Hettrådsanemometer

Definition

En hettrödsanemometer är en enhet som används för att mäta fluidens flödeshastighet och riktning genom att kvantifiera värmeavledningen från en uppvärmad tråd exponerad för fluidströmmen. Tråden uppvärmes via en elektrisk ström, och dess temperaturförändring - orsakad av värmeöverföring till fluiden - fungerar som en indikator på flödesegenskaperna.

När den uppvärmade tråden placeras i fluidströmmen överförs värme från tråden till fluiden, vilket gör att trådens temperatur sjunker. Förändringen i trådens elektriska resistans (på grund av temperaturvariation) är direkt relaterad till fluidens flödestakt, vilket möjliggör hastighetsmätning.

Baserat på principen om värmeöverföring från ett objekt med hög temperatur till en fluid med lägre temperatur, används hettrödsanemometern vidt ut som forskningsverktyg inom fluiddynamik för att studera komplexa flödesdynamik.

Konstruktion

Ett hettrödsanemometer består av två huvudkomponenter:

• Ledande tråd
  

• En fin, resistiv tråd (till exempel platin eller tungsten) som sitter inuti en keramisk eller metallisk sonde.

• Tråden exponeras för fluidströmmen, där den fungerar både som värmare och temperatursensor.

• Kontakter från tråden sträcker sig från sonden för att ansluta till mätutrustningen.

• Wheatstonebrokrets

• En precisionsbaserad elektrisk krets som används för att mäta små förändringar i trådens resistans.

• Brokretsen kalibreras för att upptäcka resistansvariationer orsakade av värmeavledning till fluiden, vilka översätts till flödehastighetsvärden.

Funktion: Konstant strömmetod

• Uppställning: Anemometerproben placeras i fluidströmmen vars hastighet ska mätas.

• Uppvärmning av tråden: En konstant elektrisk ström passerar genom ledande tråden, vilket uppvärmer den till en temperatur som är högre än fluiden.

• Värmeöverföring: När fluiden flyter över tråden bär den bort värme, vilket sänker trådens temperatur. Snabbare flödestakter ökar värmeavledningen, vilket leder till en större temperaturminskning.

• Mätning av resistans: Wheatstonebrokretsen övervakar trådens resistans, vilken minskar med temperatur (för de flesta metaller). Brokretsen hålls vid en konstant spänning, vilket möjliggör att resistansförändringar korreleras med fluidens hastighet via förkalibrerade relationer.

Viktiga tillämpningar

• Forskning inom aerodynamik, hydrodynamik och gränsskiktflöde.

• Industriell flödesmätning i rörledningar, HVAC-system och vindkanaler.

• Miljöstudies av fluidrörelse i hav, atmosfärer och biologiska system.

Fördelar

• Hög känslighet för snabba flödesfluktueringar (idealt för analys av turbulent flöde).

• Kompakt design möjliggör mätning i begränsade utrymmen.

• Direkt mätning av både flödehastighet och riktning med lämplig proborientering.

När den uppvärmade tråden placeras i en vätskeström överförs värme från tråden till fluiden. Mängden avled värme är direkt proportionell till trådens resistans. När värmeavledningen minskar, minskar trådens resistans därefter. Wheatstonebrokretsen mäter dessa resistansvariationer, vilka sedan korreleras till vätskans flödestakt.

Konstant temperaturmetod

I denna konfiguration uppvärmes tråden av en elektrisk ström. När den uppvärmade tråden exponeras för en fluidström överförs värme från tråden till fluiden, vilket orsakar en förändring i trådens temperatur - och därför också dess resistans. Metoden bygger på principen att behålla trådens temperatur konstant trots värmeavledning.

En återkopplingsmekanism justerar elektriska strömmen genom tråden i realtid för att motverka värmeavledning. Den totala ström som krävs för att återställa och upprätthålla trådens ursprungliga temperatur är direkt proportionell till fluidens flödestakt: snabbare flödestakter kräver högre strömmar för att kompensera för ökad värmeavledning. Detta möjliggör precis mätning av gas- eller vätskehastighet genom att korrelera strömsjusteringar med flödesdynamik.

Mätning av fluidflödestakt med hjälp av ett hettrödsanemometer

I ett hettrödsanemometer uppvärmes en tunn tråd placerad inuti en fluidström av elektrisk ström. Wheatstonebrokretsen används för att mäta trådens temperatur genom att övervaka dess elektriska resistans, eftersom resistansen varierar med temperatur.

För konstanttemperaturmetoden (en vanlig driftläge), hålls trådens temperatur vid en fast nivå trots värmeavledning till fluiden. En återkopplingsmekanism justerar uppvärmningsströmmen i realtid för att motverka värmeavledning, vilket säkerställer att bron balanseras. Storleken på den uppvärmningsström som krävs för att upprätthålla denna konstanta temperatur är direkt proportionell till fluidens flödestakt, vilket möjliggör precis hastighetsmätning.

En standardresistor är ansluten i serie med uppvärmningstråden. Strömmen genom tråden kan fastställas genom att mäta spänningsfallet över resistorn, vilket mäts noggrant med en potentiometer.

Värmeavledningen från den uppvärmade tråden kan kvantifieras med följande ekvation:

Där:

• v = fluidens flödehastighet,

• ρ = fluidens densitet,

• a och b = konstanter beroende på dimensioner, fysiska egenskaper hos fluiden och tråden.

Antagande I är strömmen genom tråden och R är dess resistans, vid jämvikt: 

Resistansen och temperaturen hos instrumentet hålls konstant för att mäta fluidens hastighet genom att mäta strömmen I.

Denna uppsättning utnyttjar förhållandet mellan fluidhastighet, värmeöverföring och elektrisk resistans för att ge exakt, dynamisk flödestaktdata i olika tillämpningar, från laboratorieforskning till industriell processkontroll.

Genom att utnyttja interaktionen mellan värmeöverföring, elektrisk resistans och fluiddynamik, fortsätter det hettrödsanemometern vara ett hörnstenverktyg för präcis flödeskarakterisering inom vetenskapliga och tekniska discipliner.