Anemômetro de Fio Quente

Definição

Um Anemômetro de Fio Quente é um dispositivo usado para medir a velocidade e a direção do fluxo de um fluido, quantificando a perda de calor de um fio aquecido exposto ao fluxo do fluido. O fio é aquecido por uma corrente elétrica, e a mudança de temperatura causada pela transferência de calor para o fluido serve como indicador das características do fluxo.

Quando o fio aquecido é colocado no fluxo do fluido, o calor é convectado do fio para o fluido, fazendo com que a temperatura do fio diminua. A mudança na resistência elétrica do fio (devido à variação de temperatura) está diretamente relacionada à taxa de fluxo do fluido, permitindo a medição da velocidade.

Baseado no princípio de transferência de calor de um objeto de alta temperatura para um fluido de baixa temperatura, o anemômetro de fio quente é amplamente utilizado como ferramenta de pesquisa em mecânica dos fluidos para estudar dinâmicas de fluxo complexas.

Construção

Um anemômetro de fio quente compreende dois componentes principais:

• Fio Condutor
  

• Um fio fino e resistivo (por exemplo, platina, tungstênio) alojado dentro de uma sonda cerâmica ou metálica.

• O fio é exposto ao fluxo do fluido, onde atua tanto como aquecedor quanto como sensor de temperatura.

• Condutores do fio se estendem da sonda para se conectar à circuitaria de medição.

• Circuito Ponte de Wheatstone

• Um circuito elétrico preciso usado para medir pequenas mudanças na resistência do fio.

• A ponte é calibrada para detectar variações de resistência causadas pela perda de calor para o fluido, traduzindo essas variações em leituras de velocidade de fluxo.

Operação: Método de Corrente Constante

• Configuração: A sonda do anemômetro é posicionada no fluxo do fluido cuja velocidade precisa ser medida.

• Aquecimento do Fio: Uma corrente elétrica constante é passada pelo fio condutor, aquecendo-o a uma temperatura superior à do fluido.

• Transferência de Calor: À medida que o fluido flui sobre o fio, ele carrega o calor, reduzindo a temperatura do fio. Taxas de fluxo mais rápidas aumentam a perda de calor, levando a uma maior queda de temperatura.

• Medição de Resistência: A ponte de Wheatstone monitora a resistência do fio, que diminui com a temperatura (para a maioria dos metais). O circuito da ponte é mantido em tensão constante, permitindo que as mudanças de resistência sejam correlacionadas com a velocidade do fluido através de relações pré-calibradas.

Principais Aplicações

• Pesquisa em aerodinâmica, hidrodinâmica e fluxo de camada limite.

• Medição de fluxo industrial em dutos, sistemas HVAC e túneis de vento.

• Estudos ambientais do movimento de fluidos nos oceanos, atmosferas e sistemas biológicos.

Vantagens

• Alta sensibilidade a flutuações rápidas de fluxo (ideal para análise de fluxo turbulento).

• Design compacto permite medição em espaços confinados.

• Medição direta da velocidade e direção do fluxo com orientação apropriada da sonda.

Quando o fio aquecido é colocado em um fluxo líquido, o calor é transferido do fio para o fluido. A quantidade de calor dissipado é diretamente proporcional à resistência do fio. Conforme a perda de calor diminui, a resistência do fio também diminui. A ponte de Wheatstone mede essas variações de resistência, que são então correlacionadas com a taxa de fluxo do líquido.

Método de Temperatura Constante

Nesta configuração, uma corrente elétrica aquece o fio. Quando o fio quente é exposto a um fluxo de fluido, o calor é transferido do fio para o fluido, causando uma mudança na temperatura do fio - e, consequentemente, sua resistência. O método opera no princípio de manter a temperatura do fio constante, apesar da perda de calor.

Um mecanismo de feedback ajusta a corrente elétrica através do fio em tempo real para contrabalançar a dissipação de calor. A corrente total necessária para restaurar e manter a temperatura inicial do fio é diretamente proporcional à taxa de fluxo do fluido: taxas de fluxo mais rápidas exigem correntes maiores para compensar a perda de calor aumentada. Isso permite a medição precisa da velocidade de gás ou líquido, correlacionando os ajustes de corrente com as dinâmicas do fluxo.

Medição da Taxa de Fluxo de Fluido Usando um Anemômetro de Fio Quente

Em um anemômetro de fio quente, a corrente elétrica aquece um fio fino posicionado dentro de um fluxo de fluido. O circuito ponte de Wheatstone é usado para medir a temperatura do fio, monitorando sua resistência elétrica, pois a resistência varia com a temperatura.

Para o método de temperatura constante (um modo operacional comum), a temperatura do fio é mantida em um nível fixo, apesar da perda de calor para o fluido. Um mecanismo de feedback ajusta a corrente de aquecimento em tempo real para contrabalançar a dissipação de calor, garantindo que a ponte permaneça equilibrada. A magnitude da corrente de aquecimento necessária para manter esta temperatura constante é diretamente proporcional à taxa de fluxo do fluido, permitindo a medição precisa da velocidade.

Um resistor padrão é conectado em série com o fio de aquecimento. A corrente que passa pelo fio pode ser determinada medindo a queda de tensão através do resistor, que é medida com precisão usando um potenciômetro.

A perda de calor do fio aquecido pode ser quantificada usando a seguinte equação:

Onde:

• v = velocidade do fluxo do fluido,

• ρ = densidade do fluido,

• a e b = constantes dependentes das dimensões, propriedades físicas do fluido e do fio.

Assumindo que I é a corrente através do fio e R é sua resistência, em equilíbrio: 

A resistência e a temperatura do instrumento são mantidas constantes para medir a taxa do fluido, medindo a corrente I.

Esta configuração aproveita a relação entre a velocidade do fluido, a transferência de calor e a resistência elétrica para fornecer dados precisos e dinâmicos de taxa de fluxo em várias aplicações, desde pesquisas em laboratório até controle de processos industriais.

Ao aproveitar a interação entre a transferência de calor, a resistência elétrica e a dinâmica dos fluidos, o anemômetro de fio quente permanece uma ferramenta fundamental para a caracterização precisa do fluxo em disciplinas científicas e de engenharia.