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Die Hitzdrahtanemometrie ist eine gängige experimentelle Technik zur Messung der Flüssigkeitsgeschwindigkeit bei Strömungstests. Die Geschwindigkeit ist oft ein wichtiger Parameter der Strömung, den es zu charakterisieren gilt. Aber wie bei vielen Strömungseigenschaften ist es schwierig, zu messen, ohne das Experiment zu beeinträchtigen. Die Messung turbulenter Strömungen stellt eine zusätzliche Komplikation dar, da die Geschwindigkeit in diesem Bereich schnell schwanken kann. Hitzdraht-Anemometer sind eine erfolgreiche Diagnose, da sie sehr klein gebaut werden können, um ihre Auswirkungen auf den gemessenen Durchfluss zu minimieren. Und sie haben eine ausreichend schnelle Zeitreaktion, um schnelle Geschwindigkeitsschwankungen in der Strömung zu beheben. In diesem Video wird veranschaulicht, wie ein Hitzdraht-Anemometer in der Konfiguration mit konstanter Temperatur funktioniert. Und zeigen Sie dann, wie diese Geräte in Vorbereitung auf ihren Einsatz in Strömungsexperimenten kalibriert werden.
In seiner einfachsten Form besteht ein Hitzdraht-Anemometer aus einem kurzen Widerstandsdraht, der zwischen zwei Stützen aufgehängt und in der interessierenden Strömung platziert wird. Der Draht wird elektrisch auf eine Temperatur weit über der Umgebungstemperatur des Fluids erhitzt, so dass die erzeugte Wärme der durch konvektive Kühlung verlorenen Wärme entgegenwirkt. Da die konvektive Abkühlgeschwindigkeit von der Geschwindigkeit des Fluids abhängt, kann ein Zusammenhang zwischen der elektrischen Leistung in das Anemometer und der Strömungsgeschwindigkeit definiert werden. Die Joule-Erwärmung des Drahtes ist das Produkt aus dem Drahtwiderstand und dem Quadrat des elektrischen Stroms. Bei den meisten Materialien ist der Widerstand temperaturabhängig und wird durch eine lineare Beziehung gut angenähert, wobei die Konstante alpha durch das Drahtmaterial angegeben wird. Die konvektive Kühlung kann mit dem Königsgesetz modelliert werden. In dieser Gleichung sind A und B Konstanten, die bei der Kalibrierung bestimmt werden müssen. Und der Exponent der Geschwindigkeit N liegt typischerweise bei etwa 0,45. Im stationären Zustand sind Heizen und Kühlen ausgeglichen. Die Bestimmung der momentanen Eingangsleistung hängt jedoch davon ab, ob sowohl der Widerstand als auch der Strom gleichzeitig bekannt sind. Eine Strategie, die als Anemometrie mit konstanter Temperatur bekannt ist, besteht darin, nur so viel Strom zuzuführen, dass die Temperatur und damit der Widerstand des Drahtes konstant bleibt. Dies wird durch die Verwendung einer Wheatstone-Brücke erreicht, wobei der heiße Draht als ein Schenkel der Brückenschaltung dient. Die Brücke kann man sich wie zwei parallel geschaltete Spannungsteiler vorstellen, und die Differenz in ihren Ausgängen ist die Brückenspannung. Wenn die Verhältnisse eins zu R2 und RW zu R3 gleich sind, ist die Brücke symmetrisch und die Brückenspannung ist Null. Andernfalls wird die Brückenspannung verstärkt und als Rückkopplungssignal verwendet. Anschließend fließt Strom durch den heißen Draht und erhitzt ihn, bis die Brücke ins Gleichgewicht gebracht wird. Die Basistemperatur des Hitzdrahtes kann durch Einstellen des Steuerwiderstands R1 eingestellt werden. Das Ohmsche Gesetz kann verwendet werden, um den Strom, der durch den heißen Draht fließt, mit der Brückenspannung in Beziehung zu setzen. Da unser W konstant gehalten wird, können die Widerstandsterme in die Kalibrierkonstanten aufgenommen werden. Und die Geschwindigkeit wird in Abhängigkeit von der Brückenspannung angegeben. Die Bestimmung der Kalibrierkonstanten erfolgt durch Aufstellen des Anemometers in ein Referenzströmungssystem. Die Messungen müssen bei mehreren bekannten Strömungsgeschwindigkeiten durchgeführt werden, damit eine Regression der kleinsten Quadrate durchgeführt werden kann. Die Vena contracta des Freistrahls ist eine brauchbare Referenzströmung, da die mittlere Geschwindigkeit durch die Fluiddichte und die Druckdifferenz gut charakterisiert wird. Nachdem Sie nun verstanden haben, wie das Hitzdraht-Anemometer funktioniert, sehen wir uns an, wie das Gerät experimentell mit der Vena contracta eines Freistrahls kalibriert werden kann.
Bevor Sie mit der Einrichtung beginnen, sollten Sie sich mit dem Layout und den Sicherheitsverfahren der Einrichtung vertraut machen. Das Strömungssystem besteht aus einem Plenum, das von einem Radialgebläse unter Druck gesetzt wird. Aus dem Schlitz an der Seite des Plenums bildet sich ein freier Strahl und der Stack an der Oberseite ermöglicht die Einstellung des Plenumdrucks durch den Austausch von Begrenzungsblenden. Richten Sie nun das Datenerfassungssystem ein, wie in der Grafik im Text dargestellt. Verbinden Sie die Drucklasche des Plenums mit dem Plusanschluss des Druckmessumformers und lassen Sie den Minusanschluss zur Atmosphäre offen. Stellen Sie den Kanal Null am Datenerfassungssystem auf die Brückenspannung des Anemometers und den Kanal eins auf den Druckmessumformer ein. Stellen Sie in der Datenerfassungssoftware den Heißdrahtkanal auf Null und den Druckmessumformerkanal auf eins ein. Stellen Sie abschließend die Konstante N auf 0,45 und die Abtastrate auf 100 Hertz und die Gesamtabtastung auf 1000 ein. Geben Sie die Werte für die lokale Luftdichte in der Messkopf-Kalibrierkonstante in die entsprechenden Felder ein, damit das Datenerfassungssystem die Ergebnisse in Metern pro Sekunde ausgibt. Verwenden Sie einen kalibrierten Abstand, um die Schlitzbreite auf 19,05 Millimeter oder einen dreiviertel Zoll einzustellen. Und dann befestigen Sie das Hitzdraht-Anemometer in der Strömung an der Position der Vena contracta, die in einem Abstand von der 1,5-fachen Schlitzbreite von der Öffnung liegt. Lokalisieren Sie das Anemometer und die Mittelebene des Strahls, indem Sie die Sonde in Querstromrichtung durchfahren, bis das Signal auf dem Oszilloskop minimale Schwankungen zeigt. Decken Sie nun den Schornstein vollständig ab, um die maximale Strahlgeschwindigkeit festzulegen, und schalten Sie dann die Strömungsanlage ein. Verwenden Sie die Software, um einen Datenpunkt aufzuzeichnen. Tauschen Sie nach Abschluss der Messung die Blende gegen eine mit der kleinsten Öffnung aus. Nehmen Sie eine weitere Messung mit der neuen Blende vor. Tauschen Sie Blenden aus und nehmen Sie Messungen vor, bis Sie mindestens sechs Datenpunkte gesammelt haben, darunter einen mit vollständig freiem Stack. Stellen Sie die Kalibrierungskonstanten aus der Datenerfassungssoftware wieder her.
Sobald Sie mit der Datenerfassung fertig sind, verfügen Sie über Spannungsmessungen aus den Brückenkreisen, die einem Bereich unterschiedlicher Strömungsgeschwindigkeiten entsprechen. Plotten Sie die Spannung zum Quadrat als Funktion der Geschwindigkeit, die auf die Potenz 0,45 angehoben wird. Führen Sie dann eine lineare Anpassung der kleinsten Quadrate an die Daten durch. Die Steigung und der Schnittpunkt aus der Passung sind die Kalibrierkonstanten für dieses Hitzdraht-Anemometer. Nachdem das Anemometer nun kalibriert wurde, kann es in einem anderen Strömungsaufbau verwendet werden, um eine unbekannte Geschwindigkeit zu messen.
Hitzdraht-Anemometer werden häufig in wissenschaftlichen Strömungsexperimenten eingesetzt. Die Hitzdrahtanemometrie wird häufig zur Untersuchung von Grenzschichtströmungen in Windkanälen eingesetzt. Grenzschichten sind aufgrund ihrer Relevanz für technologische Anwendungen wie aerodynamisches Design, Schiffbau und Energieerzeugung eines der ältesten Forschungsgegenstände in der Strömungsmechanik. Zum Nachteil all dieser Bereiche sind viele Effekte, die die Grenzschicht betreffen, noch am Anfang verstanden. Sehr unregelmäßige Rauheits-, Dichte- und Viskositätsgradienten sowie Kompressibilität, um nur einige zu nennen. Vor diesem Hintergrund wird die Hitzdrahtanemometrie im Labor eingesetzt, um Grenzschichtströmungen zu beurteilen, die für die oben genannten Anwendungen relevant sind. Mit ähnlichen Strategien wie denen, die im aktuellen Experiment gezeigt wurden. Industrielle Lüftungssysteme werden zur Kontrolle von Dämpfen, Partikeln, Aerosolen, Verbrennungsprodukten oder anderen Verunreinigungen in industriellen Umgebungen eingesetzt. In der Regel wird jede Verunreinigung mit einer anderen Geschwindigkeit erzeugt. Daher benötigt das Absaugsystem für jede Verunreinigung eine unterschiedliche Durchflussrate, um sie effizient zu beseitigen. Dieses Verfahren wird in der Regel mit Hilfe eines Hitzdraht-Anemometers durchgeführt. Wobei der Ingenieur die Position eines Dämpfers in jeder Zeile einstellt und versucht, den Messwert des Anemometers mit einem vorgeschätzten Geschwindigkeitswert übereinstimmen zu lassen.
Sie haben gerade Joves Einführung in die Hitzdraht-Anemometrie gesehen. Sie sollten nun verstehen, wie ein Anemometer mit konstanter Temperatur funktioniert und wie Sie dieses Gerät für den Einsatz in Strömungsexperimenten kalibrieren. Danke fürs Zuschauen.
).
; gemäß Gleichung (7).
auf 0,45.