Sıcak-Tel Yelölçerinin Kullanımı

Elektrikle 150 ^oC - 250 ^oC arasında ısıtılmıĢ ince bir tel, bir akıĢın içersine yerleĢtirilirse, telin sıcaklığı, akıĢkanın hızına göre değiĢir ve böylece elektriksel direncini değiĢtirir. Dirençteki bu değiĢikliği kullanarak akıĢı ölçen bir ölçme cihazı sıcak-tel yelölçeri olarak adlandırılır. Bu ölçme yöntemi, yelölçer, ve üzerinde çalıĢılan akıĢkanın çevresine yerleĢtirilmiĢ küçük bir elemanın kullanılması esasına dayanır. Bu küçük eleman çok ince bir teldir. Genellikle bir elektronik devrenin içinde yer alan Whitestone köprüsünün dallarından biri üzerine kurulur (ġekil 3.3). Bunlardan biri, ölçme ucunu sabit sıcaklıkta tutmak ve frekansını karĢılamak için tele sağlanan elektrik akımının büyüklüğünü kontrol eder. Gerçekten çok ince bir tel 500 Hz den daha yüksek frekanslarla karakterize edilen akıĢın çeĢitli değiĢimlerinde, kendi kendine cevap veremez. Makul bir elektriksel telafi 1 Mhz frekanslarına ulaĢmasını mümkün kılar.

(Gesso and Davies, 1998).

Joly(1976)‘nin belirttiği üzere, Von Karman Enstitüsünün elektronik laboratuarında yukarıda tanımlanan prensibe göre çalıĢan, sabit sıcaklıkta kullanılmaya uygun tasarlanmıĢ bir yelölçer (INOL2) kullanılmıĢtır. Teli oluĢturmak için kullanılan malzemenin sahip olması gereken baĢlıca özellikler: yüksek bir sıcaklık direnç

katsayısı, akımın ve gerilimin, ölçülebilir seviyelere ulaĢmasına izin veren bir elektrik direnci, yeterli bir mekanik direnç ve iyi bir oksitlenme davranıĢı olarak özetlenmiĢtir.

Tungsten yaygın olarak kullanılan bir tel malzemesidir. Oksitlenmeye karĢı direncini iyileĢtirmek ve ölçme ucu ibreleri üzerindeki kaynağı kolaylaĢtırmak için, ince bir tabaka platinle kaplanmıĢtır(White ,2003).

ġekil 3.3. Sıcak-tel yelölçeri: a) sabit voltaj türü; b) sabit sıcaklık türü; c) ölçme ucu (Nakayama and Boucher 1999).

Ölçme ucunun hassas elemanının 5 m çapında ve 3 mm uzunluğunda olduğu belirtilmiĢtir. Kaynakla tutturulduğu yüzü iki anten arasına dönüktür. Antenlerin uçlarının altınla kaplanmıĢ olduğu ve bu durumun çalıĢma boyunu (orta kısım) 1,25 mm‘ ye düĢürdüğü ifade edilmiĢtir. Tel seramik Ģaseye tutturulmuĢ olan antenlerden birinin ekseni üzerine 45 ^o eğiktir.

Ucun içinde bulunduğu akıĢkanın hızındaki herhangi bir artıĢ, hassas elemanın soğumasını bu sebeple de dirençte bir azalmayı gerektirir. Direncin azalması, yükselteç

(amplifikatör) tarafından sağlanan akımın, Whitestone köprüsünde, gerilimden gerilime değiĢmesine neden olur. Ölçümler telden geçen akımdaki artıĢa hemen tepki verir. Bir hız düĢmesi halinde, telden geçen akımda bir düĢmeye yol açacaktır (Finnemore, 2002).

Köprünün direnci ek olarak uygun bir geri besleme devresiyle sabit tutulur.

Köprüyle birlikte gerilim, böylece telden geçen akımla orantılıdır ve kaybolan güç, geriliminin karesinin dirence bölümüne eĢittir. Gerilimin karesi böylece, dıĢ akıĢkanla temasta olan hassas elemanın ani ısı transferinden doğrudan ölçülür. Bu değiĢimi, hızın birincil bir fonksiyonu olarak ölçmek mümkündür.

Köprünün çıkıĢındaki gerilimi (E), akıĢ oranına (C) bağlı olarak ölçmek için kullanılan kanun genellikle doğrusal değildir. Gerilim (E) bundan baĢka akıĢkanın yoğunluğu ve sıcaklığından etkilenir.

Sıcak-tel yelölçeri sabit sıcaklıkta bir doğrusallaĢtırma devresine takılabilir.

Böylece türbülans ve hız ölçümleri özellikle büyük dalgalanmaların olduğu yerde daha kolay ve doğru olur. Bu, doğrusal olmayan E²- E02

= k C^m bağıntısına göre daha sade olan E = KC doğrusal bağıntısının yardımıyla kolayca çözülür. (E) çıkıĢ voltajı, (E0 ) hızın sıfır olduğu yerdeki voltaj , (K, k ve m) kalibrasyonla belirlenen sabitlerdir, (m) genellikle 2‘ye yakındır.

3.5.1 Bir ölçüm yönteminin seçimi

OX, OY, OZ, eksenindeki bir sistemde çalıĢılan akıĢa geri dönülerek, ani hız vektörü (C)

, eksenleri aynı eksenlere benzeyen U, V, W üç bileĢenine ayrılabilir sıcak-tel‘in keyfi pozisyonu, aĢağıdaki iki açıyla belirlenir:

a) açısı OX ekseni ile telin giriĢi arasındaki açıdır.

b) , açısı OXY düzlemine oranla dönmeyi destekler.

Bir sıcak-tel yelölçerinin sabit sıcaklıkta bir düzelticiye bağlı olarak kullanılması hesaplamaların E = K.C bağıntısından yapılmasını mümkün kılar.( K telin özel bir

konumu için belirlenen düzeltme sabitidir). Böylece sorun, ısıtılan tel elemanı ve ortam arasında ısı aktarımı sağlayan hız değerlerinin belirlenerek denklemde yerine konulmasından ibarettir.

Ortalama değerler için:

)

ile ifade edilir. Bu bağıntıların doğru sonuç veren uygulamaları bize U,V,W ortalama değerlerin ve türbülansın u'2,v'2,w'2,u'v,'u'w,'v'w' altı karakteristik büyüklüğünün belirlenmesine izin verecektir.

3.5.2 Sistemin eksenlerinin seçilmesi

Hızın (V,W) iki bileĢeninin, (U)üçüncüye göre çizilmesi zayıf bir olasılık taĢıdığı için aĢağıdaki gibi OX,OY,OZ eksenleri tanımlanmıĢtır:

-OX Ekseni kanal ekseni üzerinde ya da akıĢın temel yönünde α1 açısı kadar eğilmiĢtir.

-OX eksenlerine dik düzlemde olan OY ve OZ eksenleri, OX eksenini içeren yatay düzleme sırasıyla α2 ve α2+

2kadar eğilmiĢtir.

Koordinat değiĢikliği formülleri ya da gerilimsel değiĢiklik, eksenin diğer bir sistem eksenine geçmesini mümkün kılar. Özellikle kanalla iliĢkili olan OL1L2L3 ve OL₁ sistemleri kullanılabilir . Testlerin büyük kısmında α ve α₂ açıları sırasıyla 30^o ve 60^o değerinde uygulanmıĢtır.

Bundan baĢka ölçüm ucu desteğinin ekseni OX ekseniyle çakıĢtırılmıĢtır.

Seçilen ölçüm ucu tipine göre α için 45^o sabit değeri elde edilmiĢtir. OX etrafında döndürmek suretiyle açısı sonuç olarak herhangi bir değer alabilir.

3.5.3 Ortalama U,V,W değerlerinin belirlenmesi

1,2,3,4 ile gösterilen büyüklükler, ölçüm ucunun sırasıyla , 1=

4, 2=

4, 3=5 4 ,

4=7

4ile tanımlanan özel konumlarına karĢılık gelir. Belli bir α= 45^o sabit değeri, W

, V ,

U ortalama değerlerinin belirlenmesine izin veren aĢağıdaki sisteme ulaĢtırır.

)

3.5.4. Türbülans kesme gerilmelerinin ^u,'v,'w' bileĢenlerinin belirlenmesi

SadeleĢtirme ile, dalgalanmalarının ortalama değerlerin yerini aldığı, yukarıdaki denklem sistemine benzer denklemler sistemi elde edilir.

'

3.5.5 Türbülans kesme gerilmelerinin u'2,v'2,w'2 bileĢenlerinin belirlenmesi Ayrıntılı bir hesaplama gösterir ki ölçülmek istenen bu

büyüklüğünün ikisini üçüncüye göre belirler. Hesabı yapan kimse, aĢırı yüksek olmayan türbülans seviyeleri için, dalgalanmalara benzer Ģekilde aĢağıdaki kinetik enerji denklemini de hesaba katar:

'2

Sıcak-telin normali ile ani hız vektörü arasındaki değiĢimlerin (i) açısı ihmal edilir. Bu kabul, özellikle 2 = 3 /4 konumunun civarında, (i)‘ nin sıfıra yakın olduğu ( hız vektörü sıcak-tele dik) durumlarda doğru sonuçlar verir. Böylece aranan üç büyüklüğün tahminine izin veren ilave denklem ve buna bağlı iki tamamlayıcı denklem elde edilir

'2

3.5.6 Ölçüm hatalarının araĢtırılması

Olası ölçüm hatalarının ana nedenleri:

1- ve açılarındaki değiĢmeler yüzünden sıcak-telin konumundaki hatalar; 2- hassas eleman ve ona bağlı algılayıcılar arasındaki etkileĢim; 3- Düzeltme sabitinin hatalı olması. 4-Sıcak-tele paralel hız bileĢeninin etkisi, olarak özetlenebilir.

Sonuç olarak yeterli bir doğruluk elde edilmeyeceği düĢünülerek gerekli sayıda önlemler ayrıca tekrar alınmıĢtır. Sıcak-tel ile ölçülen ortalama değerlerle, prandtl tüpüyle elde edilenlerin bir kıyaslaması yapıldığında, genellikle hataların %10 dan daha az olduğu gösterilmiĢtir.