Тепловая анемометрия

Определение

Анемометр с горячей проволокой — это устройство, используемое для измерения скорости и направления потока жидкости путем квантификации теплопотерь от нагретой проволоки, помещенной в поток жидкости. Проволока нагревается посредством электрического тока, а изменение ее температуры, вызванное передачей тепла жидкости, служит индикатором характеристик потока.

Когда нагретая проволока помещается в поток жидкости, тепло отводится от проволоки к жидкости, что приводит к снижению температуры проволоки. Изменение электрического сопротивления проволоки (в результате изменения температуры) напрямую связано со скоростью потока жидкости, что позволяет измерять скорость.

Основанный на принципе передачи тепла от объекта с высокой температурой к жидкости с низкой температурой, анемометр с горячей проволокой широко используется как исследовательский инструмент в гидродинамике для изучения сложных динамических процессов потока.

Конструкция

Анемометр с горячей проволокой состоит из двух основных компонентов:

• Проводящая проволока
  

• Тонкая резистивная проволока (например, платина, вольфрам), заключенная в керамическую или металлическую пробку.

• Проволока помещается в поток жидкости, где она выполняет функции нагревателя и датчика температуры.

• От проволоки отходят выводы, которые соединяются с измерительной схемой.

• Мостовая схема Уитстона

• Точная электрическая схема, используемая для измерения небольших изменений сопротивления проволоки.

• Мост калибруется для обнаружения изменений сопротивления, вызванных потерей тепла к жидкости, переводя эти изменения в показания скорости потока.

Принцип работы: метод постоянного тока

• Установка: зонд анемометра устанавливается в поток жидкости, скорость которого необходимо измерить.

• Нагрев проволоки: через проводящую проволоку пропускается постоянный электрический ток, нагревая ее до температуры, превышающей температуру жидкости.

• Передача тепла: когда жидкость протекает над проволокой, она забирает тепло, понижая температуру проволоки. Более высокие скорости потока увеличивают потерю тепла, что приводит к большему снижению температуры.

• Измерение сопротивления: мост Уитстона контролирует сопротивление проволоки, которое уменьшается с температурой (для большинства металлов). Мостовая схема поддерживается при постоянном напряжении, что позволяет связывать изменения сопротивления со скоростью потока жидкости по предварительно калиброванным зависимостям.

Основные применения

• Исследования в области аэродинамики, гидродинамики и пограничного слоя потока.

• Измерение потока в промышленных трубопроводах, системах HVAC и аэродинамических трубах.

• Экологические исследования движения жидкости в океанах, атмосфере и биологических системах.

Преимущества

• Высокая чувствительность к быстрым колебаниям потока (идеально для анализа турбулентного потока).

• Компактная конструкция позволяет проводить измерения в ограниченных пространствах.

• Прямое измерение как скорости, так и направления потока с соответствующей ориентацией зонда.

Когда нагретая проволока помещается в поток жидкости, тепло передается от проволоки к жидкости. Количество рассеянного тепла прямо пропорционально сопротивлению проволоки. По мере уменьшения потери тепла сопротивление проволоки также уменьшается. Мост Уитстона измеряет эти изменения сопротивления, которые затем коррелируются со скоростью потока жидкости.

Метод постоянной температуры

В этой конфигурации проволока нагревается электрическим током. Когда горячая проволока оказывается в потоке жидкости, тепло передается от проволоки к жидкости, вызывая изменение температуры проволоки — и, следовательно, ее сопротивления. Метод основан на принципе поддержания постоянной температуры проволоки несмотря на потерю тепла.

Механизм обратной связи регулирует электрический ток через проволоку в реальном времени, чтобы компенсировать потерю тепла. Общая величина тока, необходимая для восстановления и поддержания начальной температуры проволоки, прямо пропорциональна скорости потока жидкости: более высокие скорости требуют больших токов для компенсации увеличенной потери тепла. Это позволяет точно измерять скорость газа или жидкости, коррелируя изменения тока с динамикой потока.

Измерение скорости потока жидкости с помощью анемометра с горячей проволокой

В анемометре с горячей проволокой электрический ток нагревает тонкую проволоку, расположенную в потоке жидкости. Для измерения температуры проволоки используется мостовая схема Уитстона, которая контролирует электрическое сопротивление проволоки, так как сопротивление изменяется с температурой.

Для метода постоянной температуры (общий режим работы) температура проволоки поддерживается на фиксированном уровне, несмотря на потерю тепла к жидкости. Механизм обратной связи регулирует нагревательный ток в реальном времени, чтобы компенсировать потерю тепла, обеспечивая баланс моста. Величина нагревательного тока, необходимая для поддержания этой постоянной температуры, прямо пропорциональна скорости потока жидкости, что позволяет точно измерять скорость.

Стандартный резистор подключается последовательно с нагревательной проволокой. Ток, проходящий через проволоку, можно определить, измерив падение напряжения на резисторе, которое точно измеряется с помощью потенциометра.

Потеря тепла от нагретой проволоки может быть количественно выражена следующим уравнением:

Где:

• v = скорость потока жидкости,

• ρ = плотность жидкости,

• a и b = константы, зависящие от размеров, физических свойств жидкости и проволоки.

Предполагая, что I — это ток через проволоку, а R — ее сопротивление, в состоянии равновесия:

Сопротивление и температура прибора поддерживаются постоянными для измерения скорости потока жидкости, измеряя ток I.

Эта система использует взаимосвязь между скоростью потока жидкости, передачей тепла и электрическим сопротивлением для предоставления точных данных о динамической скорости потока в различных приложениях, от лабораторных исследований до промышленного контроля процессов.

Используя взаимодействие между передачей тепла, электрическим сопротивлением и динамикой жидкости, анемометр с горячей проволокой остается ключевым инструментом для точного описания потока в научных и инженерных дисциплинах.