Investigation of the Frequency Response of Constant Voltage Anemometers in Turbulent Flows

A commercially available anemometer system considered as a prototype, the constant voltage anemometer (CVA), is presented and its working principle is studied and analyzed. We detail the different procedures and corrections that have to be applied to voltage signals to deduce corresponding velocity signals, including the effect of the thermal inertia of the sensor. Results are compared to another anemometer system widely used in research and industry, the constant temperature anemometer (CTA), for validation requirements. Measurements are performed in the turbulent region of a subsonic axisymmetric jet and include mean velocities, root-mean-square (rms) values of velocity fluctuations and power spectral densities. In the same range of operation, we show that the two instruments give similar results. The CVA anemometer slightly underestimates the rms velocity values given by the CTA anemometer which is attributed to a non-linear effect. We show that the cut-off frequency of the CVA system is higher than the more commonly used CTA system, and that the electronic noise level is lower. The constant voltage anemometer is thus an excellent alternative to the constant temperature anemometer for low turbulent flows with rich frequency content, such as supersonic and hypersonic flows.

Résumé

Un prototype d'anémomètre disponible dans le commerce, l'anémomètre à voltage constant (CVA), est présenté et son principe de fonctionnement est étudié et analysé. Nous détaillons les différentes procédures et corrections qui doivent être appliquées aux signaux de tension afin d'obtenir les signaux de vitesse correspondant, et cela inclut l'inertie thermique du capteur. Les résultats sont comparés à un autre type d'anémomètre très répandu en recherche et dans l'industrie, l'anémomètre à température constante (CTA), à des fins de validation. Les mesures sont effectuées dans la région turbulente d'un jet turbulent axisymétrique, et incluent des vitesses moyennes, des écarts-types de fluctuations de vitesse et des densités spectrales d'énergie. Sur une même plage d'opération, nous montrons que les deux systèmes donnent des résultats similaires. Le CVA sous-estime légèrement les écarts-types de vitesse donnés par le CTA, ce qui est attribué a un effet non-linéaire. Nous montrons que la fréquence de coupure du CVA est plus élevée que le plus couramment utilisé CTA, et que le bruit électronique est plus faible. L'anémomètre à voltage constant offre donc une excellente alternative à l'anémomètre à température constante pour les écoulements faiblement turbulents dont le contenu fréquentiel est riche, comme les écoulements supersoniques et hypersoniques.