Anemometria térmica:
uma aula tutorial
Profa. Juliana B. R. Loureiro
Plano da aula
Sensor Suporte
Posicionador de sensores
Anemômetro a temperatura constante, Ponte CTA
Manômetro inclinado Transdutor de pressão
Sistema de aquisição e tratamento de dados
I. Sistema de Medição (Fundamentos, Procedimentos, Projeto, Custo)
Controlador do posicionador Termômetro
Plano da aula
II. Sistema de construção e reparo de sensores
(Fundamentos, Procedimentos, Projeto, Custo)
Construção do sensor • Corpo de cerâmica • Agulhas
• Fio de tungstênio Reparo dos sensores • Micro-manipulador • Estação de solda • Fio de tungstênio
Fundamentos: referências básicas
• Bruun, H. H.; Hot-Wire Anemometry: Principles and Signal Analysis, Oxford University Press, 536 pages, 1995. • Perry, A. E.; Hot-wire Anemometry,
Oxford University Press, 204 pages, 1982.
• Lomas, C.; Fundamentals of Hot Wire Anemometry, Cambridge University Press, 211 pages, 1986.
• Bradshaw, P.; An introduction to turbulence and its measurement, Pergamon Press, 218 pages, 1971.
• Comte-Bellot, G.; Hot-wire anemometry, Ann. Ver. Fluid Mech. 8, 209-231, 1976.
• Kho, B. C.; Dynamic response of a near-wall hot wire, Turbulence, Volume II, 1 – 114, 2006.
“The hot-wire anemometer is a most complex instrument. Departures from correct performance are insidious and subtle and a lack of understanding of its behaviour can have disastrous consequences in any major research project. …
It is still the cheapest and most convenient method for the study of laboratory produced subsonic
turbulence and transition processes.”
A. E. Perry. Hot-wire Anemometry (1982).
Circuito de re-alimentação
• Anemometria a fio-quente
• Baseada no princípio de transferência de calor entre o sensor e o fluido que escoa ao seu redor
• Relação linear entre a temperatura e a resistência do fio
• CTA: circuito em malha fechada • Alta resolução temporal
• Alta resolução espacial • Requer calibração
• Não discrimina sentido da velocidade • Medição pontual
• Técnica de baixo custo
Fundamentos:
R1 R2
Raj Rw ei
Tipos de sensores
Fundamentos:
Miniaturizado Recobrimento
Três fios Sensor em X
• Material utilizado: tungstênio e platina com 5 micra de diâmetro e 1.2 mm de comprimento
• Número de fios depende do número de componentes a ser medido
• Sensores requerem manipulação cuidadosa
• Sensores de filme fino: recobrimento de quartz permite aplicações em água
Adaptado de Dantec Dynamics
Suporte do sensor e cabeamento
Fundamentos:
• Cabos e conectores podem se tornar uma poderosa fonte de ruídos
• Cabos longos podem levar a ponte CTA a um ponto de operação instável • Os sensores devem estar rigidamente conectados aos suportes
• Conexões adequadas fornecem valores constantes de resistência
• Os conectores dos suportes de sensores devem estar bem isolados antes do sistema ser posto em operação
Anemômetro a Temperatura Constante: Ponte CTA
Fundamentos:
•
Ponte de Wheatstone
• Razão da ponte 1:20
• Taxa de sobreaquecimento é ajustada através de um resistor variável
• Tensão de desbalanceamento é proporcional à velocidade do fluido
R1 R2 Raj Rw Vp ei I1 Iw
•
Circuito de realimentação:
• Assegura a temperatura do fio constante
• Malha fechada amplia a resposta em frequência • Amplificadores de baixo ruído e baixo acúmulo
R1 R 2 Raj Rw Operational amplifier ei + -Offset voltage Er Current amplifier I1 I2 Vp E0
Anemômetro a Temperatura Constante: Ponte CTA
•
Resposta em frequência
• Teste da onda-quadrada
• Efeito do ganho do amplificador, da taxa de sobreaquecimento e da velocidade
• Sistema com resposta não-linear
Anemômetro a Temperatura Constante: Ponte CTA
Fundamentos: Calibração
•Instrumento de referência:
• Tubo de Pitot • ALD • Bocal• Objetivo:
• Estabelecer uma relação de pertinência entre voltagem e velocidade
Transferência de calor entre
o fio-quente e o fluido
A relação entre a velocidade do fluido e a tensão de saída da ponte é deduzida com base nas equações de transferência de calor. Os termos envolvidos são:
potência gerada pela corrente elétrica;
perda de calor para o fluido por convecção forçada; perda de calor por condução;
perda de calor por radiação; acúmulo de calor no fio.
Admitindo que as perdas por radiação e condução são desprezíveis, e
supondo que em regime permanente , a equação de balanço da
Relação entre resistência e temperatura
A resistividade de um material é definida como a resistência por unidade de comprimento, por unidade de área transversal:
A dependência térmica da resistividade foi objeto de diferentes trabalhos (Hinze (1959), Bruun (1975)), e pode ser escrita como:
onde o índice denota a grandeza avalida à temperatura ambiente. Integrando a primeira equação ao longo do comprimento do fio, obtemos:
Leis de Calibração
Então, é preciso determinar a relação entre a potência dissipada no fio e a velocidade do escoamento. Uma variedade de leis foram propostas, e em geral são expressas em função de números adimensionais, como:
onde o número de Nusselt é definido como: .
Uma relação clássica, válida para uma ampla faixa de velocidades, e aplicada tanto para o modo CTA quanto para o CCA, é a Lei de King (1914) :
onde E é a tensão de saída do anemômetro, U é a velocidade do fluido e as constantes
A, B e n devem ser determinadas através de um procedimento de calibração. King
recomendou o uso de n = 0.45
Siddal e Davies (1972) adicionaram uma constante à lei de King, para ampliar a faixa de calibração até 160 m/s.
Uma revisão detalhada das diferentes curvas de calibração propostas foi feita por Bruun (1995), e os resultados indicam que a lei de King é a que fornce melhor precisão.
Fundamentos: Calibração
•
Instrumento de referência:
• Tubo de Pitot • ALD
• Bocal
• Leitura do tubo de Pitot:
• Manômetro inclinado • Transdutor de pressão Pressão de estagnação Pressão estática 1 2 2 2 2 2 2 1 1 1 2 1 2 1 U gz P U gz P 2 2 2 1 2 1 U P P air P U 2 H θ sin 2 1 P gH P liq
Aquisição e tratamento de dados
Fundamentos:
•
Guia de seleção
• Número de canais de entrada: 16 individuais, 8 diferenciais
• Faixa de entrada: unipolar (0 – 10V, 0 – 5V), bipolar (± 5V, ±10V) • Ganho
• Resolução: 12 bit, 16 bit
• E.g. (0 – 10V) a 16 bits -> 1.5 µV; (0 – 10V) a 12 bits -> 2.4 mV
• Taxa de aquisição: 60kHz, 100kHz (normalmente esse valor diminui com o aumento do número de canais)
• Compatibilidade com outros instrumentos, como transdutores de pressão e termopares
•
Incertezas associadas
• Digitalização • Amostragem
• Número de amostras
Aquisição e tratamento de dados
Sensor Supporte
Posicionador
Anemômetro a temperatura constante
Ponte CTA Manômetro Transdutor de pressão Sistema de aquisição software
Sistema de medição (
Procedimentos
)
Controlador
Termômetro
Sensor e Suporte
• Montar o suporte no posicionador
• Conectar ao suporte o cabo BNC de 5m
• Conectar o sensor de curto circuito ao suporte
• Medir a resistência
0.9
Ajustes da Ponte CTA
• Ajuste da taxa de sobreaquecimento • Determina a temperatura de operação do sensor
• Ajuste estático da ponte
• Trocar o sensor de curto circuito pelo sensor real
• Ajustar o valor da década (a = 1.8)
Rtot = R0+Rc
Rc= Ragulhas+Rsuporte+Rcabo
R0= Rtot-Rc a = Rw/R0 = 1+α0(Tw-T0) 20 R2 R2 Raj= 20(aR0+Rc) Rw Vp ei I1 Iw 3.6
Ajustes da ponte CTA
• Teste da onda quadrada
• Checar a resposta do sistema
• Balanceamento dinâmico da ponte • Colocar o sensor no escoamento
• Ligar a ponte CTA
• Injetar a onda quadrada e ajustar o ganho e o filtro Raj R w ei + -Offset voltage Er Vp E0
Calibração de velocidade
• Variar a velocidade em passos fixos dentro da faixa de valores esperada para as medições • Para cada valor de velocidade, fazer a leitura do tupo de Pitot e relacionar com a voltagem lida na ponte CTA
• Ajustes polinomiais ou tipo lei de potência podem ser usados para gerar as curvas de
calibração. A forma clássica é chama lei de King
U
Calibração de velocidade:
medição de duas componentes
• Calibração direcional: permite calcular os coeficientes de sensibilidade direcional para cada sensor
• Estes coeficientes são usados para decompor os valores medidos em componentes de velocidade
• O procedimento de calibração para a variação de velocidade é o mesmo do anterior
U
α
Adapted from Dantec Dynamics
U
Medições de velocidade e estatísticas turbulentas
• A tmepratura ambiente deve ser continuamente monitorada
• A calibração perde validade se as condições do ambiente mudarem
• A frequência de aquisição e o número de amostras devem ser ajustados no programa
• O sensor deve estar corretamente posicionado em relação ao escoamento. A obtenção dos perfis de velocidade é feita através da variação da posição do sensor ao longo da região de interesse
Sensor Suporte
Posicionador
Anemômetro de temperatura constante
Ponte CTA Programa de aquisição de dados software Controlador Termômetro Tubo de Pitot
Sistema de medição (
Projeto e custos
)
Manômetro Inclinado/ Transdutor de pressão
Projeto e construção de um sistema de AT
• Ponte CTA
• Ponte CTA Bridge
• Custo: U$ 700,00
• Lista de componentes:
•
INA 111 inst op amp• INA 105 inst op amp • OP27GP • REF03 GP 2.5V • 100 pF capacitor • BDX53B transistor • 10R 1% resistor • 500 R 1% resistor • 1K 1% resistor • 10K 1% resistor • 2K2 0.1% resistor • 3K3 0.1 % resistor....
• Programa de aquisição de dados
• NI 6014: U$ 1.200,00
• Labview, Delphi
• Subrotinas essenciais:
•
Verificação do sinal • Calibração• Teste da onda quadrada
• Verificação das constantes de calibração • Medição e processamento dos dados • Cálculo do espectro
• Equipamentos de suporte
• Sistema de posicionamento de sensores • Robusto, com precisão e repetibilidade
• O sensor não deve estar sujeito a vibrações • Sigma-koki
• Custo estimado de um sistema 3D system: U$ 6.000,00
• Manômetros
• Devem ser capazes de ler baixas pressões diferenciais (especialmente para aplicações em túnel de vento)
• Furness, Cole Parmer
• Custo estimado de um bom transdutor : U$ 8.000,00
• Multímetros, osciloscópios
• Custo estimado: U$ 2.000,00
II. Sistema de construção e reparo de sensores
Construção do sensor • Corpo de cerâmica • Agulhas • Fio de tungstênio Reparo de sensores • Micro-manipulador • Usina de solda • Fio de tungstênioConstrução de sensores
O processo de manufatura de um
sensor de uma canal
• Lista de componentes:
•
Agula de acupuntura: 3.5mm• Corpo de cerâmica (2 furos): 3mm d.e., 0.7mm d.i. (Consistec) • Fio de cobre multifilamento
• Cabo coaxial
• Isolamento termoretrátil • Araldite
• Conector BNC
• Fio de tungstênio: 5 micra ( Leico Industries, Midwest (12 micra), Luma Metal)
Construindo o seu próprio sensor de fio-quente
• Custo estimado: U$ 50
Reparo de sensores
• Micromanipulador
• Estação de solda
Reparo de sensores
• Micromanipulador
• Projeto mecânico
• Usinagem do material
• Microscópio
• Custo estimado: U$ 5.000,00
Exemplos de aplicação
• Escoamento ao redor de um cilindro • Camada limite • Jato incidente -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 U (m/s) 0 6 12 18 24 30 36 42 z (m m ) x = 75 mm x = 100 mm x = 125 mm x = 150 mm (a) 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 u'u'1/2 (m/s) 1 10 100 z (m m ) x = 75 mm x = 100 mm x = 125 mm x = 150 mm (b) -0.5 0 0.5 1 1.5 2 Su 1 10 100 z (m m ) x = 75 mm x = 100 mm x = 125 mm x = 150 mm (c) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Fu 1 10 100 z (m m ) x = 75 mm x = 100 mm x = 125 mm x = 150 mm (d)• Escoamento sobre mudança de rugosidade
• Escoamento dentro de um compressor
• EMBRACO vende para china, US$ 24, possui 16 partes móveis.
Morriessen e Deschamps, Cobem 2009
Comentários finais
• Custos comparativos
TR PIV System U$ 300,000.00
2 cameras,
Nd-Yag laser de alta frequência, software
Sistema PIV Estereoscópico U$ 240,000.00
2 cameras, 15Hz Nd-Yag laser, software
Sistema ADL 2D U$ 250,000.00
BSA, Probe, set of lenses, 300mW Ar-ion laser
Sistema CTA comercial 2D U$ 125,000.00
2 CTA, sensores, suportes e software
Sistema CTA autônomo U$ 21,950.00
• Vantagens da AT
• Técnica clássica para a medição de turbulência
• Sistema de baixo custo e alta resolução para a medição de velocidade e temperatura
• Fornece a melhor resolução temporal dentre todas as técnicas estado da arte
• Permite o cálculo de correlações cruzadas, momentos de ordem superior
• Fornece resultados complementares às técnicas de ADL e VIP