Анемометрия с горячей проволокой

Анемометрия с горячей проволокой является распространенным экспериментальным методом измерения скорости жидкости во время испытаний на поток. Скорость часто является важным параметром потока, который необходимо охарактеризовать. Но, как и в случае со многими свойствами текучести, его сложно измерить, не повлияв на эксперимент. Измерение турбулентных потоков добавляет дополнительную сложность, так как скорость может быстро колебаться в этом режиме. Анемометры с горячей проволокой являются успешной диагностикой, поскольку их можно сделать очень маленькими, чтобы свести к минимуму их влияние на измеряемый расход. Кроме того, они обладают достаточно быстрой временной реакцией для устранения быстрых колебаний скорости потока. Это видео проиллюстрирует, как работает анемометр с горячей проволокой в конфигурации постоянной температуры. А затем показать, как эти устройства калибруются при подготовке к их использованию в экспериментах с потоком.

В своей простейшей форме анемометр с горячей проволокой состоит из короткого резистивного провода, подвешенного между двумя опорами и помещенного в интересующий поток. Провод подвергается электрическому нагреву до температуры, значительно превышающей температуру окружающей среды, так что выделяемое тепло противодействует тепловым потерям при конвективном охлаждении. Поскольку скорость конвективного охлаждения зависит от скорости жидкости, можно определить соотношение между электрической мощностью анемометра и скоростью потока. Джоулев нагрев провода является произведением сопротивления провода и квадрата электрического тока. Для большинства материалов сопротивление зависит от температуры и хорошо аппроксимируется линейными зависимостями, где постоянная альфа определяется материалом проволоки. Конвективное охлаждение можно смоделировать с помощью закона Кинга. В этом уравнении А и В являются константами, которые должны быть определены во время калибровки. А показатель скорости N обычно составляет около 0,45. В установившемся состоянии нагрев и охлаждение сбалансированы. Но определение мгновенной входной мощности зависит от одновременного знания сопротивления и тока. Одна из стратегий, известная как анемометрия при постоянной температуре, заключается в подаче тока ровно настолько, чтобы поддерживать температуру и, следовательно, сопротивление провода постоянным. Это достигается с помощью моста Уитстона, в котором горячий провод служит одной из ветвей цепи моста. Мост можно представить как два параллельных делителя напряжения, а разница в их выходах и есть напряжение моста. Если отношения равны единице к R2 и RW к R3 равны, мост сбалансирован и напряжение моста равно нулю. В противном случае напряжение моста усиливается и используется в качестве сигнала обратной связи. Затем ток будет протекать по горячему проводу, нагревая его до тех пор, пока мост не будет приведен в равновесие. Базовую температуру горячего провода можно установить, отрегулировав управляющий резистор R1. Закон Ома может быть использован для связи тока, протекающего по горячему проводу, с напряжением моста. Теперь, поскольку наша W остается постоянной, члены сопротивления могут быть поглощены калибровочными константами. А скорость задается как функция напряжения моста. Калибровочные константы определяются путем помещения анемометра в систему эталонного расхода. Измерения должны быть выполнены при нескольких известных скоростях потока, чтобы можно было выполнить регрессию по методу наименьших квадратов. Сужение полой вены свободной струи является полезным эталонным потоком, поскольку средняя скорость хорошо характеризуется плотностью жидкости и перепадом давления. Теперь, когда вы понимаете, как работает анемометр с горячей проволокой, давайте посмотрим, как устройство может быть откалибровано экспериментально с использованием вены свободной струи.

Прежде чем приступить к настройке, ознакомьтесь с планировкой и процедурами безопасности объекта. Проточная система состоит из камеры под давлением центробежного вентилятора. Свободная струя образуется из щели сбоку от камеры и стека наверху, что позволяет регулировать давление в камере путем замены ограничивающих диафрагм. Теперь настройте систему сбора данных, как показано на схеме в тексте. Подсоедините язычок давления в камере к положительному порту датчика давления и оставьте отрицательный порт открытым для атмосферы. Установите нулевой канал в системе сбора данных на напряжение моста анемометра, а первый канал — на преобразователь давления. В программном обеспечении для сбора данных установите канал горячей проволоки на ноль, а канал датчика давления — на единицу. Наконец, установите константу N равной 0,45, частоту дискретизации — 100 Гц, а общее количество выборок — 1000. Введите значения местной плотности воздуха в константу калибровки преобразователя в соответствующие поля, чтобы система сбора данных сообщала результаты в метрах в секунду. Используйте откалиброванный интервал, чтобы установить ширину щели на 19,05 миллиметра или три четверти дюйма. А затем прикрепите анемометр с горячей проволокой к потоку в положении контрактной полой вены, которое находится на расстоянии в 1,5 раза больше ширины щели от отверстия. Определите местоположение анемометра и средней плоскости струи, перемещая зонд в направлении поперечного потока до тех пор, пока сигнал на осциллографе не покажет минимальные колебания. Теперь полностью накройте стопку, чтобы установить максимальную скорость струи, а затем включите проточную установку. Используйте программное обеспечение для записи точки данных. После завершения измерения замените диафрагму на диафрагму с наименьшим отверстием. Проведите еще одно измерение с помощью новой диафрагмы. Продолжайте заменять диафрагмы и проводить измерения, пока не соберете не менее шести точек данных, в том числе одну, в которой стек полностью не ограничен. Восстановите калибровочные константы из программного обеспечения для сбора данных.

После того, как вы закончите сбор данных, вы сможете измерить напряжение от цепей моста, соответствующее диапазону различных скоростей потока. Постройте квадрат напряжения как функцию скорости, возведенной в степень 0,45. А затем выполните линейную подгонку по методу наименьших квадратов к данным. Наклон и пересечение от посадки являются калибровочными константами для этого анемометра с горячей проволокой. Теперь, когда анемометр откалиброван, его можно использовать в другой системе потока для измерения неизвестной скорости.

Анемометры с горячей проволокой часто используются в научных экспериментах по управлению потоком. Анемометрия с горячей проволокой широко используется для изучения течений пограничного слоя в аэродинамических трубах. Пограничные слои являются одним из старейших предметов исследований в области механики жидкостей из-за их актуальности для технологических приложений, таких как аэродинамическое проектирование, военно-морская техника и энергетика. В ущерб всем этим полям, многие эффекты, связанные с пограничным слоем, все еще находятся в зачаточном состоянии. Крайне неравномерные градиенты шероховатости, плотности и вязкости, сжимаемость, и это лишь некоторые из них. Учитывая это, анемометрия горячей проволокой используется в лабораторных условиях для оценки течений в пограничном слое, относящихся к вышеупомянутым приложениям. Использование стратегий, аналогичных той, что была продемонстрирована в текущем эксперименте. Промышленные вентиляционные системы используются для борьбы с испарениями, твердыми частицами, аэрозолями, продуктами сгорания или другими загрязняющими веществами в промышленных условиях. Как правило, каждый загрязнитель образуется с разной скоростью. Следовательно, выхлопная система потребует разной скорости потока для каждого загрязнения для их эффективного устранения. Эта процедура обычно проводится с помощью анемометра с горячей проволокой. При этом инженер устанавливает положение демпфера в каждой линии, стремясь к тому, чтобы показания анемометра соответствовали заранее оцененному значению скорости.

Вы только что посмотрели введение Юпитера в анемометрию с горячей проволокой. Теперь вы должны понять, как работает анемометр постоянной температуры, и как откалибровать это устройство для использования в экспериментах с потоком. Спасибо за просмотр.