Vrečni anemometer

Definicija

Vroči žični anemometer je naprava, ki se uporablja za merjenje hitrosti in smeri pretoka tekočine z kvantifikacijo izgube toplote iz segrevane žice, ki je izpostavljena pretoku tekočine. Žica se segreva z električnim tokom, in njena sprememba temperature - povzročena prenosem toplote v tekočino - služi kot kazalec značilnosti pretoka.

Ko je segreča žica postavljena v pretok tekočine, se toplota konvekcijsko prenese iz žice v tekočino, kar povzroči padec temperature žice. Sprememba električnega upora žice (zaradi spremembe temperature) je neposredno povezana z hitrostjo pretoka tekočine, kar omogoča meritve hitrosti.

Zasnovan na principu prenosa toplote od objekta visoke temperature k tekočini nižje temperature, vroči žični anemometer široko uporablja kot raziskovalno orodje v hidrodinamiki za proučevanje kompleksnih dinamičnih pretokov.

Konstrukcija

Vroči žični anemometer sestavlja dva glavna komponenta:

• Vodilna žica
  

• Tanka, odporna žica (npr. platina, volfram), skrita znotraj keramične ali kovinske sonde.

• Žica je izpostavljena pretoku tekočine, kjer deluje kot segrevalec in senzor temperature.

• Vodiči od žice se iztegujo iz sonde do povezave z meritvenim obvodom.

• Most Wheatstone-a

• Natančen električni obvod, uporabljen za merjenje majhnih sprememb upora žice.

• Most je kalibriran za zaznavanje sprememb upora, ki so povzročene izgubo toplote v tekočino, in te spremembe prevede v meritve hitrosti pretoka.

Delovanje: Metoda konstantnega toka

• Namestitev: Sonda anemometra je postavljena v pretok tekočine, katere hitrost je treba izmeriti.

• Segrevanje žice: Konstanten električni tok se pusti skozi vodilno žico, s čimer jo segreva na temperaturo, višjo od tekočine.

• Prenos toplote: Ko tekočina teče preko žice, odvaja toploto, kar zmanjša temperaturo žice. Hitrejše hitrosti pretoka povečajo izgubo toplote, kar vodi do večjega pada temperature.

• Meritev upora: Most Wheatstone-a spremlja upor žice, ki zmanjša s temperaturo (za večino kovin). Obvod mosta je ohranjan pri konstantni napetosti, kar omogoča, da se spremembe upora povežejo z hitrostjo tekočine preko predkalibriranih odnosov.

Glavne uporabe

• Raziskave v aerodinamiki, hidrodinamiki in pretokih robnih plasti.

• Industrijsko merjenje pretoka v cevovodih, sistemi HVAC in vetrovnih tunelih.

• Okoljske raziskave gibanja tekočin v oceanih, atmosferah in bioloških sistemih.

Prednosti

• Visoka občutljivost na hitre spremembe pretoka (idealno za analizo turbulentnega pretoka).

• Kompaktna struktura omogoča meritve v omejenih prostorih.

• Direktno merjenje hitrosti in smeri pretoka z ustreznim usmeritvijo sonde.

Ko je segreča žica postavljena v pretok tekočine, se toplota prenese iz žice v tekočino. Količina odvedene toplote je neposredno sorazmerna z uporom žice. Ko se izguba toplote zmanjša, se upor žice zmanjša tudi. Most Wheatstone-a meri te spremembe upora, ki so nato povezane z hitrostjo pretoka tekočine.

Metoda konstantne temperature

V tej konfiguraciji električni tok segreva žico. Ko je segreča žica izpostavljena pretoku tekočine, se toplota prenese iz žice v tekočino, kar povzroči spremembo temperature žice - in s tem njenega upora. Metoda deluje na principu ohranjana konstantne temperature žice, ne glede na izgubo toplote.

Mehanizem povratne zveze prilagaja električni tok skozi žico v realnem času, da bi se vzdrževala izguba toplote. Skupni tok, potreben za obnovitev in vzdrževanje začetne temperature žice, je neposredno sorazmeren s hitrostjo pretoka tekočine: hitrejše hitrosti pretoka zahtevajo višje tokove, da se kompenzira za večjo izgubo toplote. To omogoča natančno merjenje hitrosti plina ali tekočine z povezovanjem prilagoditev toka s dinamiko pretoka.

Merjenje hitrosti pretoka tekočine z vročim žičnim anemometrom

V vročem žičnem anemometru električni tok segreva tanko žico, postavljeno v pretok tekočine. Uporaba obvoda Wheatstone-a se uporablja za merjenje temperature žice z nadzorom njenega električnega upora, saj se upor spreminja z temperaturo.

Za metodo konstantne temperature (običajen način delovanja) se temperatura žice ohranja na fiksni ravni, ne glede na izgubo toplote v tekočino. Mekhanizem povratne zveze prilagaja tok segrevanja v realnem času, da bi se vzdrževala izguba toplote, tako da ostane obvod uravnotežen. Velikost toka, potrebnega za vzdrževanje te konstantne temperature, je neposredno sorazmerna s hitrostjo pretoka tekočine, kar omogoča natančno merjenje hitrosti.

Standardni upornik je povezan zaporedno z segrevalno žico. Tok, ki teče skozi žico, se lahko določi z merjenjem padca napetosti na uporniku, ki ga natančno meri potenciometer.

Izguba toplote iz segreča žice se lahko kvantificira z naslednjo enačbo:

Kjer:

• v = hitrost pretoka tekočine,

• ρ = gostota tekočine,

• a in b = konstanti, odvisne od dimenzij, fizikalnih lastnosti tekočine in žice.

Pri tem, če je I tok skozi žico in R njen upor, v ravnovesju velja:

Upor in temperatura instrumenta sta ohranjeni konstantni za merjenje hitrosti tekočine z meritvijo toka I.

Ta nastavitev izkorišča odnos med hitrostjo pretoka, prenosom toplote in električnim uporom, da zagotovi natančne, dinamične podatke o hitrosti pretoka v različnih aplikacijah, od laboratorijskih raziskav do industrijskega nadzora procesov.

Z izkoriščanjem interakcije med prenosom toplote, električnim uporom in dinamiko tekočin ostane vroči žični anemometer ključno orodje za natančno karakterizacijo pretoka v znanstvenih in inženirskih disciplinah.