熱線風速計
定義
ホットワイヤーアネモメータは、流体の流れの速度と方向を測定する装置であり、加熱されたワイヤーが流体にさらされることによる熱損失を定量することで測定します。ワイヤーは電流によって加熱され、その温度変化（流体への熱伝達により引き起こされる）は流体の流れ特性の指標となります。
加熱されたワイヤーが流体の流れに置かれた場合、ワイヤーから流体へ熱が対流し、ワイヤーの温度が下がります。ワイヤーの電気抵抗の変化（温度変動による）は流体の流量と直接関連しており、これを利用して速度を測定します。
高温の物体から低温の流体への熱伝達の原理に基づいており、ホットワイヤーアネモメータは流体力学の研究ツールとして広く使用され、複雑な流れのダイナミクスを研究するために用いられます。
構造
ホットワイヤーアネモメータは主に以下の2つの主要な部品で構成されています：
導電ワイヤー
細い抵抗性ワイヤー（例：プラチナ、タングステン）がセラミックまたは金属製プローブ内に収容されています。
ワイヤーは流体の流れに露出し、ヒーターと温度センサーの両方の役割を果たします。
ワイヤーからのリード線はプローブから延びて測定回路に接続されます。
ウェイストン電橋回路
ワイヤーの抵抗の微小な変化を測定するために使用される精密な電気回路です。
ブリッジは、流体への熱損失によって引き起こされる抵抗の変動を検出し、これらの変動を流速の読み取りに変換します。
動作：一定電流法
主な応用
利点
加熱されたワイヤーが液体の流れに置かれた場合、ワイヤーから液体へ熱が伝わります。放出される熱量はワイヤーの抵抗と直接比例します。熱損失が減少すると、ワイヤーの抵抗もそれに応じて減少します。ウェイストン電橋はこれらの抵抗変動を測定し、それを液体の流量と関連付けています。
一定温度法
この構成では、電流によってワイヤーが加熱されます。熱いワイヤーが流体の流れにさらされると、ワイヤーから流体へ熱が伝わり、ワイヤーの温度が変化します—結果として抵抗も変化します。この方法は、熱損失にもかかわらずワイヤーの温度を一定に保つという原則に基づいています。
フィードバック機構がワイヤーを通る電流をリアルタイムで調整し、熱散逸を相殺します。ワイヤーの初期温度を復元および維持するために必要な総電流は、流体の流量と直接比例します：より高速な流れでは、増加した熱損失を補うためにより高い電流が必要になります。これにより、電流の調整と流れのダイナミクスを関連付けてガスまたは液体の速度を正確に測定することができます。
ホットワイヤーアネモメータを使用した流体の流量測定
ホットワイヤーアネモメータでは、細いワイヤーが流体の流れ内に配置され、電流によって加熱されます。ウェイストン電橋回路を使用してワイヤーの温度を測定し、抵抗が温度とともに変化することを利用します。
一定温度法（一般的な動作モード）では、ワイヤーの温度は流体への熱損失にもかかわらず一定に保たれます。フィードバック機構がリアルタイムで加熱電流を調整し、熱散逸を相殺し、ブリッジがバランスを保つようにします。一定温度を維持するために必要な加熱電流の大きさは、流体の流量と直接比例します。これにより、正確な速度測定が可能になります。
標準抵抗器が加熱ワイヤーと直列に接続されています。ワイヤーを通過する電流は、抵抗器の電圧降下を測定することで決定できます。これはポテンショメータを使用して正確に測定されます。
加熱されたワイヤーからの熱損失は以下の式で量化できます：
ただし：
v = 流体の流れの速度、
ワイヤーを通る電流を I、その抵抗を R とした場合、平衡状態では：
装置の抵抗と温度は一定に保たれており、電流 I を測定することで流体の速度を測定します。
このセットアップは、流体の速度、熱伝達、電気抵抗の間の関係を活用して、様々なアプリケーションで正確かつ動的な流量データを提供します。実験室の研究から工業プロセス制御まで幅広く利用されます。
熱伝達、電気抵抗、流体力学の相互作用を活用することで、ホットワイヤーアネモメータは科学および工学分野で正確な流れの特徴付けを行うための基盤となるツールとなっています。
おすすめ
