Anémomètre à fil chaud

Définition

Un anémomètre à fil chaud est un dispositif utilisé pour mesurer la vitesse et la direction d'un écoulement de fluide en quantifiant la perte de chaleur d'un fil chauffé exposé au flux de fluide. Le fil est chauffé par un courant électrique, et son changement de température — causé par le transfert de chaleur au fluide — sert d'indicateur des caractéristiques de l'écoulement.

Lorsque le fil chauffé est placé dans le flux de fluide, la chaleur est convectée du fil vers le fluide, entraînant une baisse de la température du fil. Le changement de résistance électrique du fil (en raison de la variation de température) est directement lié à la vitesse d'écoulement du fluide, permettant ainsi la mesure de la vitesse.

Basé sur le principe du transfert de chaleur d'un objet à haute température vers un fluide à basse température, l'anémomètre à fil chaud est largement utilisé comme outil de recherche en mécanique des fluides pour étudier les dynamiques d'écoulement complexes.

Construction

Un anémomètre à fil chaud comprend deux composants principaux :

• Fil Conducteur
  

• Un fil fin et résistif (par exemple, platine, tungstène) logé dans une sonde en céramique ou métallique.

• Le fil est exposé au flux de fluide, où il agit à la fois comme chauffage et capteur de température.

• Les fils qui en partent s'étendent depuis la sonde pour se connecter à la circuiture de mesure.

• Circuit de Pont de Wheatstone

• Un circuit électrique de précision utilisé pour mesurer les changements minimes de la résistance du fil.

• Le pont est calibré pour détecter les variations de résistance causées par la perte de chaleur au fluide, traduisant ces variations en lectures de vitesse d'écoulement.

Fonctionnement : Méthode du Courant Constant

• Installation : La sonde de l'anémomètre est positionnée dans le flux de fluide dont la vitesse doit être mesurée.

• Chauffage du Fil : Un courant électrique constant est passé à travers le fil conducteur, le chauffant à une température supérieure à celle du fluide.

• Transfert de Chaleur : Lorsque le fluide s'écoule sur le fil, il emporte de la chaleur, abaissant la température du fil. Des débits plus rapides augmentent la perte de chaleur, entraînant une plus grande baisse de température.

• Mesure de Résistance : Le pont de Wheatstone surveille la résistance du fil, qui diminue avec la température (pour la plupart des métaux). Le circuit du pont est maintenu à une tension constante, permettant de corrélater les changements de résistance avec la vitesse du fluide via des relations pré-calibrées.

Applications Clés

• Recherche en aérodynamique, hydrodynamique et écoulement de couche limite.

• Mesure industrielle de l'écoulement dans les pipelines, les systèmes HVAC et les souffleries.

• Études environnementales du mouvement des fluides dans les océans, atmosphères et systèmes biologiques.

Avantages

• Haute sensibilité aux fluctuations rapides de l'écoulement (idéal pour l'analyse des écoulements turbulents).

• Conception compacte permettant des mesures dans des espaces confinés.

• Mesure directe de la vitesse et de la direction de l'écoulement avec une orientation appropriée de la sonde.

Lorsque le fil chauffé est placé dans un flux de liquide, la chaleur est transférée du fil au fluide. La quantité de chaleur dissipée est directement proportionnelle à la résistance du fil. À mesure que la perte de chaleur diminue, la résistance du fil diminue également. Le pont de Wheatstone mesure ces variations de résistance, qui sont ensuite corrélatées à la vitesse du liquide.

Méthode de Température Constante

Dans cette configuration, un courant électrique chauffe le fil. Lorsque le fil chaud est exposé à un flux de fluide, la chaleur est transférée du fil au fluide, entraînant un changement de température — et donc de résistance — du fil. La méthode repose sur le principe de maintien de la température du fil constante malgré la perte de chaleur.

Un mécanisme de rétroaction ajuste en temps réel le courant électrique à travers le fil pour compenser la dissipation de chaleur. Le courant total nécessaire pour restaurer et maintenir la température initiale du fil est directement proportionnel à la vitesse du fluide : des débits plus rapides nécessitent des courants plus élevés pour compenser la perte de chaleur accrue. Cela permet une mesure précise de la vitesse du gaz ou du liquide en corrélant les ajustements de courant avec la dynamique de l'écoulement.

Mesure du Débit de Fluide à l'Aide d'un Anémomètre à Fil Chaud

Dans un anémomètre à fil chaud, un courant électrique chauffe un fil fin placé dans un flux de fluide. Le circuit de pont de Wheatstone est utilisé pour mesurer la température du fil en surveillant sa résistance électrique, car la résistance varie avec la température.

Pour la méthode de température constante (un mode de fonctionnement courant), la température du fil est maintenue à un niveau fixe malgré la perte de chaleur au fluide. Un mécanisme de rétroaction ajuste en temps réel le courant de chauffage pour compenser la dissipation de chaleur, assurant que le pont reste équilibré. L'intensité du courant de chauffage nécessaire pour maintenir cette température constante est directement proportionnelle à la vitesse du fluide, permettant une mesure précise de la vitesse.

Une résistance standard est connectée en série avec le fil de chauffage. Le courant passant à travers le fil peut être déterminé en mesurant la chute de tension sur la résistance, qui est mesurée avec précision à l'aide d'un potentiomètre.

La perte de chaleur du fil chauffé peut être quantifiée à l'aide de l'équation suivante :

Où :

• v = vitesse de l'écoulement du fluide,

• ρ = densité du fluide,

• a et b = constantes dépendantes des dimensions, des propriétés physiques du fluide et du fil.

En supposant que I est le courant à travers le fil et R est sa résistance, à l'équilibre :

La résistance et la température de l'instrument sont maintenues constantes pour mesurer le débit du fluide en mesurant le courant I.

Cette configuration utilise la relation entre la vitesse du fluide, le transfert de chaleur et la résistance électrique pour fournir des données de débit dynamique précises dans diverses applications, de la recherche en laboratoire au contrôle de processus industriels.

En exploitant l'interaction entre le transfert de chaleur, la résistance électrique et la dynamique des fluides, l'anémomètre à fil chaud reste un outil fondamental pour la caractérisation précise de l'écoulement dans les disciplines scientifiques et d'ingénierie.