مقياس سرعة الهواء الساخن

التعريف

هو جهاز يستخدم لقياس سرعة واتجاه تدفق السائل عن طريق تحديد فقدان الحرارة من سلك مسخن معرض لتيار السائل. يتم تسخين السلك عبر تيار كهربائي، وتغيير درجة حرارته - الناتج عن نقل الحرارة إلى السائل - يُعتبر مؤشراً على خصائص التدفق.

عند وضع السلك المسخن في تيار السائل، يتم نقل الحرارة من السلك إلى السائل مما يؤدي إلى انخفاض درجة حرارة السلك. ترتبط تغييرات المقاومة الكهربائية للسلك (بسبب تغير درجة الحرارة) بشكل مباشر بسرعة تدفق السائل، مما يسمح بقياس السرعة.

يقوم الأنيمومتر ذو السلك الساخن على مبدأ نقل الحرارة من جسم ذات درجة حرارة عالية إلى سائل ذي درجة حرارة أقل، وهو يستخدم بشكل واسع كأداة بحث في ميكانيكا الموائع لدراسة ديناميكيات التدفق المعقدة.

البناء

يتكون الأنيمومتر ذو السلك الساخن من مكونين رئيسيين:

• السلك الموصل
  

• سلك دقيق مقاوم (مثل البلاتين أو التنجستن) محاط بمستشعر خزفي أو معدني.

• يتم تعريض السلك لتيار السائل، حيث يعمل كمصدر للحرارة وكمستشعر للدرجة الحرارة.

• تربط الأسلاك من السلك بالدارة القياسية.

• دائرة الجسر الوهستون

• دائرة كهربائية دقيقة تستخدم لقياس التغييرات الدقيقة في مقاومة السلك.

• تُضبط الدائرة للكشف عن تغيرات المقاومة الناتجة عن فقدان الحرارة إلى السائل، ومن ثم تترجم هذه إلى قراءات سرعة التدفق.

العمل: طريقة التيار الثابت

• الإعداد: يتم وضع مستشعر الأنيمومتر في تيار السائل الذي تحتاج إلى قياس سرعته.

• تسخين السلك: يمر تيار كهربائي ثابت عبر السلك الموصل، مما يسخنه إلى درجة حرارة أعلى من السائل.

• نقل الحرارة: عندما يتدفق السائل فوق السلك، فإنه يحمل الحرارة بعيداً، مما يخفض درجة حرارة السلك. تزيد سرعات التدفق الأسرع من فقدان الحرارة، مما يؤدي إلى انخفاض أكبر في درجة الحرارة.

• قياس المقاومة: تقوم دائرة الجسر الوهستون بمراقبة مقاومة السلك، والتي تنخفض مع درجة الحرارة (لمعظم الفلزات). تُحافظ الدائرة على فولتية ثابتة، مما يسمح بتقديم تغييرات المقاومة مع سرعة السائل عبر العلاقات المُعدة مسبقاً.

التطبيقات الرئيسية

• البحث في الديناميكا الهوائية والهيدروديناميكية وتدفق الطبقة الحدودية.

• قياس التدفق الصناعي في الأنابيب وأنظمة التكييف والتبريد والأنفاق الهوائية.

• دراسات بيئية لحركة السوائل في المحيطات والغلاف الجوي وأنظمة الأحياء.

المزايا

• حساسية عالية للتقلبات السريعة في التدفق (مثالية لتحليل التدفق المتقلب).

• تصميم مدمج يسمح بإجراء القياسات في المساحات الضيقة.

• قياس مباشر لسرعة واتجاه التدفق مع توجيه المستشعر المناسب.

عند وضع السلك المسخن في تيار سائل، يتم نقل الحرارة من السلك إلى السائل. كمية الحرارة المنبعثة تتناسب مباشرة مع مقاومة السلك. مع انخفاض فقدان الحرارة، تنخفض مقاومة السلك بشكل متناسب. تقوم دائرة الجسر الوهستون بقياس هذه التغييرات في المقاومة، والتي يتم بعد ذلك ربطها بسرعة تدفق السائل.

طريقة درجة الحرارة الثابتة

في هذا التكوين، يقوم تيار كهربائي بتسخين السلك. عند تعرض السلك المسخن لتيار سائل، يتم نقل الحرارة من السلك إلى السائل، مما يؤدي إلى تغيير في درجة حرارة السلك - وبالتالي مقاومته. تعمل الطريقة على مبدأ الحفاظ على درجة حرارة السلك ثابتة رغم فقدان الحرارة.

يقوم آلية التغذية المرتدة بتعديل التيار الكهربائي عبر السلك في الوقت الحقيقي لتقويض فقدان الحرارة. يكون التيار الكلي المطلوب لإعادة ودعم درجة حرارة السلك الأولية متناسبًا بشكل مباشر مع سرعة تدفق السائل: تتطلب سرعات التدفق الأسرع تيارات أعلى لتعويض فقدان الحرارة المتزايد. هذا يسمح بقياس دقيق لسرعة الغاز أو السائل من خلال ربط التعديلات في التيار بديناميكيات التدفق.

قياس معدل تدفق السائل باستخدام الأنيمومتر ذو السلك الساخن

في الأنيمومتر ذو السلك الساخن، يقوم التيار الكهربائي بتسخين سلك دقيق موجود داخل تيار سائل. تُستخدم دائرة الجسر الوهستون لقياس درجة حرارة السلك من خلال مراقبة مقاومته الكهربائية، حيث تختلف المقاومة مع درجة الحرارة.

بالنسبة لطريقة درجة الحرارة الثابتة (طريقة التشغيل الشائعة)، يتم الحفاظ على درجة حرارة السلك عند مستوى ثابت رغم فقدان الحرارة إلى السائل. تقوم آلية التغذية المرتدة بتعديل التيار الحراري في الوقت الحقيقي لتقويض فقدان الحرارة، مما يضمن توازن الدائرة. تكون قيمة التيار الحراري المطلوبة لاستمرار هذه درجة الحرارة الثابتة متناسبة بشكل مباشر مع سرعة تدفق السائل، مما يسمح بقياس دقيق للسرعة.

يتم توصيل مقاومة قياسية متسلسلة مع السلك الحراري. يمكن تحديد التيار المار عبر السلك عن طريق قياس الانخفاض في الجهد عبر المقاومة، والذي يتم قياسه بدقة باستخدام بوتنتيوميتر.

يمكن تحديد فقدان الحرارة من السلك المسخن باستخدام المعادلة التالية:

حيث:

• v = سرعة تدفق السائل،

• ρ = كثافة السائل،

• a و b = ثوابت تعتمد على الأبعاد والخصائص الفيزيائية للسائل والسلك.

افتراضًا أن I هو التيار عبر السلك و R هي مقاومته، عند التوازن: 

يتم الحفاظ على المقاومة ودرجة حرارة الجهاز ثابتة لقياس معدل السائل من خلال قياس التيار I.

يعتمد هذا الإعداد على العلاقة بين سرعة السائل ونقل الحرارة والمقاومة الكهربائية لتوفير بيانات دقيقة ومتحركة لمعدل التدفق في تطبيقات متنوعة، من البحث المختبري إلى السيطرة على العمليات الصناعية.

عن طريق الاستفادة من التفاعل بين نقل الحرارة والمقاومة الكهربائية وديناميكيات السائل، يظل الأنيمومتر ذو السلك الساخن أداة أساسية لتحديد التدفق بدقة في المجالات العلمية والهندسية.