Overview
Source : Ricardo Mejia-Alvarez et Hussam Hikmat Jabbar, département de génie mécanique, Michigan State University, East Lansing, MI
Fil chaud anémomètres ont une très court laps de temps-réponse, ce qui les rend idéales pour mesurer rapidement fluctuante des phénomènes tels que les écoulements turbulents. Le but de cette expérience est de démontrer l’utilisation d’anémométrie à fil chaud.
Principles
L’anémomètre à fil chaud
A fil chaud Anémomètre est un dispositif servant à mesurer la vitesse de débit basée sur la chaleur dissipée à un très mince fil de chauffage électrique. La chaleur générée par un fil électrique,
, est donnée par la relation :
(1)
Où 
désigne la résistance du fil électrique et 
le courant électrique passant à travers les barbelés. La résistance électrique varie selon la température du câble selon la relation suivante :
(2)
Où 
est la résistance du fil à la température de référence 
et 
est une constante qui dépend du matériau du fil. Alors que l’équation (1) exprime la chaleur générée par le courant électrique, la chaleur dissipée par le flux, suit la loi du roi [2] :
(3)
Ici,
,
, et 
sont des constantes d’étalonnage et 
est la vitesse d’écoulement autour du fil. La valeur de n dépend du nombre de Reynolds, et il a déjà été constaté que 
est satisfaisante pour les numéros de la gamme de Reynolds réalisable dans cette expérience particulière. Pour obtenir une relation entre la température, courant électrique et la vitesse, nous combinons les équations (1) et (3) :
(4)
Ici, la dépendance en température franchit la résistance électrique (équation (2)). La stratégie de mesure que nous utiliserons dans l’expérience actuelle est de maintenir la température (et donc la résistance) de la constante de fil. L’équation (4), il est clair que si la résistance électrique est constante, le courant doit fluctuer pour suivre la tendance de la vitesse. En d’autres termes, les taux de refroidissement varie avec la vitesse d’écoulement, et qui va changer la température du câble, à moins que le courant est changé pour compenser. Évidemment, il est nécessaire de disposer d’un système électrique ayant répondu au questionnaire rapide pour mesurer un signal rapidement variable de vitesse. Ceci est réalisé avec un pont de Wheatstone comme celui illustré à la Figure 1 (a). De la figure, le fil chaud est l’un des quatre résistances dans le circuit. La figure que 1 b montre sa configuration physique, qui est un fil très mince entre deux broches (un 5 μm tungsten fil pour l’expérience en cours). La résistance de contrôle, 
, de la Figure 1 (a) est ajustée au départ pour produire une zéro pont-tension, 
, pour la température de la ligne de base souhaitée (résistance électrique ergo) sur le fil chaud. En fonctionnement, la tension de pont est utilisée comme un signal de rétroaction pour augmenter ou diminuer le courant sur le fil afin de maintenir le fil chaud à une température constante. En revanche,, est amplifiée pour atteindre une échelle de tension plus facile à lire,
. Cette tension est liée au courant par le biais de la Loi d’Ohm :
(5)
Par conséquent, équation (4) peut être exprimée en fonction de la tension :
(6)
Avec les étalonnages constantes est désormais définie comme : 
et 
. L’objectif principal de cette expérience est de trouver la valeur de ces constantes d’étalonnage. À cette fin, la sonde fil chaud se fixera dans un système de débit de référence. Ce système servira d’émettre plusieurs flux avec des vitesses connues. Ensuite, les constantes de calibration seront trouvés à l’aide d’une régression des moindres carrés.
Comme le montre le schéma de la Figure 2, le flux de référence à utiliser dans les présentes est la vena contracta d’un jet libre. La vitesse moyenne à la vena contracta est bien caractérisée par l’équation suivante [3, 4, 5] :
(7)
Ici, la constante de 0,61 est le coefficient de débit du jet,
la pression à l’intérieur de l’Assemblée plénière, et 
est la pression atmosphérique. La position de la vena contracta est bien définie par la relation :
(8)
Où 
est la distance entre le jet sortir le long de son axe et 
est la largeur de la fente de si le jet est délivré. Il s’agit de l’endroit où le fil chaud Anémomètre se situera pour l’étalonner. Figures 3 et 4 montrent le système d’écoulement utilisé dans les présentes. Dans ce système, un ventilateur pressurise un plénum qui a deux sorties, une fente pour produire le jet et une pile de détourner la circulation. Comme le flux par le biais de la pile est limité avec diaphragmes (voir la Figure 4 pour référence), le débit du jet augmente. Cette configuration nous aidera à produire un diagramme de dispersion de 
et la tension mesurée sur le pont de Wheatstone.
Figure 1. Schématique de la projection de jet plane : la vena contracta et le schéma de câblage. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 2. Montage expérimental. (A) : installation de débit de ; le plénum est sous pression au moyen d’un ventilateur centrifuge. (B) : pour délivrer le jet plan. (C) : traverser le système pour changer la position de l’anémomètre sur le jet. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
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Procedure
- Mesurez la largeur de la fente, Wet d’enregistrer cette valeur dans le tableau 1.
- Vérifiez que le système d’acquisition de données suit le schéma de la Figure 2.
- Connectez le port positif du transducteur de pression (voir la Figure 2 pour référence) à la prise de pression du plénum (
). - Quitter le port négatif du transducteur de pression ouverte dans l’atmosphère. Par conséquent, la lecture de ce capteur sera directement
; tel que requis par l’équation (7). - Démarrer le programme d’étalonnage à fil chaud. Définissez la fréquence d’échantillonnage à 100 Hz pour un total de 1000 échantillons (c'est-à-dire 10 s de données).
- Assurez-vous que le canal 0 dans le système d’acquisition de données correspond à la tension de l’anémomètre à fil chaud.
- Dans le champ correspondant à la chaîne 0, sélectionnez la valeur de la constante
à 0,45. - Définir l’anémomètre à la position de la vena contracta à fil chaud (sur la ligne médiane, à x = 1,5 W).
- Assurez-vous que le canal 1 dans le système d’acquisition de données correspond au signal de la sonde de pression.
- Entrez les valeurs de densité de l’air local (généralement 1,2 kg/m3 pour les conditions locales moyennes) et constante de la conversion d’une tension à pression (76.75 Pa/V) dans les champs correspondant vers le transducteur de pression. Enregistrez ces valeurs dans le tableau 1. Avec cela, le système d’acquisition de données rendra compte directement les données de vitesse en m/s selon l’équation (7).
- Couvrir la pile complètement pour établir la condition pour la vitesse maximale sur le jet.
- Tourner à la facilité de circulation.
- Acquérir un ensemble de données.
- Changer la plaque de cheminée pour un avec une restriction plus bas (plus grand diamètre)
- Acquérir un ensemble de données.
- Répétez les étapes 1.15 et 1.16 pour un total d’au moins quatre fois. Assurez-vous que la dernière répétition est effectuée avec la pile complètement sans restriction (vitesse de réaction plus bas).
- Le programme d’acquisition de données sera effectuer le calcul de la méthode des moindres carrés et rapporter les constantes d’étalonnage automatiquement. Enregistrez ces valeurs dans le tableau 1.
; tel que requis par l’équation (7).Le tableau 1. Paramètres de base pour l’étude expérimentale.
| Paramètre | Valeur |
| Largeur de fente (W) | 19.05 (mm) |
| Masse volumique de l’air (r) | 1.2 (kg/m3) |
| Constante d’étalonnage de capteur (m_p) | 76,75 (Pa/V) |
| Étalonnage constante A | 5.40369 (V2) |
| Constante de calibration B | 2.30234 (V2 s0,65m-0,65) |
Figure 3 . Circuit de l’anémomètre à fil chaud. (A) : circuit de pont de Wheatstone pour assurer une température constante dans le fil chaud. (B) : détail de la structure d’un fil chaud. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 4 . Contrôle de flux dans le système d’écoulement. La pile au-dessus de l’Assemblée plénière a pour objectif de détourner l’eau de la fente de jet permettant de contrôler la vitesse à la sortie du jet. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Anémométrie fil chaud est une technique expérimentale courante pour mesure Vitesse du fluide au cours des essais d’écoulement. La vitesse est souvent un paramètre important de l’écoulement à caractériser. Mais comme avec beaucoup de fluidité, il est difficile de mesurer sans impact sur l’expérience. Mesure des écoulements turbulents ajoute une complication supplémentaire, car la vitesse peut fluctuer rapidement dans ce régime. Anémomètres incandescent sont un diagnostic réussi parce qu’elles peuvent être faites très petites afin de minimiser leur impact sur le débit mesuré. Et ils ont une réponse assez rapide temps de résoudre les fluctuations de la vitesse rapide de la circulation. Cette vidéo va illustrer le fonctionne d’un anémomètre à fil chaud dans la configuration de température constante. Et ensuite montrer comment ces appareils sont étalonnés en vue de leur utilisation dans des expériences de flux.
Dans sa forme la plus simple, un anémomètre à fil chaud se compose d’un fil résistif court suspendue entre deux appuis et placées dans le flux d’intérêt. Le fil est électriquement chauffé à une température bien supérieure à la température du fluide ambiante tel que la chaleur générée neutralise la chaleur perdue de refroidissement par convection. Étant donné que le taux de refroidissement par convection dépend de la vitesse du fluide, on peut définir une relation entre l’alimentation électrique dans l’anémomètre et la vitesse d’écoulement. Joule chauffage du fil est le produit de la résistance du fil et la place du courant électrique. Pour la plupart des matériaux, la résistance est dépendante de la température et est bien approximée par une relation linéaire, où la constante alpha est spécifiée par le matériel du fil. Le refroidissement par convection peut être modélisé à l’aide de la loi du roi. Dans cette équation A et B sont des constantes à déterminer lors de l’étalonnage. Et l’exposant de la vitesse N est généralement autour de 0,45. À l’état stable, le chauffage et le refroidissement sont équilibrés. Mais la détermination de la puissance d’entrée instantanée dépend connaissant la résistance et le courant en même temps. Une stratégie dite anémométrie de la température constante est de seulement assez courant pour maintenir la température et donc la résistance de la constante de fil. Ceci est accompli en utilisant un pont de Wheatstone avec le fil chaud agissant comme une jambe du circuit pont. Le pont peut être considéré comme deux diviseurs de tension en parallèle, et la différence de leurs sorties est la tension de pont. Si les ratios sont un à R2 et RW R3 sont égaux, le pont est équilibré et la tension du pont est égale à zéro. Dans le cas contraire, la tension de pont est amplifiée et utilisée comme un signal de rétroaction. Courant transitera ensuite le fil chaud, chauffer jusqu'à ce que le pont est mis en balance. La température de référence du fil chaud peut être réglée en ajustant la résistance contrôle R1. Loi d’Ohm permet de relier le courant traversant la câble sous tension pour la tension de pont. Maintenant, puisque notre W est maintenue constante, les conditions de résistance peuvent être absorbées par les constantes d’étalonnage. Et la vitesse est indiquée en fonction de la tension de pont. Les constantes de calibration sont déterminées en plaçant l’anémomètre dans un système de débit de référence. Mesures doivent être prisent à plusieurs vitesses d’écoulement connu pour qu’on peut effectuer une régression des moindres carrés. Le contracta de veine du jet libre est un flux de référence utile parce que la vitesse moyenne est bien caractérisée par la densité du fluide et de la pression différentielle. Maintenant que vous comprenez comment fonctionne l’anémomètre à fil chaud, nous allons voir comment l’appareil peut être étalonné expérimentalement en utilisant le contracta veine d’un jet libre.
Avant de commencer la mise en place, vous familiariser avec les procédures de mise en page et de la sécurité de l’installation. Le système d’écoulement se compose d’une chambre de tranquillisation sous pressurisé par un ventilateur centrifuge. Une forme de jet libre de la fente sur le côté du plénum et la pile sur le dessus permet de la surpression à ajuster en inversant les plaques à orifice limitant. Maintenant configurer le système d’acquisition de données, tel qu’illustré dans le diagramme dans le texte. Connectez l’onglet de pression plénum à la voie positive du transducteur de pression et de quitter le port négatif ouvert à l’atmosphère. Canal zéro sur le système d’acquisition de données à la tension du pont de l’anémomètre et un canal vers le transducteur de pression. Dans le logiciel d’acquisition de données, affectez la chaîne de fil chaud à zéro et le canal de transducteur de pression une. Enfin, affectez la constante N 0,45 et la fréquence d’échantillonnage de 100 Hertz et le nombre total d’échantillons à 1000. Entrez les valeurs pour la densité de l’air local dans la constante d’étalonnage de capteur dans les champs appropriés de sorte que le système d’acquisition de données rend compte des résultats en mètres par seconde. Utiliser un calibré espacées pour définir la largeur de la fente à 19,05 millimètres ou de trois quarts de pouce. Et puis fixez l’anémomètre à fil chaud dans le flux à la position de la contracta de veine qui est à une distance de 1,5 fois la largeur de la fente de l’ouverture. Localiser l’anémomètre et le plan milieu du jet en parcourant la sonde dans le sens du flux en croix jusqu'à ce que le signal sur l’oscilloscope affiche des fluctuations minimes. Maintenant couvrir la pile complètement afin d’établir la vitesse maximale de jet et tourner à la facilité de circulation. Le logiciel permet d’enregistrer un point de données. Lorsque la mesure est terminée, échanger la plaque à orifice pour l’un avec l’ouverture plus petite. Prendre une autre mesure avec la nouvelle plaque à orifice. Continuer à échanger des diaphragmes et prise de mesures jusqu'à ce que vous avez recueilli les points de données au moins six dont un avec la pile complètement sans restriction. Récupérer les constantes d’étalonnage à partir du logiciel d’acquisition de données.
Une fois que vous avez terminé la collecte de données, vous aurez des mesures de tension des circuits pont correspondant à une gamme de vitesses d’écoulement différents. Tracer la tension au carré en fonction de la vélocité à la puissance 0,45. Et puis effectuer un ajustement linéaire des moindres carrés pour les données. La pente et l’ordonnée à l’origine de l’ajustement sont les constantes de calibration pour cet anémomètre à fil chaud. Maintenant que l’anémomètre a été calibré, il peut être utilisé dans une configuration de différents flux de mesurer une vitesse inconnue.
Anémomètres incandescent sont fréquemment utilisés dans les expériences scientifiques de flux. Anémométrie incandescent est largement utilisée pour étudier les écoulements de la couche limite dans les souffleries. Couches limites sont l’un des plus anciens sujets de recherche en mécanique des fluides en raison de leur pertinence pour des applications technologiques telles que la conception aérodynamique, ingénierie navale et la production d’électricité entre autres. Au détriment de tous ces domaines, de nombreux effets impliquant la couche limite sont toujours montrant compris. Rugosité très irrégulier, des gradients de densité et de viscosité et de compressibilité pour ne citer que quelques-uns. Dans cette optique, incandescent anémométrie est utilisé en laboratoire pour évaluer les flux de couche limite pertinente pour les demandes mentionnées ci-dessus. À l’aide de stratégies semblables à celui montré dans l’expérience en cours. Systèmes de ventilation industrielle sont utilisés pour contrôler les émanations, particules, aérosols, produits de combustion ou d’autres contaminants dans les milieux industriels. Généralement, chaque contaminant est généré à un rythme différent. Par conséquent, le système épuisant devra être un débit différent pour chaque contaminant pour les éliminer efficacement. Cette procédure est généralement effectuée à l’aide d’un anémomètre à fil chaud. Dans lequel l’ingénieur détermine la position d’un amortisseur dans chaque ligne, cherchant à faire la lecture de l’anémomètre à correspondre à une valeur de vitesse préalablement estimé.
Vous avez juste regardé introduction de Jove à chaud anémométrie de fil. Vous devez maintenant comprendre comment fonctionne un anémomètre à température constante et pour calibrer l’appareil pour une utilisation dans des expériences de flux. Merci de regarder.
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Results
Les mesures expérimentales sont répertoriés dans le tableau 2 et illustrés à la Figure 5. Une régression linéaire de ces données a produit le résultat suivant pour l’équation (6) :
(9)
Qui peut servir à déterminer la vitesse en fonction de la tension :
(10)
Le tableau 2. Résultats représentatifs. Mesures du carré de la tension et la vitesse à la contracta de veine à la puissance 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 |
Figure 5 . Chaud-portait la courbe d’étalonnage de l’anémomètre. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
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Applications and Summary
Étant donné que la turbulence présente des fluctuations de vitesse haute fréquence, fil chaud anémomètres sont des instruments adéquats pour sa caractérisation en raison de leur haute résolution-temps. Dans la présente expérience, nous avons démontré le processus d’étalonnage d’un anémomètre à fil chaud. À cette fin, nous avons comparé avec les valeurs connues de la vitesse à la vena contracta d’un jet bien caractérisé, le signal de tension de l’anémomètre. Ces mesures ont été utilisées pour déterminer les constantes d’étalonnage pour la réponse linéaire de l’anémomètre.
Fil chaud anémométrie est intensivement employé dans des études scientifiques des flux de la couche limite dans les souffleries. Couche limite est l’un des plus anciens sujets de recherche en mécanique des fluides en raison de sa pertinence pour des applications technologiques telles que la conception aérodynamique, ingénierie navale, production d’électricité, entre autres. Au détriment de tous ces domaines, beaucoup d’effets impliquant la couche limite est toujours montrant comprises : rugosité très irrégulier, des gradients de densité et de viscosité et compressibilité, pour ne citer que quelques-uns. Dans cette optique, fil chaud anémométrie est utilisé en laboratoire pour évaluer les flux de couche limite pertinente pour les demandes mentionnées ci-dessus, à l’aide de stratégies semblables à celle démontrée dans l’expérience en cours.
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References
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