آنمومتر سیم داغ

تعریف

دستگاه آنومتر سیم داغ برای اندازه‌گیری سرعت و جهت جریان مایع با کمی‌سازی حرارت از دست رفته از یک سیم گرم در معرض جریان مایع استفاده می‌شود. سیم با جریان الکتریکی گرم می‌شود و تغییر دما آن - که ناشی از انتقال حرارت به مایع است - به عنوان نشانه‌ای از ویژگی‌های جریان عمل می‌کند.

هنگامی که سیم گرم در معرض جریان مایع قرار می‌گیرد، حرارت از طریق همرفت از سیم به مایع منتقل می‌شود و دمای سیم کاهش می‌یابد. تغییر مقاومت الکتریکی سیم (به دلیل تغییر دما) مستقیماً با سرعت جریان مایع مرتبط است که این امر امکان اندازه‌گیری سرعت را فراهم می‌کند.

آنمومتر سیم داغ بر اساس اصل انتقال حرارت از یک شیء با دمای بالا به یک مایع با دمای پایین عمل می‌کند و به طور گسترده‌ای به عنوان ابزار تحقیقاتی در مکانیک سیالات برای مطالعه دینامیک‌های جریان پیچیده استفاده می‌شود.

ساختار

آنمومتر سیم داغ شامل دو مؤلفه اصلی است:

• سیم رسانا
  

• یک سیم رسانای ریز (مانند پلاتین یا تنگستن) که در داخل یک سوند سرامیکی یا فلزی قرار دارد.

• سیم در معرض جریان مایع قرار داده شده که به عنوان گرمکن و حسگر دما عمل می‌کند.

• سیم‌های اتصال از سوند بیرون می‌آیند تا به مدار اندازه‌گیری متصل شوند.

• مدار پل ویتنستون

• یک مدار الکتریکی دقیق برای اندازه‌گیری تغییرات کوچک در مقاومت سیم.

• پل برای تشخیص تغییرات مقاومت ناشی از از دست دادن حرارت به مایع تنظیم شده است که این تغییرات را به خواندن سرعت جریان تبدیل می‌کند.

عملکرد: روش جریان ثابت

• تنظیم: سوند آنمومتر در جریان مایعی که نیاز به اندازه‌گیری سرعت آن وجود دارد قرار داده می‌شود.

• گرم کردن سیم: یک جریان الکتریکی ثابت از طریق سیم رسانا عبور داده می‌شود که آن را به دمایی بالاتر از مایع گرم می‌کند.

• انتقال حرارت: هنگامی که مایع روی سیم جریان می‌یابد، حرارت را از سیم می‌برد و دمای آن کاهش می‌یابد. سرعت‌های جریان سریع‌تر از دست دادن حرارت را افزایش می‌دهند که منجر به کاهش بیشتر دما می‌شود.

• اندازه‌گیری مقاومت: پل ویتنستون مقاومت سیم را که با دما کاهش می‌یابد (برای اکثر فلزات) می‌اندازد. مدار پل در ولتاژ ثابت نگهداری می‌شود که این امر امکان مرتبط کردن تغییرات مقاومت با سرعت مایع را از طریق روابط پیش‌تنظیم شده فراهم می‌کند.

کاربردهای کلیدی

• تحقیقات در زمینه آیرودینامیک، هیدرودینامیک و جریان لایه مرزی.

• اندازه‌گیری جریان صنعتی در لوله‌ها، سیستم‌های HVAC و تونل‌های باد.

• مطالعات محیطی در مورد حرکت مایع در اقیانوس‌ها، جو و سیستم‌های زیستی.

مزایا

• حساسیت بالا به نوسانات سریع جریان (مناسب برای تحلیل جریان آشفته).

• طراحی فشرده که امکان اندازه‌گیری در فضاهای محدود را فراهم می‌کند.

• اندازه‌گیری مستقیم هم سرعت و هم جهت جریان با جهت‌گیری مناسب سوند.

وقتی سیم گرم در جریان مایع قرار می‌گیرد، حرارت از سیم به مایع منتقل می‌شود. مقدار حرارت داده شده مستقیماً متناسب با مقاومت سیم است. هرچه از دست دادن حرارت کاهش یابد، مقاومت سیم نیز کاهش می‌یابد. پل ویتنستون تغییرات مقاومت را اندازه‌گیری می‌کند که سپس با سرعت جریان مایع مرتبط می‌شود.

روش دمای ثابت

در این پیکربندی، یک جریان الکتریکی سیم را گرم می‌کند. وقتی سیم گرم در معرض جریان مایع قرار می‌گیرد، حرارت از سیم به مایع منتقل می‌شود و این امر باعث تغییر در دمای سیم - و در نتیجه مقاومت آن - می‌شود. این روش بر اساس اصل نگهداری دمای سیم ثابت در مقابل از دست دادن حرارت عمل می‌کند.

یک مکانیسم بازخورد جریان الکتریکی را از طریق سیم در زمان واقعی تنظیم می‌کند تا از دست دادن حرارت را جبران کند. مجموع جریان مورد نیاز برای بازگرداندن و حفظ دمای اولیه سیم مستقیماً متناسب با سرعت جریان مایع است: سرعت‌های جریان سریع‌تر نیاز به جریان‌های بالاتر برای جبران از دست دادن حرارت بیشتر دارند. این امر امکان اندازه‌گیری دقیق سرعت گاز یا مایع را با مرتبط کردن تنظیمات جریان با دینامیک‌های جریان فراهم می‌کند.

اندازه‌گیری سرعت جریان مایع با استفاده از آنمومتر سیم داغ

در آنمومتر سیم داغ، جریان الکتریکی یک سیم ریز را که در جریان مایع قرار دارد گرم می‌کند. مدار پل ویتنستون برای اندازه‌گیری دمای سیم با نظارت بر مقاومت الکتریکی آن استفاده می‌شود، زیرا مقاومت با دما تغییر می‌کند.

برای روش دمای ثابت (حالت عملکرد معمول)، دمای سیم در سطح ثابتی حفظ می‌شود در حالی که حرارت به مایع منتقل می‌شود. یک مکانیسم بازخورد جریان گرم‌کننده را در زمان واقعی تنظیم می‌کند تا از دست دادن حرارت را جبران کند و مطمئن شود که پل تعادل دارد. میزان جریان گرم‌کننده مورد نیاز برای حفظ این دمای ثابت مستقیماً متناسب با سرعت جریان مایع است که این امر امکان اندازه‌گیری دقیق سرعت را فراهم می‌کند.

یک مقاومت استاندارد به صورت سری با سیم گرم‌کننده اتصال داده می‌شود. جریان عبوری از سیم می‌تواند با اندازه‌گیری فولت‌افشار روی مقاومت مشخص شود که به صورت دقیق با استفاده از پتانسیومتر اندازه‌گیری می‌شود.

از دست دادن حرارت از سیم گرم می‌تواند با استفاده از معادله زیر کمی‌سازی شود:

که در آن:

• v = سرعت جریان مایع،

• ρ = چگالی مایع،

• a و b = ثابت‌هایی که به ابعاد، ویژگی‌های فیزیکی مایع و سیم بستگی دارند.

با فرض اینکه I جریان عبوری از سیم و R مقاومت آن است، در تعادل: 

مقاومت و دمای دستگاه برای اندازه‌گیری نرخ جریان مایع با اندازه‌گیری جریان I ثابت نگهداری می‌شوند.

این پیکربندی از رابطه بین سرعت مایع، انتقال حرارت و مقاومت الکتریکی برای ارائه داده‌های دقیق و پویای نرخ جریان در برنامه‌های مختلف، از تحقیقات آزمایشگاهی تا کنترل فرآیند صنعتی استفاده می‌کند.

با استفاده از تعامل بین انتقال حرارت، مقاومت الکتریکی و دینامیک‌های مایع، آنمومتر سیم داغ همچنان ابزار بنیادی برای مشخص‌سازی دقیق جریان در رشته‌های علمی و مهندسی است.