Overview
Quelle: Ricardo Mejia-Alvarez und Hussam Hikmat Jabbar, Department of Mechanical Engineering, Michigan State University, East Lansing, MI
Hitzdraht-Anemometer haben eine sehr kurze Zeit-Reaktion, wodurch sie ideal, um schnell schwankenden Phänomene wie turbulente Strömungen zu messen. Dieses Experiment soll veranschaulicht die Verwendung der Hitzdraht-Messung.
Principles
Der Hitzdraht-Anemometer
A Hitzdraht-Anemometer ist ein Gerät zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit anhand der Hitze zerstreut aus einem sehr dünnen Draht elektrisch beheizt. Die Wärme, die von einem elektrischen Draht,
, ergibt sich aus der Beziehung:
(1)
Wo 
bezeichnet den Draht elektrischer Widerstand und 
der elektrische Strom durch den Draht. Der elektrische Widerstand hängt von der Drahttemperatur nach folgende Beziehung:
(2)
Wo 
ist der Draht-Widerstand bei der Referenztemperatur 
und 
ist eine konstante, die von dem Material des Drahtes abhängt. Während Gleichung (1) die Wärmeentwicklung durch den elektrischen Strom, der Hitze zerstreut durch die Strömung drückt folgt des Königs Gesetz [2]:
(3)
Hier,
,
, und 
sind Kalibrierkonstanten und 
ist die Strömungsgeschwindigkeit um den Draht. Der Wert von n hängt von der Reynolds-Zahl, und es wurde bereits festgestellt, dass 
für Palette von Reynolds in diesem besonderen Experiment erreichbare Zahlen zufrieden stellend ist. Um eine Beziehung zwischen elektrischer Strom, Temperatur und Geschwindigkeit zu erhalten, kombinieren wir die Gleichungen (1) und (3):
(4)
Hier tritt die Temperaturabhängigkeit durch den elektrischen Widerstand (Gleichung (2)). Der Messung, mit denen wir in das aktuelle Experiment soll die Temperatur zu halten (und damit der Widerstand) der Draht-Konstante. Aus Gleichung (4) ist es klar, dass der elektrische Widerstand konstant ist, der Strom schwanken um die Tendenz der Geschwindigkeit zu folgen muss. Das heißt, Abkühlgeschwindigkeit ändert sich mit der Strömungsgeschwindigkeit, und das würde den Draht Temperatur ändern, es sei denn, die aktuelle geändert wird, um dies zu kompensieren. Offensichtlich ist es notwendig, ein schnelles reagieren elektrische System, ein schnell variierenden Geschwindigkeit Signal zu messen haben. Dies geschieht mit einer Wheatstone-Brücke wie die in Abbildung 1a. Aus der Abbildung ist die Hot-wire einer der vier Widerstände in der Schaltung. Abbildung 1 b zeigt seine physische Konfiguration ist ein sehr dünner Draht zwischen zwei Zinken (eine 5 μm Wolframdraht für das aktuelle Experiment). Die Steuerelement-Widerstand, 
, aus Abbildung 1 Buchstabe a wird zunächst angepasst, um eine Null Brückenspannung produzieren 
, für die gewünschten Baseline-Temperatur (ergo elektrischer Widerstand) von der Hot-wire. Im Betrieb der Brückenspannung dient als eine Rückmeldung zu erhöhen oder zu senken, den Strom auf dem Draht um verteidigen den Hitzdraht-bei einer konstanten Temperatur. Auf der anderen Seite,, wird verstärkt um eine leichter lesbare Spannung Skala zu erreichen
. Diese Spannung bezieht sich auf den Strom durch Ohmsche Gesetz:
(5)
Daher kann die Gleichung (4) in Bezug auf die Spannung wie ausgedrückt werden:
(6)
Mit der Kalibrierungen konstanten nun definiert als: 
und 
. Der Hauptzweck dieses Experiments ist es, den Wert dieser konstanten Kalibrierung zu finden. Zu diesem Zweck wird die Hot-wire-Sonde in einem Referenz-Flow-System eingestellt werden. Diese Flow-System wird verwendet, die mehrere Ströme mit bekannten Geschwindigkeiten. Dann werden die Kalibrierkonstanten mit einer kleinsten Quadrate Regression gefunden werden.
Wie in der schematischen Abbildung 2 gezeigt, ist der Verweis Fluss hierin verwenden die Vena Contracta von ein Freistrahl. Die mittlere Geschwindigkeit in die Vena Contracta zeichnet sich auch durch die folgende Gleichung [3, 4, 5]:
(7)
Hier ist die konstante 0,61 Abflussbeiwert von Jet,
ist der Druck im Inneren der Plenum und 
ist der atmosphärische Druck. Die Position der Vena Contracta ist gut durch die Beziehung definiert:
(8)
Wo 
ist der Abstand von der Düse verlassen entlang seiner Mittellinie und 
ist die Breite des Schlitzes wo die Jet ausgestellt ist. Dies ist der Ort wo der Hitzdraht-Anemometer werden für die Kalibrierung. Abbildungen 3 und 4 zeigen hierin verwendete Flow-System. In diesem System ein Fan unter Druck setzt ein Plenum, die hat zwei Ausgänge, einen Schlitz, der Jet und einem Stapel, den Fluss umzuleiten zu produzieren. Wie der Fluss durch den Stapel mit Messblenden eingeschränkt ist (siehe Abbildung 4 als Referenz), erhöht sich der Volumenstrom des Jets. Diese Einstellung hilft uns, produziert ein Streudiagramm von 
und die Spannung gemessen an der Wheatstone-Brücke.
Abbildung 1: Schaltplan der planaren Jet zeigen: die Vena Contracta und das Diagramm von Verbindungen. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 2: Versuchsaufbau. (A): Flow Anlage; das Plenum ist durch einen Radialventilator beaufschlagt. (B): für die Erteilung des planaren Jets geschlitzt. (C): durchqueren System ändern Sie die Position des Anemometers entlang der Jet. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
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Procedure
- Messen Sie die Breite des Schlitzes, W, und tragen Sie diesen Wert in Tabelle 1.
- Stellen Sie sicher, dass das Datenerfassungssystem das Schema in Abbildung 2 folgt.
- Der positive Anschluss der Drucksensor anschließen (siehe Abbildung 2 als Referenz), dem Plenum Druckmessstutzen (
). - Lassen Sie den negativen Anschluss der Drucksensor zur Atmosphäre geöffnet. Daher werden die Lektüre dieser Wandler direkt
; gemäß Gleichung (7). - Starten Sie das Programm für Hitzdraht-Kalibrierung. Legen Sie die Sample-Rate bei 100 Hz für insgesamt 1000 Proben (z.B. 10 s von Daten).
- Stellen Sie sicher, dass Kanal 0 in das Datenerfassungssystem entspricht der Spannung der der Hitzdraht-Anemometer.
- Der entsprechende Kanal 0, wählen Sie im Feld den Wert der Konstante
auf 0,45. - Festlegen der Hitzdraht-Anemometer an der Position des Vena Contracta (auf der Mittellinie am X = 1,5 W).
- Stellen Sie sicher, dass Kanal 1 in das Datenerfassungssystem auf das Signal von der Drucksensor entspricht.
- Geben Sie die Werte der lokalen luftdichte (in der Regel 1,2 kg/m3 für durchschnittliche Bedingungen vor Ort) und Konvertierung konstante von Volt bis Druck (76.75 Pa/V) in den Bereichen entsprechend der Drucksensor. Notieren Sie diese Werte in Tabelle 1. Damit meldet das Datenerfassungssystem der Daten direkt in Geschwindigkeit in m/s nach Gleichung (7).
- Decken Sie den Stapel komplett um die Voraussetzung für die maximale Geschwindigkeit an der Düse zu etablieren.
- Schalten Sie die Fluss-Anlage.
- Erwerben Sie ein Dataset.
- Änderung der Stack-Platte mit einer geringeren Einschränkung (größerer Durchmesser)
- Erwerben Sie ein Dataset.
- Wiederholen Sie die Schritte 1.15 und 1.16 für eine Gesamtmenge von mindestens viermal. Stellen Sie sicher, dass die letzte Wiederholung mit dem Stack vollständig uneingeschränkten (niedrigste Jet Velocity) durchgeführt wird.
- Daten-Übernahme-Programm wird die kleinste-Quadrate-Berechnung durchführen und melden die Kalibrierkonstanten automatisch. Notieren Sie diese Werte in Tabelle 1.
; gemäß Gleichung (7).Tabelle 1. Grundparameter für experimentelle Studie.
| Parameter | Wert |
| Schnittbreite (W) | 19.05 (mm) |
| Die Dichte der Luft (R) | 1.2 (kg/m3) |
| Wandler-Kalibrierung-Konstante (M_p) | 76,75 (Pa/V) |
| Konstante A Kalibrierung | 5.40369 (V2) |
| Kalibrierung Konstante B | 2.30234 (V2 s0,65m-0,65) |
Abbildung 3 . Hitzdraht-Anemometer-Schaltung. (A): Wheatstone-Brückenschaltung konstanten Temperatur in der Hot-wire zu sicherzustellen. (B): Detail der Struktur einer Hot-wire. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 4 . Flusssteuerung in der Flow-System. Der Stapel auf dem Plenum dient dem Zweck der Umleitung aus der Jet-Schlitz ermöglicht, um die Jet Ausgang Geschwindigkeit zu kontrollieren. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Hot-Wire-Messung ist eine gemeinsame experimentelle Technik zur Messung Fluidgeschwindigkeit während Flow Tests. Geschwindigkeit ist oft ein wichtiger Parameter der Strömung zu charakterisieren. Aber wie mit vielen Fließeigenschaften, es ist schwierig um zu messen, ohne Auswirkungen auf das Experiment. Messung der turbulente Strömungen fügt eine zusätzliche Komplikation, da die Geschwindigkeit in diesem Regime schnell schwanken kann. Hot-Wire Anemometer sind eine erfolgreiche Diagnose, weil sie sehr klein sind, um ihre Auswirkungen auf die gemessenen Durchfluss zu minimieren gemacht werden können. Und sie haben schnell genug Zeit die Beantwortung Eilgeschwindigkeit Schwankungen in der Strömung zu beheben. Dieses Video wird veranschaulichen, wie ein "heißer" Draht-Anemometer in der konstanten Temperatur-Konfiguration funktioniert. Und dann zeigen, wie diese Geräte in Vorbereitung für den Einsatz in Fluss Experimente kalibriert sind.
In seiner einfachsten Form besteht ein "heißer" Draht-Anemometer eines kurzen resistiven Draht zwischen zwei stützen aufgehängt und in den Fluss von Interesse. Der Draht ist auf eine Temperatur deutlich über der Umgebungstemperatur Fluid elektrisch beheizt, so dass die erzeugte Wärme den Wärmeverlust durch konvektive Kühlung entgegenwirkt. Da die konvektive Abkühlgeschwindigkeit von der Geschwindigkeit der Flüssigkeit abhängt, kann eine Beziehung zwischen der elektrischen Leistung in das Anemometer und die Strömungsgeschwindigkeit definiert werden. Joule Heizung des Drahtes ist das Produkt aus der Draht-Widerstand und dem Platz des elektrischen Stromes. Für die meisten Materialien der Widerstand ist temperaturabhängig und wird gut angenähert durch eine lineare Verhältnisse, wo die konstante Alpha durch das Kabelmaterial angegeben wird. Die konvektive Kühlung kann mit Hilfe des Königs Gesetz modelliert werden. In dieser Gleichung sind A und B konstanten bei der Kalibrierung bestimmt werden. Und der Exponent der Geschwindigkeit N ist in der Regel um 0,45. Im Steady-State Heizung und Kühlung ausgeglichen. Aber bestimmen die momentane Eingangsleistung hängt zu wissen, den Widerstand und Strom gleichzeitig. Eine Strategie, bekannt als konstant-Temperatur-Messung nur genügend Strom um die Temperatur zu halten und damit der Widerstand des Drahtes konstant. Dies geschieht mit Hilfe einer Wheatstone-Brücke mit dem heißen Draht dient als ein Bein von der Brückenschaltung. Die Brücke kann als zwei Spannungsteiler parallel betrachtet werden, und der Unterschied in ihren Ausgängen Brückenspannung. Wenn das Verhältnis eins zu R2 und RW für R3 sind gleich, die Brücke ist ausgewogen und die Brückenspannung ist gleich Null. Andernfalls ist die Brückenspannung verstärkt und als eine Rückmeldung. Strom fließt dann durch den heißen Draht, es erhitzen, bis die Brücke ins Gleichgewicht gebracht wird. Die Baseline-Temperatur des heißen Drahtes kann durch die Anpassung der Steuerung Resister R1 eingestellt werden. Ohmsche Gesetz kann sich der Strom durch den heißen Draht zu der Brückenspannung verwendet werden. Jetzt, da unsere W konstant bleibt, können die Widerstand-Bedingungen in den Kalibrierkonstanten aufgenommen werden. Und die Geschwindigkeit als Funktion der Brückenspannung angegeben ist. Die Kalibrierkonstanten werden bestimmt, indem man das Anemometer in einem Referenz-Flow-System. Bei mehreren bekannten Strömungsgeschwindigkeiten Messungen vorzunehmen, dass eine kleinste Quadrate Regression durchgeführt werden kann. Die Vena Contracta von der Freistrahl fließt ein nützliches Nachschlagewerk, weil die mittlere Geschwindigkeit sich auch durch die Flüssigkeitsdichte und Druckdifferenz zeichnet. Jetzt, dass Sie verstehen, wie funktioniert das Hitzdraht-Anemometer, verwenden lassen Sie uns sehen wie experimentell das Gerät kalibriert werden kann die Vena Contracta von ein Freistrahl.
Bevor Sie Einrichtung beginnen, machen Sie sich mit dem Layout und Sicherheitsverfahren der Anlage. Die Flow-System besteht aus einem Plenum durch einen Radialventilator beaufschlagt. Ein Freistrahl-Formen aus dem Schlitz auf der Seite das Plenum und die Stapel auf der Oberseite ermöglicht den Plenum Druck angepasst werden, durch einschränkende Messblenden austauschen. Jetzt setup das Datenerfassungssystem, wie in der Abbildung im Text dargestellt. Die Druck auf die Registerkarte "Plenum" mit dem positiven Anschluss von der Drucksensor verbinden und den negativen Anschluss zur Atmosphäre offen lassen. Stellen Sie Kanal Null auf das Datenerfassungssystem der Brücke Spannung der Anemometer und Kanal 1, der Drucksensor. Legen Sie in der Datenerfassungs-Software der heiße Draht auf Null und Druck Wandler Kanal auf einen. Legen Sie abschließend die konstante N 0,45 und die Sampling-Rate bis zu 100 Hertz und der gesamten Stichproben auf 1000. Geben Sie die Werte für die lokalen luftdichte in der Wandler Kalibrierung konstant in die entsprechenden Felder, so dass das Datenerfassungssystem die Ergebnisse in Meter pro Sekunde meldet. Verwendung einer kalibrierten Abstand um die Spaltbreite auf 19,05 mm oder drei Viertel eines Zoll festgelegt. Und dann kleben Sie die hot-Wire Anemometer in der Strömung an der Position der Vena Contracta, die in einem Abstand von 1,5-Mal die Schlitzbreite aus der Öffnung ist. Suchen Sie das Anemometer und die Mittelebene des Strahls durch die Sonde in die Cross-Stream Richtung durchlaufen, bis das Signal auf dem Oszilloskop minimale Schwankungen zeigt. Decken Sie den Stapel komplett um die maximale Jet-Geschwindigkeit zu etablieren und schalten Sie dann die Fluss-Anlage. Verwenden Sie die Software, um einen Datenpunkt aufzuzeichnen. Nachdem die Messung abgeschlossen ist, Austauschen der Messblende für mit die kleinste Öffnung. Nehmen Sie eine weitere Messung mit der neuen Messblende. Weiterhin den Austausch von Messblenden und Messungen, bis Sie mindestens sechs Datenpunkte, die unter anderem mit den Stapel vollständig uneingeschränkten gesammelt haben. Die Kalibrierkonstanten von der Datenerfassungs-Software zu erholen.
Sobald Sie fertig sind, Daten zu sammeln, müssen Sie Spannungsmessungen von Brückenschaltungen, die eine Reihe von unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten entspricht. Plot der Spannung im Quadrat als eine Funktion der Geschwindigkeit potenziert mit 0,45. Und führen Sie dann eine lineare Anpassung der kleinsten Quadrate auf die Daten. Die Steigung und Achsenabschnitt von der Passform sind die Kalibrierung-Konstanten für diese Hitzdraht-Anemometer. Nun, da das Anemometer kalibriert wurde es in einem anderen Fluss-Setup lässt sich um eine unbekannte Geschwindigkeit zu messen.
Hot-Wire Anemometer werden häufig in wissenschaftlichen Strömung Experimente verwendet. Hot-Wire-Messung wird intensiv genutzt, Grenzschichtströmungen im Windkanal zu studieren. Grenzschichten sind eines der ältesten Themen der Forschung in der Strömungsmechanik aufgrund ihrer Bedeutung für technische Anwendungen wie Aerodynamik, Schiffsbautechnik und Stromerzeugung unter anderem. Zum Nachteil von all diesen Bereichen sind viele Effekte, die unter Einbeziehung der Grenzschicht noch leise verstanden. Sehr unregelmäßig Rauheit, Dichte und Viskosität Steigungen und Kompressibilität um einige zu nennen. In diesem Sinne dient zur Bewertung Grenzschichtströmungen relevant für die oben genannten Anwendungen heißen Draht Messung im Labor Einstellungen. Verwendung von Strategien der ähnlich in das aktuelle Experiment demonstriert. Industrielle Lüftungsanlagen werden verwendet, um die Dämpfe, Partikel, Aerosole, Verbrennungsprodukte oder anderen Schadstoffen in industriellen Umgebungen zu steuern. Im Allgemeinen wird jede Verunreinigung mit einer anderen Geschwindigkeit erzeugt. Daher erfordert das anstrengende System eine unterschiedliche Durchflussrate für jeden Schadstoff, sie effizient zu beseitigen. Dieses Verfahren erfolgt in der Regel mit Hilfe von ein Hitzdraht-Anemometer. Wobei der Ingenieur legt die Position des einen Dämpfer in jeder Zeile, zu der Lesung des Anemometers einen vorab geschätzten Velocity-Wert übereinstimmen.
Sie habe nur Jupiters Einführung in die heiße Draht Messung beobachtet. Sie sollten jetzt verstehen, wie eine konstante Temperatur Windmesser funktioniert und wie man dieses Gerät für den Einsatz in Fluss Experimente zu kalibrieren. Danke fürs Zuschauen.
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Results
Die experimentelle Messungen sind in Tabelle 2 aufgeführt und in Abbildung 5dargestellt. Eine lineare Regression dieser Daten ergab folgende Ergebnis für die Gleichung (6):
(9)
Die verwendet werden können, um die Geschwindigkeit als Funktion der Spannung zu bestimmen:
(10)
Tabelle 2: Repräsentative Ergebnisse. Messungen von Spannung Platz und Geschwindigkeit an die Vena Contracta mit 0,45.
| 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 |
Abbildung 5 . Heiß-trug Anemometer der Eichkurve. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
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Applications and Summary
Angesichts der Tatsache, dass Turbulenzen Hochfrequenz Geschwindigkeit Schwankungen aufweist, Hitzdraht-Anemometer sind geeignete Instrumente für die Charakterisierung aufgrund ihrer hohen Zeitauflösung. Im vorliegenden Experiment bewiesen wir den Prozess der Kalibrierung ein Hitzdraht-Anemometer. Zu diesem Zweck haben wir das Spannungssignal des Anemometers mit bekannten Werten der Geschwindigkeit an die Vena Contracta eines gut charakterisierten Jet verglichen. Diese Messungen wurden verwendet, um die Kalibrierung-Konstanten für die lineare Reaktion des Anemometers zu bestimmen.
Hitzdraht-Messung ist in wissenschaftlichen Studien von Grenzschichtströmungen in Windkanälen intensiv genutzt. Grenzschicht ist eines der ältesten Themen der Forschung in der Strömungsmechanik aufgrund ihrer Relevanz für technologische Anwendungen wie Aerodynamik, Schiffsbautechnik, Stromerzeugung, unter anderem. Zum Nachteil von all diesen Bereichen sind viele Effekte, die unter Einbeziehung der Grenzschicht noch leise verstanden: sehr unregelmäßig Rauheit, Dichte und Viskosität Farbverläufe und Kompressibilität, um nur einige zu nennen. Mit diesem Hintergrund Hitzdraht-Messung dient im Labor Einstellungen zur Bewertung Grenzschichtströmungen relevant für die oben genannten Anwendungen, Strategien ähnlich wie in das aktuelle Experiment demonstriert.
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References
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- 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.
- White, F. M. Fluid Mechanics, 7th ed., McGraw-Hill, 2009.
- Munson, B.R., D.F. Young, T.H. Okiishi. Fundamentals of Fluid Mechanics. 5th ed., Wiley, 2006.
- Buckingham, E. Note on contraction coefficients of jets of gas. Journal of Research, 6:765-775, 1931.
