Vrelični anemometar

Definicija

Vrelični anemometar je uređaj koji se koristi za merenje brzine i smera strujanja tekućine kroz kvantifikaciju gubitka toplote sa zagrejanog vodika izloženog strujanju tekućine. Vodik se zagrevava električnim tokom, a promena njegove temperature - uzrokovana prenosom toplote na tekućinu - služi kao indikator karakteristika strujanja.

Kada se zagrejani vodik postavi u strujanje tekućine, toplota se konvektivno prenosi sa vodika na tekućinu, čime se snižava temperatura vodika. Promena električnog otpora vodika (zbog varijacije temperature) direktno je vezana za brzinu strujanja tekućine, što omogućava merenje brzine.

Zasnovan na principu prenosa toplote od visokotemperaturnog objekta do niskotemperaturne tekućine, vrelični anemometar široko se koristi kao istraživački alat u mehanici fluida za studiranje složenih dinamika strujanja.

Konstrukcija

Vrelični anemometar se sastoji od dva glavna komponenta:

• Vodilni vodik
  

• Fin, otporni vodik (npr. platina, volfram) smješten unutar keramičke ili metaličke probne glave.

• Vodik je izložen strujanju tekućine, gdje djeluje kao i zagrijivač i senzor temperature.

• Vodiči od vodika proizlaze iz probe kako bi se povezali sa mernim kolačićima.

• Mostovski krug Wheatstone-a

• Precizni električni krug koji se koristi za merenje sitnih promena otpora vodika.

• Most je kalibriran da detektuje varijacije otpora uzrokovane gubitkom toplote na tekućinu, prema kojima se transliraju u podatke o brzini strujanja.

Rad: Metoda konstantnog toka

• Postavljanje: Probna glava anemometra postavlja se u strujanje tekućine čija brzina treba biti izmjerena.

• Zagrevanje vodika: Konstantan električni tok prolazi kroz vodilni vodik, zagrevajući ga na temperaturu veću od tekućine.

• Prenos toplote: Kako tekućina struje preko vodika, nosi sa sobom toplotu, snižavajući temperaturu vodika. Brže brzine strujanja povećavaju gubitak toplote, što dovodi do veće padavine temperature.

• Merenje otpora: Mostovski krug nadgleda otpor vodika, koji opada s temperaturom (za većinu metala). Krug je održavan na konstantnom naponu, što omogućava da se promene otpora uskladjuju sa brzinom strujanja tekućine preko prekalibriranih odnosa.

Ključne primene

• Istraživanja u aerodinamici, hidrodinamici i strujanju granice sloja.

• Industrijsko merenje strujanja u cjevovodima, HVAC sistemima i tunelima vetra.

• Ekološka studija o pokretu tekućine u oceanima, atmosferama i biološkim sistemima.

Prednosti

• Visoka osjetljivost na brze fluktuacije strujanja (idealno za analizu turbulentnog strujanja).

• Kompaktna konstrukcija omogućava merenje u suženim prostorima.

• Direktno merenje i brzine strujanja i smera s odgovarajućom orijentacijom probe.

Kada se zagrejani vodik postavi u strujanje tekućine, toplota se prenosi sa vodika na tekućinu. Količina disipirane toplote direktno je proporcionalna otporu vodika. Smanjenjem gubitka toplote, otpor vodika takođe opada. Mostovski krug meri ove varijacije otpora, koje se zatim koreliraju sa brzinom strujanja tekućine.

Metoda konstantne temperature

U ovoj konfiguraciji, električni tok zagrijava vodik. Kada je zagrejani vodik izložen strujanju tekućine, toplota se prenosi sa vodika na tekućinu, što dovodi do promene temperature vodika - i, posljedično, njegovog otpora. Metoda funkcionira na principu održavanja temperature vodika konstantnom uprkos gubitku toplote.

Mehanizam povratne informacije prilagođava električni tok kroz vodik u stvarnom vremenu kako bi se suprotstavio disipaciji toplote. Ukupan tok potreban za obnovu i održavanje početne temperature vodika direktno je proporcionalan brzini strujanja tekućine: brže brzine strujanja zahtijevaju veće tokove kako bi se kompenzirao povećani gubitak toplote. To omogućava precizno merenje brzine gasa ili tekućine kroz korelaciju prilagođavanja toka sa dinamikom strujanja.

Merenje brzine strujanja tekućine pomoću vreličnog anemometra

U vreličnom anemometru, električni tok zagrijava fini vodik smješten unutar strujanja tekućine. Mostovski krug Wheatstone-a koristi se za merenje temperature vodika nadgledanjem njegovog električnog otpora, jer se otpor mijenja s temperaturom.

Za metodu konstantne temperature (uobičajeni način rada), temperatura vodika održava se na fiksnoj razini uprkos gubitku toplote na tekućinu. Mekhanizam povratne informacije prilagođava zagrijavajući tok u stvarnom vremenu kako bi se suprotstavio disipaciji toplote, osiguravajući ravnotežu mosta. Intenzitet zagrijavajućeg toka potrebnog za održavanje ove konstantne temperature direktno je proporcionalan brzini strujanja tekućine, što omogućava precizno merenje brzine.

Standardni otpornik spojen je u seriju sa zagrijavajućim vodikom. Tok kroz vodik može se odrediti merenjem padanja napona na otporniku, što se tačno meri pomoću potencijometra.

Gubitak toplote sa zagrejenog vodika može se kvantificirati pomoću sljedeće jednačine:

Gdje:

• v = brzina strujanja tekućine,

• ρ = gustoća tekućine,

• a i b = konstante zavisne od dimenzija, fizičkih svojstava tekućine i vodika.

Pretpostavljajući da je I tok kroz vodik i R jedinstveni njegov otpor, u ravnoteži: 

Otpor i temperatura instrumenta održavaju se konstantnim za merenje brzine tekućine merenjem toka I.

Ova postavka iskoristi odnos između brzine tekućine, prenosa toplote i električnog otpora kako bi pružila tačne, dinamičke podatke o brzini strujanja u različitim primenama, od laboratorijskog istraživanja do kontrolisanja industrijskih procesa.

Iskoristeći interakciju između prenosa toplote, električnog otpora i dinamike fluida, vrelični anemometar ostaje ključni alat za preciznu karakterizaciju strujanja u znanstvenim i inženjerskim disciplinama.