Anemometrie - žhavené senzory

Václav Uruba, Ústav termomechaniky AV ČR

Anemometrie - žhavené senzory Fyzikální princip metody Metoda je založena na ochlazování žhaveného senzoru proudícím médiem. Teplota senzoru: 50 – 300°C Ochlazování závisí na: • Vlastnostech senzoru • Fyzikálních vlastnostech média (tepelné vodivosti, viskozitě,…) • Stavu média o Teplotě o Tlaku o Rychlosti proudění

Základní vlastnosti metody Výhody • Malý „měřící bod“ (u jednoho senzoru 1 x 0,005mm2) • Vysoká citlivost

Měření rychlostí – HW

1


• Vysoká přesnost (dána kalibrací a podmínkami při měření) • Vysoké frekvence (až 400kHz) • Velký rozsah rychlostí (u vzduchu od 0,01 m/s – 5Ma) • Citlivost na další fyzikální veličiny (T, p, koncentrace) • Relativně nízká cena Nevýhody • Intrusivní metoda • Křehká sonda • Citlivost na znečistění • Indikace smyslu proudu • Citlivost na další fyzikální veličiny (T, p, koncentrace)

1. Oblast použití metody • Přesná bodová měření rychlosti • Malé rychlosti • Turbulence • Mezní vrstva • Kombinovaná měření


2


Ochlazovací zákon

Ochlazovací zákon ≡ Vztah mezi rychlostí proudění média a výstupním napětím z anemometru.

Obecně: E = F (U )

King (1914)

E2 = A − B U

1

2

Collis-Williams (1959)

E2 = A − B U N Oster, Wygnanski (1982)


3


4

U = ∑ Am E m m =0

BEZROZMĚRNÝ TVAR Obecně: Nu = F ( Re,Pr,Kn, Gr , Ma,ϕ ,...)

Nu = Re =

Q

π lW λ (Tm ) [TW − T ]

U dW ν (Tm , Pc )

pomocné vztahy:

EW2 Q= RW

Jouleovo teplo

Rw = R0 ⎡⎣1 + α 0 (Tw − T0 ) ⎤⎦

závislost odporu na teplotě

RD = RP + RL + RW odpor větve Wh. mostu (dekády) = odpor přívodů + odpor elektrod + odpor drátku

Tm =

1 (T + TW ) 2

střední (filmová) teplota

King (1914)

Nu = A + B Re Collis, Williams (1959) Měření rychlostí – HW

4


⎛T ⎞ Nu = ⎡⎣ A + B Re ⎤⎦ ⎜ m ⎟ ⎝T ⎠

0,17

N

Andrews (1972)

Nu = ⎡⎣ A + B Re N ⎤⎦ (1 − C Kn Nu ) Collis-Williams

⎛T ⎞ Nu ⎜ m ⎟ ⎝T ⎠

−0,17

= A + B Re N

Re = 0,02 – 44 N = 0,45, A = 0,24, B = 0,56 Re = 44 – 140 N = 0,51, A = 0, B = 0,48

Zobecněný Collis-Williamsův zákon M

⎛T ⎞ Nc = Nu ⎜ m ⎟ = A + B Re N ⎝T ⎠ A, B, N, M konstanty určované kalibrací


5


1.1.

Směrová citlivost

Efektivní rychlost: Taková rychlost proudění kolmá k drátku, která způsobí stejné ochlazování jako daná rychlost obecného směru

U 2 = Wn2 + k 2Wt 2 = W 2 ( sin 2 ϕ + k 2 cos 2 ϕ ) 0 ≤ k 2 ≤ 1 U 2 = F (ϕ ) W 2 = (1 + κ cos 2 ϕ ) W 2 −1 ≤ κ = k 2 − 1 ≤ 0

−0,95 ≤ κ ≤ −0,8 0,05 ≤ k 2 ≤ 0, 2 pro 20° ≤ ϕ ≤ 160° (Hinze)

Ve2 = U N2 + k 2 U T2 + h 2 U B2 Jørgensen (k ≈ 0,15, h ≈ 1,02) 1.2.

Směrová charakteristika 1.1 1 0.9

Ve/U

0.8 0.7 0.6 0.5

-0.8 κ -0.95

0.4 0.3 0 Měření rychlostí – HW

30

60

90

φ [deg]

120

150

180 6


Vliv blízkosti stěny

Wills (1962) N

N N U kor = U měř

⎛ν ⎞ N Re N −0,45 ⎜ − ⎟ ∆1 ∆ 2 0, 45 ⎝ dW ⎠

∆1 = 1

laminární proud

∆1 = 0,5 ± 0,1

turbulentní proud

0,63 ⎡ ⎛ 2y ⎞ ⎤ ∆ 2 = exp ⎢ −0, 217 ⎜ ⎟ ⎥ ⎢⎣ ⎝ dW ⎠ ⎥⎦


7


pozn.: měření proudů s nízkou střední rychlostí (např. blízko stěny) nebezpečí výskytu zpětného proudění -> měřen pouze modul!


8


Kalibrace 1.3.

Kalibrace

• Statická

• Dynamická o Přímá – nízké frekvence o Nepřímá – el.signál Matematicky regrese nebo interpolace 1.3.1.

Teplotní kalibrace

Re = konst., Tm= ~ => závislost na teplotě – teplotní korekce (součinitel M u C-W zákona) 1.3.2.

Rychlostní kalibrace


9


Re = ~, Tm= konst. => závislost na rychlosti (Re) (součinitele A, B, N u C-W zákona) 1.3.3.

Směrová kalibrace

Vef(φ) • regrese - určení součinitelů (k, h) • interpolace závislosti


10


2. Anemometrická aparatura Účel aparatury: • Žhavení senzoru – pomocí Jouleova tepla • Indikace ochlazování → změna teploty → změna el.odporu 2.1.

Metoda konstantního proudu CCA

Sondou protéká konstantní el. Proud – nastavuje se (řádově jednotky mA)


11


2.2.

Metoda konstantní teploty CTA

Napájení Wheatstonova mostu pomocí servozesilovače – zpětná vazba, udržuje konstantní el.odpor sondy -> konstantní teplota drátku.


12


2.3.

Frekvenční charakteristika

CCA konst. do cca 700Hz CTA konst. do 100-300kHz


13


Obdélníkový test


14


Typy sond

Drátkové sondy Průměr drátku: 1 - 10µm Použití: plyny Materiál drátku: • Wolfram • Platina

Film Film Nikl, tloušťka méně než 1µm


15


1D

2D


16


3D


17


2.4.

Filmové sondy


18


Různé tvary podložky: • Cylindrické ø 20 - 100µm • V • Ploché • jiný Použití: plyny, kapaliny Materiál: • podložka nevodivá – el. i tep. (křemenné sklo) • film Ni, Pt (tl. ~0,1µm) Odolnější proti znečistění Větší průměr –> víry

Stěnové filmy (měří povrchové tření) - indikace přechodu mezní vrstvy do turbulence


19



20



21


sonda typu „Kovacnay“ pro měření vířivosti


22

Anemometrie - žhavené senzory

Recommend Documents