אנמומטר חוט חם

הגדרה

אנימומטר חוט חם הוא מכשיר המשמש למדידת מהירות וכיוון זרימת נוזל על ידי מדידת איבוד החום מחוט חם המותח בזרם הנוזל. החוט מתחמם באמצעות זרם חשמלי, והשינוי בטמפרטורתו - הנגרם על ידי העברת חום לנוזל - משמש כגורם מודד לתכונות הזרימה.

כאשר החוט החם מונח בנוזל, החום מתפזר מהחוט לנוזל, גורם להורדת הטמפרטורה של החוט. השינוי בהתנגדות החשמלית של החוט (בגלל שינוי הטמפרטורה) קשור ישירות למהירות הזרימה של הנוזל, מאפשר מדידת מהירות.

מבוסס על עקרון העברת חום מאובייקט בטמפרטורה גבוהה לנוזל בטמפרטורה נמוכה, האנימומטר החוט החם נמצא בשימוש נרחב כאביזר מחקר במכניקת נוזלים לחקר דינמיקת זרימה מורכבת.

בניה

אנימומטר חוט חם כולל שני רכיבים עיקריים:

• חוט מוליך
  

• חוט דק ומוליך (לדוגמה, פלטינה, טונגסטן) בתוך צונד קרמי או מתכתי.

• החוט מותח בזרם הנוזל, שם הוא פועל גם כמחמם וגם כמגש טמפרטורה.

• הendraconductors from the wire extend from the probe to connect to the measurement circuitry.

• מעגל הגשר וויטסטון

• מעגל חשמלי מדויק המשמש למדידת שינויים קטנים בהתנגדות החוט.

• הגשר מכוון לזהות שונות בהתנגדות הנגרמת מאיבוד חום לנוזל, מעביר את אלו למדידות מהירות זרימה.

פעולת: שיטה עם זרם קבוע

• התקנה: הצונד של האנימומטר מוצב בזרם הנוזל שמהירותו צריכה להיות מודדת.

• החממה החוט: זרם חשמלי קבוע עובר דרך החוט המוליך, מחמם אותו לטמפרטורה גבוהה יותר מהנוזל.

• העברת חום: כאשר הנוזל זורם מעל החוט, הוא מעביר חום, מוריד את טמפרטורת החוט. מהירויות זרימה מהירות מגבירות את איבוד החום, מובילות לעליה גדולה יותר בהורדת הטמפרטורה.

• מדידת התנגדות: הגשר וויטסטון מפקח על ההתנגדות של החוט, שהיא יורדת עם הטמפרטורה (עבור רוב המתכות). המעגל הגשר נשמר במתח קבוע, מאפשר לקשר שינויים בהתנגדות עם מהירות הנוזל דרך קשרים שהוכנו מראש.

יישומים עיקריים

• מחקר באווירודינמיקה, הידרודינמיקה וזרימת שכבה גבולית.

• מדידת זרימה תעשייתית בצינורות, מערכות HVAC ומנהרות רוח.

• מחקרים סביבתיים של תנועת נוזלים באוקיינוסים, אטמוספרות ומערכות ביולוגיות.

יתרונות

• רגישות גבוהה לשינויים מהירים בזרימה (מתאים לנתח זרימה טורבולנטית).

• עיצוב קומפקטי מאפשר מדידה במרחבים מצומצמים.

• מדידה ישירה של מהירות וכיוון הזרימה עם מכוון צונד מתאים.

כאשר החוט החם מותח בזרם נוזל, החום עובר מהחוט לנוזל. הכמות של החום שנפלט היא פרופורציונלית להתנגדות החוט. ככל שאיבוד החום יורד, כך גם התנגדות החוט יורד בהתאם. הגשר וויטסטון מודד את השינויים בהתנגדות, שאותם מקשרים למהירות הזרימה של הנוזל.

שיטת טמפרטורה קבועה

בקונפיגורציה זו, זרם חשמלי מחמם את החוט. כאשר החוט החם מותח בזרם נוזל, החום עובר מהחוט לנוזל, גורם לשינוי בטמפרטורת החוט - ועל כן, בהתנגדותו. השיטה מבוססת על עיקרון שמירת טמפרטורת החוט קבועה למרות איבוד החום.

מנגנון משוב מכוון את הזרם החשמלי דרך החוט בזמן אמת כדי להתנגד לאיבוד החום. הסך כל הזרם הנדרש כדי להחזיר ולשמור על טמפרטורת החוט הראשונית הוא פרופורציונלי למהירות הזרימה של הנוזל: מהירויות זרימה מהירות דורשות זרמים גבוהים יותר כדי לפצות על איבוד חום מוגבר. זה מאפשר מדידה מדויקת של מהירות גז או נוזל על ידי הקישתJUSTIFICATION OF CURRENT ADJUSTMENTS WITH FLOW DYNAMICS.

מדידת מהירות זרימת נוזל באמצעות אנימומטר חוט חם

באנימומטר חוט חם, זרם חשמלי מחמם חוט דק מותח בתוך זרם נוזל. מעגל הגשר וויטסטון משמש למדידת טמפרטורת החוט על ידי פיקוח על ההתנגדות החשמלית שלו, שהתנגדות משתנה עם הטמפרטורה.

בשיטה של טמפרטורה קבועה (מצב פעולה נפוץ), טמפרטורת החוט נשמרת ברמה קבועה למרות איבוד החום לנוזל. מנגנון משוב מכוון את זרם ההתחממות בזמן אמת כדי להתנגד לאיבוד החום, מבטיח שהגשר נשאר מאוזן. הגודל של זרם ההתחממות הנדרש כדי לשמור על טמפרטורה קבועה הוא פרופורציונלי למהירות הזרימה של הנוזל, מאפשר מדידה מדויקת של מהירות.

התנגדות סטנדרטית מחוברת בטור עם החוט ההתחממות. הזרם העובר דרך החוט ניתן לקביעת על ידי מדידת ירידת המתח על ההתנגדות, שמתבצעת בצורה מדויקת באמצעות פוטנציאומטר.

איבוד החום מהחוט החם יכול להיות מוקפד באמצעות המשוואה הבאה:

כאשר:

• v = מהירות זרימת הנוזל,

• ρ = צפיפות הנוזל,

• a ו- b = קבועים תלויים בממדים, תכונות פיזיות של הנוזל והחוט.

בהנחה כי I הוא הזרם דרך החוט ו- R היא ההתנגדות שלו, בתמיד:

התנגדות וטמפרטורת המכשיר נשמרות קבועות למדידת מהירות הנוזל על ידי מדידת הזרם I.

ההתקנה הזו מנצלת את הקשר בין מהירות הנוזל, העברת חום והתנגדות חשמלית כדי לספק נתונים מדויקים ודינמיים על מהירות זרימה במגוון יישומים, החל ממחקר מעבדה ועד לשליטה בתהליך תעשייתי.

על ידי ניצול הקשר בין העברת חום, התנגדות חשמלית ודינמיקת נוזלים, האנימומטר החוט החם נשאר כלי מרכזי לתיאור מדויק של זרימה במדעים ובנדע"ם הנדסי.