguracji prąd elektryczny nagrzewa przewód. Gdy gorący przewód jest narażony na strumień płynu, ciepło jest przekazywane od przewodu do płynu, powodując zmianę temperatury przewodu – a tym samym jego oporu. Metoda polega na utrzymaniu temperatury przewodu na stałym poziomie mimo utraty ciepła.

Mechanizm sprzężenia zwrotnego dostosowuje prąd elektryczny przepływający przez przewód w czasie rzeczywistym, aby kompensować utratę ciepła. Całkowity prąd potrzebny do przywrócenia i utrzymania początkowej temperatury przewodu jest bezpośrednio proporcjonalny do prędkości przepływu płynu: wyższe prędkości wymagają wyższego prądu, aby zrekompensować zwiększoną utratę ciepła. To pozwala na precyzyjne pomiary prędkości gazu lub płynu poprzez korelację regulacji prądu z dynamiką przepływu.

Pomiar prędkości przepływu płynu za pomocą anemometru cieplnego

W anemometrze cieplnym prąd elektryczny nagrzewa cienki przewód umieszczony w strumieniu płynu. Układ mostkowy Wheatstone'a służy do pomiaru temperatury przewodu poprzez monitorowanie jego oporu elektrycznego, ponieważ opór zmienia się wraz z temperaturą.

Dla metody stałej temperatury (częstej metody pracy) temperatura przewodu jest utrzymywana na stałym poziomie mimo utraty ciepła do płynu. Mechanizm sprzężenia zwrotnego dostosowuje prąd grzewczy w czasie rzeczywistym, aby kompensować utratę ciepła, zapewniając, że mostek pozostaje zbilansowany. Wielkość prądu grzewczego potrzebnego do utrzymania stałej temperatury jest bezpośrednio proporcjonalna do prędkości przepływu płynu, co pozwala na precyzyjne pomiary prędkości.

Standardowy rezystor jest połączony szeregowo z przewodem grzewczym. Prąd przepływający przez przewód można określić, mierząc spadek napięcia na rezystorze, który jest dokładnie mierzony za pomocą potencjometru.

Straty ciepła z grzałki mogą być kwantyfikowane za pomocą następującego równania:

Gdzie:

• v = prędkość przepływu płynu,

• ρ = gęstość płynu,

• a i b = stałe zależne od wymiarów, właściwości fizycznych płynu i przewodu.

Założono, że I jest prądem przepływającym przez przewód, a R jest jego oporem, w stanie równowagi: 

Opór i temperatura urządzenia są utrzymywane na stałym poziomie do pomiaru szybkości płynu poprzez pomiar prądu I.

Ta konfiguracja wykorzystuje relację między prędkością płynu, przepływem ciepła i oporem elektrycznym, aby dostarczyć dokładne, dynamiczne dane o prędkości przepływu w różnych zastosowaniach, od badań laboratoryjnych do kontroli procesów przemysłowych.

Wykorzystując interakcję między przepływem ciepła, oporem elektrycznym i dynamiką płynów, anemometr cieplny pozostaje kluczowym narzędziem do precyzyjnej charakterystyki przepływu w naukach i inżynierii.