Гарячодротовий анемометр

Визначення

Термічний анемометр — це пристрій, який використовується для вимірювання швидкості та напрямку руху рідини, кількісно оцінюючи тепловтрати нагрітого дроту, який зазнає впливу потоку рідини. Дріт нагрівається за допомогою електричного струму, а його зміна температури, спричинена теплопередачею до рідини, служить індикатором характеристик потоку.

Коли нагрітий дріт розташований у потоці рідини, тепло відводиться від дроту до рідини, що призводить до зниження температури дроту. Зміна електричного опору дроту (через зміну температури) прямо пов'язана з швидкістю руху рідини, що дозволяє вимірювати швидкість.

Оснований на принципі теплопередачі від об'єкту з високою температурою до рідини з нижчою температурою, термічний анемометр широко використовується як інструмент досліджень в галузі механіки рідин для вивчення складних динамічних процесів потоку.

Конструкція

Термічний анемометр складається з двох основних компонентів:

• Провідний дріт
  

• Тонкий, резистивний дріт (наприклад, платина, вольфрам), розташований у керамічному або металевому зонді.

• Дріт подається в потік рідини, де він виконує функції нагрівального елемента та датчика температури.

• З проводника дроту ведуться провода, які виходять з зонду для підключення до вимірювальної схеми.

• Міст Пітса

• Точна електрична схема, використовувана для вимірювання незначних змін опору дроту.

• Міст калібрується для виявлення змін опору, спричинених тепловтратами до рідини, перетворюючи їх на показники швидкості потоку.

Робота: метод постійного струму

• Налаштування: Зонд анемометра розташовується у потоці рідини, швидкість якого необхідно виміряти.

• Нагрівання дроту: Через провідний дріт проходить постійний електричний струм, нагріваючи його до температури, більшої за температуру рідини.

• Передача тепла: Коли рідина рухається над дротом, вона забирає тепло, знижуючи його температуру. Більш швидкі швидкості потоку збільшують тепловтрати, що призводить до більшого зниження температури.

• Вимірювання опору: Міст Пітса контролює опір дроту, який зменшується зі зниженням температури (для більшості металів). Схема моста підтримується на постійному напругу, що дозволяє корелювати зміни опору з швидкістю рідини через передварительно отримані залежності.

Основні застосування

• Дослідження в аеродинаміці, гідродинаміці та потоках граничного шару.

• Промислові вимірювання потоку в трубопроводах, системах HVAC та аеродинамічних трубах.

• Екологічні дослідження руху рідин в океанах, атмосфері та біологічних системах.

Переваги

• Висока чутливість до швидких флуктуацій потоку (ідеально для аналізу турбулентних потоків).

• Компактний дизайн дозволяє вимірювання в стислих просторах.

• Прямі вимірювання швидкості та напрямку потоку з правильним розташуванням зонда.

Коли нагрітий дріт розташований у потоці рідини, тепло передається від дроту до рідини. Кількість відведеної теплоти прямо пропорційна опору дроту. При зменшенні тепловтрат опір дроту також зменшується. Міст Пітса вимірює ці зміни опору, які потім корелюються зі швидкістю потоку рідини.

Метод постійної температури

У цій конфігурації електричний струм нагріває дріт. Коли нагрітий дріт подається в потік рідини, тепло передається від дроту до рідини, що призводить до зміни температури дроту — і, відповідно, його опору. Метод базується на принципі підтримання постійної температури дроту, незважаючи на тепловтрати.

Механізм зворотного зв'язку регулює електричний струм через дріт в реальному часі, щоб компенсувати тепловтрати. Загальний струм, необхідний для відновлення та підтримки початкової температури дроту, прямо пропорційний швидкості рідини: більш швидкі швидкості потоку потребують більших струмів для компенсації збільшених тепловтрат. Це дозволяє точне вимірювання швидкості газу або рідини, корелюючи зміни струму з динамікою потоку.

Вимірювання швидкості потоку рідини за допомогою термічного анемометра

У термічному анемометрі електричний струм нагріває тонкий дріт, розташований у потоці рідини. Міст Пітса використовується для вимірювання температури дроту, контролюючи його електричний опір, оскільки опір змінюється зі зміною температури.

Для методу постійної температури (поширений режим роботи) температура дроту підтримується на сталому рівні, незважаючи на тепловтрати до рідини. Механізм зворотного зв'язку регулює нагрівальний струм в реальному часі, щоб компенсувати тепловтрати, забезпечуючи баланс моста. Величина нагрівального струму, необхідного для підтримки цієї сталої температури, прямо пропорційна швидкості рідини, що дозволяє точне вимірювання швидкості.

Стандартний резистор підключений паралельно до нагрівального дроту. Струм, що проходить через дріт, можна визначити, вимірюючи напругу, що випадає на резисторі, яка відтворюється з високою точністю за допомогою потенціометра.

Тепловтрати від нагрітого дроту можна кількісно оцінити за допомогою наступного рівняння:

Де:

• v = швидкість потоку рідини,

• ρ = густота рідини,

• a і b = константи, залежні від розмірів, фізичних властивостей рідини та дроту.

Припустимо, I — струм через дріт, а R — його опір, при рівновазі: 

Опір і температура приладу підтримуються сталими для вимірювання швидкості рідини за допомогою вимірювання струму I.

Ця конструкція використовує зв'язок між швидкістю рідини, теплопередачею та електричним опором для надання точних, динамічних даних про швидкість потоку у різних застосуваннях, від лабораторних досліджень до промислового контролю процесів.

Використовуючи взаємодію між теплопередачею, електричним опором та динамікою рідин, термічний анемометр залишається ключовим інструментом для точного характеризування потоку в наукових та інженерних дисциплінах.