熱線

Mechanical Engineering

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Overview

ソース: リカルド ・ メヒア アルバレスとコメディフランセーズ Hikmat ジャバー、機械工学科、ミシガン州立大学、イースト ランシング、MI

熱線風速計がある非常に短い時間の応答、乱流などの急速に変動の現象を測定するために理想的になります。この実験の目的は、の使用方法を示すには計の熱線します。

Cite this Video

JoVE Science Education Database. 機械工学. 熱線. JoVE, Cambridge, MA, (2019).

Principles

熱線流速計

A 熱線風速計はに基づいて非常に電気加熱細線から放出された熱流速を測定するためのデバイス。電気ワイヤーによって発生する熱、関係によって与えられます。

(1)

どこワイヤの電気抵抗を示す、ワイヤを流れる電気現在。電気抵抗は、次の関係によると熱線の温度によって異なります。

(2)

どこ標準温度における線の抵抗は、ワイヤーの材料に依存する定数です。電流の流れにより放出された熱によって生成される熱の方程式 (1) 表現しながら次の王の法律 [2]。

(3)

ここでは、校正定数とワイヤーのまわり流速します。N の値はレイノルズ数に依存、それはすでに発見されているレイノルズ範囲のこの実験で達成可能な数字は、満足のいく。温度、電流、速度との関係を得るためには、我々 は方程式 (1) と (3) を組み合わせてください。

(4)

ここでは、温度依存性は電気抵抗 (式 (2)) を入力します。温度を維持するためには、現在の実験で使用する測定戦略 (と、それゆえの抵抗) ワイヤー定数の。(4) の式から電気抵抗が一定の場合現在変動速度の傾向に従うする必要が明らかです。つまり、冷却速度変化、流速と現在を補償するために変更しない限り、それはワイヤーの温度を変更します。明らかに、急速に様々 な速度信号を測定する迅速な応答電気システムを持っている必要があります。示すようなホイートストン ブリッジとこれは、図 1 (a)。図から、熱線は回路の 4 つの抵抗の 1 つです。図 1(B) を示すその物理的な構成では、2 つの突起 (現在の実験のための 5 μ m タングステン ワイヤー) の間非常に細い線であります。制御抵抗、図 1 (a) は電圧を生成するゼロ橋-、最初に調整、熱線の目的基準温度 (エルゴ電気抵抗)。時の操作で、ブリッジ電圧フィードバック信号として維持するために、電線に電流を増減する使用は、一定温度で熱線します。その一方で、、わかりやすく電圧スケールを達成するために増幅され、。この電圧は、オームの法則から電流に関連します。

(5)

したがって、式 (4) は、として電圧という観点で表現できます。

(6)

キャリブレーションでの定数として定義するようになりました: 。この実験の主な目的は、これらの校正定数の値を見つけることです。このため、熱線プローブを参照フロー システムで設定されます。このフロー システムは、知られている速度で複数のフローを発行する使用されます。その後、キャリブレーション定数は、最小二乗回帰を使用して発見されます。

図 2 の模式図に示すように、本を使用するリファレンス ・ フローは自由噴流の縮み縮みで平均速度は [3, 4, 5] 次の方程式によって特徴付けられています。

(7)

ここで、定数 0.61 はジェット機の流出係数、チャンバー内の圧力と大気圧です。縮みの位置は関係によっても定義されます。

(8)

どこジェットからの距離は、その中心線上に出口とジェットが発行されるからスリットの幅です。これは、場所で、熱線風速計は、校正のために配置されます。図 3 と 4 は、ここで使用されるフロー システムを表示します。このシステムでは、ファンは、プレナム 2 つの出口を持つジェットとフローをそらすためにスタックを生成するスリットを加圧します。スタック内の流れがオリフィス板 (参考図 4 を参照) で制限されている噴流の流量が増加します。このセットアップでは、生産の散布役立つと電圧ホイートス トーン ブリッジで測定します。

Figure 1
図 1。平面噴流表示の概略: 縮みと接続のダイアグラムこの図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Figure 2
図 2。実験のセットアップ。(A): 流施設充満は遠心送風機によって加圧されています。(B): 平面噴流の発行用スリットします。(C): ジェットに沿って流速計の位置を変更するシステムを走査しますこの図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Procedure

  1. スリットの幅を測定しW、し表 1 にこの値を記録します。
  2. データ集録システムが図 2の模式図に従うことを確認します。
  3. 圧力トランスデューサーの正のポートを接続 (参照図 2を参照) をプレナム圧力タップ ()。
  4. 雰囲気に圧力トランスデューサーの負のポートを開いたまま。したがって、この探触子の読書を直接されます;必要に応じて、式 (7) によって。
  5. プログラムを起動ため熱線校正。1000 サンプル (すなわち、データの 10 秒) の合計は 100 Hz でサンプリング レートを設定します。
  6. データ集録システムのチャンネル 0 の電圧に対応していることを確認、熱線流速計。
  7. フィールドにチャネル 0 に対応する定数の値を選択0.45 に。
  8. 設定、熱線流速計縮みの位置 (中心線、上でx = 1.5 W).
  9. データ集録システムのチャンネル 1 は、圧力検出器の信号に対応していることを確認します。
  10. 圧力トランスデューサーに対応するフィールド内の圧力 (76.75 Pa/V) をボルトからローカル空気密度 (通常 1.2 kg/m3の平均ローカル条件) と変換定数の値を入力します。表 1 にこれらの値を記録します。これにより、データ集録システムは、式 (7) によると m/s の速度で直接データを報告します。
  11. ジェットで最大速度のための条件を確立する完全にスタックをカバーします。
  12. フロー機能をオンにします。
  13. データセットを取得します。
  14. 1 つは低い制限 (より大きな直径) プレートのスタックを変更します。
  15. データセットを取得します。
  16. 少なくとも 4 回の 1.15 と合計 1.16 の手順を繰り返します。最後の繰り返しは、スタックを完全に無制限 (最低ジェット速度) で実施されていることを確認します。
  17. データ集録プログラムは最小二乗計算を行い、キャリブレーション定数を自動的に報告されます。表 1 にこれらの値を記録します。

表 1。実験的研究のための基本的なパラメーターです。

パラメーター
スリット幅 (W) 19.05 (mm)
空気密度 (r) 1.2 (kg/m3)
探触子の校正定数 (m_p) 76.75 (Pa/V)
校正定数 A 5.40369 (V2)
校正定数 B 2.30234 (V20.65m-0.65)

Figure 1
図 3.熱線風速計の回路。(A): ホイートス トーン ブリッジ回路、熱線の一定した温度を確保するため。(B): 熱線の構造の詳細この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Figure 1
図 4.フロー システムのフロー制御。換気口の上にスタック フロー ジェットの出口の速度を制御することができますジェット スリットからの転用の目的を提供していますこの図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

熱線は流れテストの間に測定流体の速度の一般的な実験手法です。速度は多くの場合特性への流れの重要なパラメーターです。しかし、実験に影響を与えずに測定する挑戦それは多くの流動特性ととして。乱流の測定は、速度は、この政権の急速に変動することがので追加の合併症を追加します。彼ら非常に小さい測定のフローに与える影響を最小限に抑えることができるので、熱線風速計、成功した診断です。流れの急速な流速変動を解決するための十分な高速時間応答があります。このビデオは一定の温度設定での熱線風速計のしくみを説明します。流動実験での使用に備えてこれらのデバイスを校正する方法を表示します。

最も単純な形式で、熱線は短い抵抗線 2 つのサポートの間中断され、関心の流れに配置で構成されます。ワイヤーは、発生する熱対流冷却から失われる熱を打ち消すように電気も周囲流体温度以上の温度に加熱されます。対流冷却速度は流体の速度に依存するので、風速に電力と流速の関係を定義できます。ジュール線の暖房は電流の二乗とワイヤー抵抗の製品。ほとんどの材料の抵抗は温度依存で、定数のアルファは、材質が指定する線形関係でよく近似は。対流冷却は、王の法律を使用してモデル化することができます。この式の A と B は、キャリブレーション中に決定される定数です。速度 N の指数は通常 0.45 周り。定常状態では、加熱・冷却が釣り合っています。しかし、抵抗と電流の両方を同時に知ることに依存瞬時入力電力を決定します。温度を保つのに十分な電流のみを供給する恒温計として知られている 1 つの戦略と、それゆえワイヤー定数の抵抗。これはブリッジ回路の 1 つの脚として熱線とホイートストン ブリッジを使用して実現されます。橋は、並列に 2 つの電圧ディバイダーとして考えることができ、それらの出力の違いはブリッジ電圧。比率では R2 に R3 に RW が等しい場合、ブリッジのバランスが取れているし、ブリッジ電圧はゼロ。それ以外の場合、ブリッジ電圧は増幅、フィードバック信号として使用します。現在、橋がバランスにまで加熱して、熱いワイヤーを通して流れます。活線の基準温度は、制御抵抗 R1 を調整することによって設定できます。ブリッジ電圧に熱線を流れる電流の関係をオームの法則を使用できます。今、私たち W が一定に保たれているので抵抗条件ことができますキャリブレーション定数に吸収されます。速度がブリッジ電圧の関数として指定されます。校正定数は、参照フロー システムで、風速計を配置することによって決定されます。測定は、最小二乗回帰を実行することができますので、いくつかの既知の流速で取られなければなりません。縮み自由噴流の平均速度は流体の密度と圧力差によって特徴付けられていますので参考フローであります。熱線風速計のしくみを理解したらみましょう参照してくださいどのように実験的デバイスをキャリブレーションできる自由噴流の縮みを使用してください。

セットアップを開始する前に、施設のレイアウトと安全手順に精通します。フロー システムは、遠心送風機によって加圧チャンバーで構成されています。充満および上にスタックの側面にスリットからの噴流フォーム制限オリフィス板を交換することによって調整する充満圧力をことができます。テキストの図に示すように、データ集録システムをセットアップします。チャンバー圧力タブを圧力トランスデューサーの正のポートに接続し、大気中に負のポートを開いたままにしておきます。圧力トランスデューサーに風速計とチャンネル 1 のブリッジ電圧データ集録システムのチャネル 0 を設定します。データ集録ソフトウェアの 1 つにゼロに熱線チャネルと圧力トランスデューサー チャネルを設定します。最後に、0.45 と 100 ヘルツのサンプリング レート、1000 サンプルの合計定数 N を設定します。データ集録システムは、メートル毎秒で結果を報告できるように適切なフィールドに探触子の校正定数ローカル空気密度の値を入力します。校正の使用間隔 19.05 ミリメートルまたはインチの 4 分の 3 にスリット幅を設定します。位置が開口部からスリット幅の 1.5 倍の距離で縮み流の熱線を押さなければ。オシロ スコープで信号を示す最小変動まで、クロス ストリームの方向にプローブを走査して、風速計とジェットの中間平面を探します。今最大のジェット速度を確立する完全にスタックをカバーし、流れ施設の電源を入れます。ソフトウェアを使用して、データ ポイントを記録します。測定が完了すると、1 つは最小の開口部オリフィス プレートを交換します。新しいオリフィス プレートを別の測定を取る。オリフィス板を交換し、スタックが完全に無制限で 1 つを含む少なくとも六つのデータ ポイントを収集するまで計測を続けます。データ集録ソフトウェアのキャリブレーション定数を回復します。

データの収集が完了したら、一度異なる流速の範囲に対応するブリッジ回路から電圧計測があります。乗乗 0.45 速度の機能として電圧をプロットします。データに対する最小二乗線形フィットを行います。傾きと切片フィット感からは、この熱線風速計の校正定数です。今では、風速計が済んで未知の速度を測定する別のフロー設定で使用できます。

熱線風速計は科学的な流動実験でよく使用されます。熱線は、境界層風洞の流れを勉強する広く使用されます。境界層は、空力設計、造船工学、とりわけ発電などの技術アプリケーションの関連による流体力学の研究の最も古い科目の一つです。これらのフィールドはすべての犠牲にして境界層を含む多くの効果は理解まだ incipiently。不規則な粗さ、密度と粘度のグラデーションと圧縮率のいくつかを言及します。これを念頭において、実験室環境での熱線を使用上記のアプリケーションに関連する境界層流を評価します。現在の実験で示したものと同様の戦略を使用してください。産業換気システムは、煙霧、粒子状物質、エアロゾル、燃焼生成物、産業設定で他の汚染物質を制御するために使用されます。一般的には、異なるレートで各汚染物質が生成されます。したがって、排気システム効率的にそれらを排除するために各汚染物質の異なる流量が必要になります。この手順は、熱線の助けを借りて実行通常。前記技術者は、それぞれの行でダンパーの位置を設定します事前推定速度値と一致、風速の読書をするように努めます。

ゼウスのホット線計入門を見てきただけ。今一定温度の風速計のしくみと流れの実験で使用するためこのデバイスを調整する方法を理解する必要があります。見ていただきありがとうございます。

Results

実験の測定は表 2、図 5に示します。これらのデータの線形回帰には、式 (6) の次の結果が生成されます。

(9)

これは、電圧の関数としての速度を判断する使用できます。

(10)

表 2。代表的な結果。電圧の正方形および 0.45 電源に縮みで速度の測定.

V_VC ^0.45 E ^2
3.119 12.584
3.919 14.425
4.143 14.946
4.278 15.256
4.465 15.679

Figure 5
図 5.風速計の較正曲線のホット-着ていたこの図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Applications and Summary

その乱れは、高周波数速度変動を展示、熱線風速計、そのための高時間分解能特性の評価のための適切な楽器。本実験で行ったキャリブレーションのプロセス、熱線流速計。このため、よ特徴付けられたジェットの縮みで速度の既知の値と、風速計の電圧信号を比較しました。これらの測定は、風速計の線形応答のキャリブレーション定数を決定するために使用されました。

熱線流速計による計は風洞における境界層流れの科学研究に用いられています。境界層は、空力設計、造船工学、とりわけ発電などの技術との関連性のための流体力学の研究の最も古い科目の一つです。これらのフィールドはすべての犠牲にして境界層を含む多くの効果がまだ incipiently 理解: 不規則な粗さ、密度と粘度のグラデーション、および圧縮性、いくつかの言及。これを念頭において、熱線上記アプリケーションに関連する境界層流れを評価するために実験室の設定で計を使用すると、現在の実験のような実証の戦略を使用しています。

References

  1. Chapra, S.C. and R.P. Canale. Numerical methods for engineers. Vol. 2. New York: McGraw-Hill, 1998.
  2. King, L.V. On the convection of heat from small cylinders in a stream of fluid: determination of the convection constants of small platinum wires with applications to hot-wire anemometry. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series A, Containing Papers of a Mathematical or Physical Character 214 (1914): 373-432.
  3. White, F. M. Fluid Mechanics, 7th ed., McGraw-Hill, 2009.
  4. Munson, B.R., D.F. Young, T.H. Okiishi. Fundamentals of Fluid Mechanics. 5th ed., Wiley, 2006.
  5. Buckingham, E. Note on contraction coefficients of jets of gas. Journal of Research, 6:765-775, 1931.
  1. スリットの幅を測定しW、し表 1 にこの値を記録します。
  2. データ集録システムが図 2の模式図に従うことを確認します。
  3. 圧力トランスデューサーの正のポートを接続 (参照図 2を参照) をプレナム圧力タップ ()。
  4. 雰囲気に圧力トランスデューサーの負のポートを開いたまま。したがって、この探触子の読書を直接されます;必要に応じて、式 (7) によって。
  5. プログラムを起動ため熱線校正。1000 サンプル (すなわち、データの 10 秒) の合計は 100 Hz でサンプリング レートを設定します。
  6. データ集録システムのチャンネル 0 の電圧に対応していることを確認、熱線流速計。
  7. フィールドにチャネル 0 に対応する定数の値を選択0.45 に。
  8. 設定、熱線流速計縮みの位置 (中心線、上でx = 1.5 W).
  9. データ集録システムのチャンネル 1 は、圧力検出器の信号に対応していることを確認します。
  10. 圧力トランスデューサーに対応するフィールド内の圧力 (76.75 Pa/V) をボルトからローカル空気密度 (通常 1.2 kg/m3の平均ローカル条件) と変換定数の値を入力します。表 1 にこれらの値を記録します。これにより、データ集録システムは、式 (7) によると m/s の速度で直接データを報告します。
  11. ジェットで最大速度のための条件を確立する完全にスタックをカバーします。
  12. フロー機能をオンにします。
  13. データセットを取得します。
  14. 1 つは低い制限 (より大きな直径) プレートのスタックを変更します。
  15. データセットを取得します。
  16. 少なくとも 4 回の 1.15 と合計 1.16 の手順を繰り返します。最後の繰り返しは、スタックを完全に無制限 (最低ジェット速度) で実施されていることを確認します。
  17. データ集録プログラムは最小二乗計算を行い、キャリブレーション定数を自動的に報告されます。表 1 にこれらの値を記録します。

表 1。実験的研究のための基本的なパラメーターです。

パラメーター
スリット幅 (W) 19.05 (mm)
空気密度 (r) 1.2 (kg/m3)
探触子の校正定数 (m_p) 76.75 (Pa/V)
校正定数 A 5.40369 (V2)
校正定数 B 2.30234 (V20.65m-0.65)

Figure 1
図 3.熱線風速計の回路。(A): ホイートス トーン ブリッジ回路、熱線の一定した温度を確保するため。(B): 熱線の構造の詳細この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Figure 1
図 4.フロー システムのフロー制御。換気口の上にスタック フロー ジェットの出口の速度を制御することができますジェット スリットからの転用の目的を提供していますこの図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

熱線は流れテストの間に測定流体の速度の一般的な実験手法です。速度は多くの場合特性への流れの重要なパラメーターです。しかし、実験に影響を与えずに測定する挑戦それは多くの流動特性ととして。乱流の測定は、速度は、この政権の急速に変動することがので追加の合併症を追加します。彼ら非常に小さい測定のフローに与える影響を最小限に抑えることができるので、熱線風速計、成功した診断です。流れの急速な流速変動を解決するための十分な高速時間応答があります。このビデオは一定の温度設定での熱線風速計のしくみを説明します。流動実験での使用に備えてこれらのデバイスを校正する方法を表示します。

最も単純な形式で、熱線は短い抵抗線 2 つのサポートの間中断され、関心の流れに配置で構成されます。ワイヤーは、発生する熱対流冷却から失われる熱を打ち消すように電気も周囲流体温度以上の温度に加熱されます。対流冷却速度は流体の速度に依存するので、風速に電力と流速の関係を定義できます。ジュール線の暖房は電流の二乗とワイヤー抵抗の製品。ほとんどの材料の抵抗は温度依存で、定数のアルファは、材質が指定する線形関係でよく近似は。対流冷却は、王の法律を使用してモデル化することができます。この式の A と B は、キャリブレーション中に決定される定数です。速度 N の指数は通常 0.45 周り。定常状態では、加熱・冷却が釣り合っています。しかし、抵抗と電流の両方を同時に知ることに依存瞬時入力電力を決定します。温度を保つのに十分な電流のみを供給する恒温計として知られている 1 つの戦略と、それゆえワイヤー定数の抵抗。これはブリッジ回路の 1 つの脚として熱線とホイートストン ブリッジを使用して実現されます。橋は、並列に 2 つの電圧ディバイダーとして考えることができ、それらの出力の違いはブリッジ電圧。比率では R2 に R3 に RW が等しい場合、ブリッジのバランスが取れているし、ブリッジ電圧はゼロ。それ以外の場合、ブリッジ電圧は増幅、フィードバック信号として使用します。現在、橋がバランスにまで加熱して、熱いワイヤーを通して流れます。活線の基準温度は、制御抵抗 R1 を調整することによって設定できます。ブリッジ電圧に熱線を流れる電流の関係をオームの法則を使用できます。今、私たち W が一定に保たれているので抵抗条件ことができますキャリブレーション定数に吸収されます。速度がブリッジ電圧の関数として指定されます。校正定数は、参照フロー システムで、風速計を配置することによって決定されます。測定は、最小二乗回帰を実行することができますので、いくつかの既知の流速で取られなければなりません。縮み自由噴流の平均速度は流体の密度と圧力差によって特徴付けられていますので参考フローであります。熱線風速計のしくみを理解したらみましょう参照してくださいどのように実験的デバイスをキャリブレーションできる自由噴流の縮みを使用してください。

セットアップを開始する前に、施設のレイアウトと安全手順に精通します。フロー システムは、遠心送風機によって加圧チャンバーで構成されています。充満および上にスタックの側面にスリットからの噴流フォーム制限オリフィス板を交換することによって調整する充満圧力をことができます。テキストの図に示すように、データ集録システムをセットアップします。チャンバー圧力タブを圧力トランスデューサーの正のポートに接続し、大気中に負のポートを開いたままにしておきます。圧力トランスデューサーに風速計とチャンネル 1 のブリッジ電圧データ集録システムのチャネル 0 を設定します。データ集録ソフトウェアの 1 つにゼロに熱線チャネルと圧力トランスデューサー チャネルを設定します。最後に、0.45 と 100 ヘルツのサンプリング レート、1000 サンプルの合計定数 N を設定します。データ集録システムは、メートル毎秒で結果を報告できるように適切なフィールドに探触子の校正定数ローカル空気密度の値を入力します。校正の使用間隔 19.05 ミリメートルまたはインチの 4 分の 3 にスリット幅を設定します。位置が開口部からスリット幅の 1.5 倍の距離で縮み流の熱線を押さなければ。オシロ スコープで信号を示す最小変動まで、クロス ストリームの方向にプローブを走査して、風速計とジェットの中間平面を探します。今最大のジェット速度を確立する完全にスタックをカバーし、流れ施設の電源を入れます。ソフトウェアを使用して、データ ポイントを記録します。測定が完了すると、1 つは最小の開口部オリフィス プレートを交換します。新しいオリフィス プレートを別の測定を取る。オリフィス板を交換し、スタックが完全に無制限で 1 つを含む少なくとも六つのデータ ポイントを収集するまで計測を続けます。データ集録ソフトウェアのキャリブレーション定数を回復します。

データの収集が完了したら、一度異なる流速の範囲に対応するブリッジ回路から電圧計測があります。乗乗 0.45 速度の機能として電圧をプロットします。データに対する最小二乗線形フィットを行います。傾きと切片フィット感からは、この熱線風速計の校正定数です。今では、風速計が済んで未知の速度を測定する別のフロー設定で使用できます。

熱線風速計は科学的な流動実験でよく使用されます。熱線は、境界層風洞の流れを勉強する広く使用されます。境界層は、空力設計、造船工学、とりわけ発電などの技術アプリケーションの関連による流体力学の研究の最も古い科目の一つです。これらのフィールドはすべての犠牲にして境界層を含む多くの効果は理解まだ incipiently。不規則な粗さ、密度と粘度のグラデーションと圧縮率のいくつかを言及します。これを念頭において、実験室環境での熱線を使用上記のアプリケーションに関連する境界層流を評価します。現在の実験で示したものと同様の戦略を使用してください。産業換気システムは、煙霧、粒子状物質、エアロゾル、燃焼生成物、産業設定で他の汚染物質を制御するために使用されます。一般的には、異なるレートで各汚染物質が生成されます。したがって、排気システム効率的にそれらを排除するために各汚染物質の異なる流量が必要になります。この手順は、熱線の助けを借りて実行通常。前記技術者は、それぞれの行でダンパーの位置を設定します事前推定速度値と一致、風速の読書をするように努めます。

ゼウスのホット線計入門を見てきただけ。今一定温度の風速計のしくみと流れの実験で使用するためこのデバイスを調整する方法を理解する必要があります。見ていただきありがとうございます。

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