Misura del flusso d'aria: anemometro a filo caldo

Aerodinamica sperimentale: come funziona l'anemometro a filo caldo

Misura del flusso d'aria e anemometro a filo caldo.

Nello studio dell'aerodinamica sperimentale, è necessario conoscere la velocità del flusso e per avere indicazioni sul flusso d'aria (nel nostro caso) che circonda un corpo.

Quello di misuratore di portata è lo strumento per misurare la portata, volumica o massica, di un fluido, liquido o aeriforme.

Che cos'è un anemometro a filo caldo?

L'anemometro a filo caldo è proprio un misuratore di portata statico, normalmente utilizzato per determinare la velocità dell'aria nei condotti di ventilazione. È composto da una rtermometro a resistenza, cioè una resistenza il cui valore è proporzionale alla temperaturaalimentata da una corrente elettrica di intensità nota, tale da portarla a una temperatura superiore a quella del fluido da misurare. Questa resistenza viene immersa nel fluido di cui si vuole misurare la velocità. Il fluido raffreddare la resistenza proporzionalmente alla sua velocità permettendo di tornare ad esso.

Anemometro a filo caldo

Anemometro a filo caldo.

I vantaggi di questo strumento sono dovuti principalmente alla dimensioni molto ridotte che possono essere effettuate dalla sonda. Questo permette di effettuare misure in varie posizioni del tubo, di disturbare il flusso del fluido in modo minimo, di avere una misura molto elevata velocità di risposta (nell'ordine dei kHz) che consente di rilevare le variazioni di velocità dovute alla turbolenza.

Gli svantaggi sono legati alla dipendenza della calibrazione da vari fattori, come le caratteristiche del fluido, la sua pressione e la sua temperatura.

Come funziona l'anemometro a filo caldo?

Quello di principio di funzionamento dell'HWAAnemometro a filo caldo - a costante La temperatura del filo è posizionata con un asse perpendicolare alla velocità della corrente di un flusso noto. La sonda permette di misurare quantità fisiche istantanee (che variano nel tempo). Una sonda a filo caldo è indispensabile per rilevare, ad esempio, le fluttuazioni presenti nello strato limite turbolento o anche quantità istantanee in altri flussi turbolenti come il getto e la scia.

Per svolgere questa funzione, l'anemometria a filo caldo deve soddisfare i seguenti requisiti:

  • Bassa intrusività: le dimensioni della sonda devono essere le più ridotte possibili per poter effettuare misure istantanee in campi in movimento, anche di piccole dimensioni, in modo da non indurre alterazioni sul campo stesso;
  • Alta risoluzione spaziale: l'obiettivo non è quello di misurare quantità fisiche integrali, quindi mediate, quindi la misura deve essere il più precisa possibile;
  • Risposta alle alte frequenze: lo strumento deve rispondere rapidamente alle fluttuazioni più rapide nel tempo delle grandezze fluidodinamiche da misurare;
  • Alta sensibilità: il segnale elettrico in uscita dall'anemometro, per la stessa grandezza fluidodinamica da analizzare, deve essere il più elevato possibile, per ottenere una misura molto accurata e quindi molto precisa per rilevare le variazioni nel tempo;
  • Elevato rapporto suono/rumore: ogni fluttuazione è caratterizzata da un certo valore di questo rapporto, che quindi per questa tecnica deve essere sufficientemente alto per non avere alterazioni nel rilevamento;
  • Segnale di tensione emesso dall'anemometro in modo continuo nel tempo.

Quali sono i problemi legati alla misurazione del flusso d'aria con l'anemometro a filo caldo?

  • Necessità di calibrazione dello strumento: il segnale di uscita è elettrico, quindi, qualunque sia la grandezza fluidodinamica da rilevare, è essenziale trovare i coefficienti rappresentativi del legame tra il segnale elettrico e la grandezza in esame;
  • Ambiguità del sensore: la sonda a filo caldo non è in grado di identificare la direzione della velocità (è possibile rilevare solo il modulo), pertanto è necessario collocare diverse sonde a filo caldo in posizioni appropriate per ottenere una misurazione completa;
  • Risposta di tensione del sistema di anemometria a filo caldo non lineare: questa non linearità rende ovviamente impossibile far coincidere il valore medio della tensione all'uscita dell'anemometro con il valore medio della grandezza fisica misurata, a differenza dei trasduttori di pressione considerati negli esercizi precedenti;
  • Effetto della temperatura: poiché la sonda a filo caldo è caratterizzata da una resistenza elettrica, se la calibrazione viene eseguita in determinate condizioni ambientali, mentre la misurazione viene effettuata in altre condizioni ambientali, sarà necessario apportare correzioni sui parametri ottenuti dalla calibrazione, essendo la resistenza elettrica dipendente dalla temperatura.

Abbiamo riassunto il principio di funzionamento di questa tecnica: l'anemometria a filo caldo si basa sull'effetto Joule indotto sul sensore, pertanto mantenuto caldo, e a convezione forzata (trascurando gli effetti degli altri meccanismi di scambio termico), di cui è responsabile la corrente di fluido, che colpisce il filo con una certa resistenza elettrica.

Aerodinamica sperimentale: anemometro a filo caldo per la misurazione del flusso d'aria

Aerodinamica sperimentale: anemometria a filo caldo.

Il principio di funzionamento di un anemometro a filo caldo.

In altre parole, il funzionamento di una sonda a filo caldo si basa sulla variazione della resistenza elettrica di un filamento di tungsteno conseguente alla variazione di temperatura indotta dal raffreddamento per convezione forzata del filo riscaldato per effetto Joule mediante un circuito elettrico opportunamente progettato.

Pertanto, si possono considerare schematicamente le seguenti espressioni rappresentative del fenomeno appena descritto:

  • Riscaldamento per effetto Joule: la resistenza elettrica del sensore dipende dalla temperatura:

RW = R0 [1 + b (TW -T0)]

RW: resistenza elettrica del sensore a TW temperatura,

R0: resistenza elettrica del sensore alla temperatura T0 forniti dal produttore,

TW: temperatura del filo riscaldato,

T0: temperatura di riferimento fornita dal produttore.

La corrente costante imposta a un anemometro a filo caldo.

Imponendo il passaggio di una corrente elettrica I attraverso un circuito dotato di un servoamplificatore, la potenza dissipata in energia termica per effetto Joule è espressa come segue:

PJoule = RwI2

  • Raffreddamento a convezione forzata: la corrente fluida rimuove il calore dal filo:

Pcondannare = h (πdl) (Tw - Tf)

Dove:

h: coefficiente di trasferimento del calore per convezione forzata, dipende dalla velocità della corrente,

Tf: temperatura del fluido.

Dal momento che il coefficiente di scambio termico h dipende da esso, la velocità della corrente contribuisce a definire il valore di entità del raffreddamento. Prima del riscaldamento la sonda si trova alla stessa temperatura del fluido, quindi è caratterizzata da una resistenza elettrica Rfche può essere calcolato, analogamente a quanto fatto in precedenza, nel modo seguente:

Rf = R0 [1 + b (Tf - T0)]

  • Raffreddamento per convezione naturale: la rimozione di calore tramite questo meccanismo di scambio termico diventa paragonabile a quella della convezione forzata solo nel caso di basse velocità del fluido e dipende dalla differenza di temperatura tra TW e Tf (questo contributo è generalmente trascurato)
  • Raffreddamento per irraggiamento: la rimozione di calore attraverso questo meccanismo di scambio termico diventa rilevante nel caso in cui TW> 300°C, quindi questo contributo viene generalmente trascurato perché rimane intorno alle temperature TW ≈ 250°C.

In condizioni stazionarie (trascurando la presenza di transitori) il calore prodotto dall'effetto Joule è uguale a quello asportato dalla convezione forzata (trascurando gli altri meccanismi di scambio di calore), quindi la seguente si applica l'equazione termica di equilibrio:

RWI2 = h (πdl) (TW -Tf)

Legge di King: anemometro a filo caldo a corrente costante.

Analisi dimensionale per ottenere la legge di King.

Partendo da questa equazione, introducendo la parametri adimensionali che governano il fenomeno in questione (come la Nusselt Nu numero, il Prandtl Pr numero, il Reynolds Re e così via) dopo aver eseguito l'analisi dimensionale del problema applicando il teorema di Buckingham, e sfruttando la legge di Ohm e alcune relazioni empiriche, come ad esempio Legge di Kramer, raggiungiamo il cosiddetto Legge del Reche collega le tensioni E misurate ai capi della resistenza elettrica alle velocità V della corrente, nel modo seguente (si noti il legame non lineare tra E e V):

E2 = A + BVn

Dove A, B e n sono costanti ottenute durante la fase di calibrazione. Poiché il sistema a temperatura costante TWQuando si misura alla velocità V = 0 m/s, dato che le velocità sono note durante la calibrazione, il valore di segnale di offset E0 si ottiene, che è rappresentativo di una potenza; in particolare si osserva che:

E02 = A

La potenza di cui è rappresentativo il parametro A non può derivare dalla convezione forzata, in quanto la velocità della corrente è nulla, quindi si tratta della potenza legata all'energia rimossa dalla convezione naturaleavere un sistema che continua a funzionare al TW temperatura anche se non c'è un raffreddamento indotto dalla convezione forzata prodotta dalla corrente fluida. In generale, è bene ricordare che la quantità di scambio di calore tra il filamento e la corrente, quindi la tensione misurata attraverso il sensore, non dipende solo dal modulo della velocità V della corrente, ma anche dall'incidenza α e β con cui viene investito:

E = f1(V) f2(α) f3(β)

Risultato dell'anemometria a filo caldo e legge di King

Legge di King vs dati sperimentali.

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