เครื่องวัดความเร็วลมแบบใช้สายร้อน

บทนิยาม

เครื่องวัดความเร็วลมแบบสายร้อน (Hot Wire Anemometer) เป็นอุปกรณ์ที่ใช้วัดความเร็วและทิศทางของกระแสของเหลว โดยการวัดความสูญเสียความร้อนจากสายไฟที่ถูกทำความร้อนซึ่งถูกสัมผัสกับกระแสของเหลว สายไฟจะถูกทำความร้อนด้วยกระแสไฟฟ้า และการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิที่เกิดจากการส่งผ่านความร้อนไปยังของเหลวนั้นเป็นตัวบ่งชี้คุณสมบัติของการไหล

เมื่อสายไฟที่ถูกทำความร้อนถูกวางในกระแสของเหลว ความร้อนจะถูกพาไปจากสายไฟไปยังของเหลว ทำให้อุณหภูมิของสายไฟลดลง การเปลี่ยนแปลงความต้านทานไฟฟ้าของสาย (เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ) มีความสัมพันธ์โดยตรงกับอัตราการไหลของของเหลว ทำให้สามารถวัดความเร็วได้

อยู่บนหลักการของการส่งผ่านความร้อนจากวัตถุที่มีอุณหภูมิสูงไปยังของเหลวที่มีอุณหภูมิต่ำ เครื่องวัดความเร็วลมแบบสายร้อนถูกใช้อย่างกว้างขวางในฐานะเครื่องมือวิจัยในกลศาสตร์ของไหลเพื่อศึกษาการไหลที่ซับซ้อน

โครงสร้าง

เครื่องวัดความเร็วลมแบบสายร้อนประกอบด้วยสองส่วนหลัก:

• สายนำไฟฟ้า
  

• สายไฟที่มีความต้านทานละเอียด (เช่น พลัทตินัม ทังสเตน) บรรจุอยู่ภายในโพรบเซรามิกหรือโลหะ

• สายไฟถูกสัมผัสกับกระแสของเหลว ทำหน้าทั้งเป็นฮีทเตอร์และเซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิ

• สายไฟจากโพรบเชื่อมต่อกับวงจรวัด

• วงจรบริดจ์เวทสโตน

• วงจรไฟฟ้าที่มีความแม่นยำสำหรับวัดการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยของความต้านทานของสาย

• วงจรบริดจ์ถูกปรับเทียบเพื่อตรวจจับการเปลี่ยนแปลงความต้านทานที่เกิดจากการสูญเสียความร้อนไปยังของเหลว แล้วแปลงเป็นค่าความเร็วการไหล

การทำงาน: วิธีกระแสคงที่

• การตั้งค่า: โพรบเครื่องวัดความเร็วลมถูกวางในกระแสของเหลวที่ต้องการวัดความเร็ว

• การทำความร้อนสายไฟ: กระแสไฟฟ้าคงที่ถูกผ่านเข้าไปในสายนำไฟฟ้า ทำความร้อนให้มีอุณหภูมิสูงกว่าของเหลว

• การส่งผ่านความร้อน: เมื่อของเหลวไหลผ่านสายไฟ ความร้อนจะถูกพาไป ทำให้อุณหภูมิของสายไฟลดลง อัตราการไหลที่เร็วขึ้นจะทำให้ความร้อนสูญเสียมากขึ้น ทำให้อุณหภูมิลดลงมากขึ้น

• การวัดความต้านทาน: วงจรบริดจ์เวทสโตนตรวจสอบความต้านทานของสายไฟ ซึ่งลดลงตามอุณหภูมิ (สำหรับโลหะส่วนใหญ่) วงจรบริดจ์ถูกควบคุมให้มีแรงดันคงที่ ทำให้การเปลี่ยนแปลงความต้านทานสามารถสัมพันธ์กับความเร็วของของเหลวด้วยความสัมพันธ์ที่ได้รับการปรับเทียบไว้ล่วงหน้า

การใช้งานสำคัญ

• การวิจัยในอากาศพลศาสตร์ น้ำพลศาสตร์ และการไหลขอบเขต

• การวัดการไหลในอุตสาหกรรมในท่อระบบ HVAC และอุโมงค์ลม

• การศึกษาสภาพแวดล้อมของความเคลื่อนไหวของของเหลวในมหาสมุทร บรรยากาศ และระบบชีวภาพ

ข้อดี

• ความไวต่อการเปลี่ยนแปลงการไหลอย่างรวดเร็ว (เหมาะสำหรับการวิเคราะห์การไหลที่ไม่ราบรื่น)

• การออกแบบที่กะทัดรัดทำให้สามารถวัดในพื้นที่แคบได้

• การวัดความเร็วและทิศทางของการไหลโดยตรงด้วยการวางตำแหน่งโพรบอย่างเหมาะสม

เมื่อสายไฟที่ถูกทำความร้อนถูกวางในกระแสของเหลว ความร้อนจะถูกส่งผ่านจากสายไฟไปยังของเหลว ปริมาณความร้อนที่สลายไปมีความสัมพันธ์โดยตรงกับความต้านทานของสาย เมื่อความสูญเสียความร้อนลดลง ความต้านทานของสายไฟก็จะลดลงตามไปด้วย วงจรบริดจ์เวทสโตนวัดการเปลี่ยนแปลงความต้านทานเหล่านี้ แล้วสัมพันธ์กับอัตราการไหลของของเหลว

วิธีอุณหภูมิคงที่

ในการกำหนดค่านี้ กระแสไฟฟ้าทำความร้อนให้กับสาย เมื่อสายไฟร้อนถูกสัมผัสกับกระแสของเหลว ความร้อนจะถูกส่งผ่านจากสายไปยังของเหลว ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของสายไฟ—และผลที่ตามมาคือความต้านทาน วิธีนี้ทำงานบนหลักการของการรักษาอุณหภูมิของสายให้คงที่尽管我已尽力遵循您的指示，但似乎在翻译过程中出现了意外的中断。让我继续完成剩余部分的翻译：

เมื่อสายไฟร้อนถูกสัมผัสกับกระแสของเหลว ความร้อนจะถูกส่งผ่านจากสายไปยังของเหลว ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของสายไฟ—และผลที่ตามมาคือความต้านทาน วิธีนี้ทำงานบนหลักการของการรักษาอุณหภูมิของสายให้คงที่โดยไม่คำนึงถึงความสูญเสียความร้อน

กลไกป้อนกลับปรับกระแสไฟฟ้าผ่านสายในเวลาจริงเพื่อต้านทานการสูญเสียความร้อน กระแสไฟฟ้าทั้งหมดที่จำเป็นในการคืนและรักษาอุณหภูมิเริ่มต้นของสายมีความสัมพันธ์โดยตรงกับอัตราการไหลของของเหลว: อัตราการไหลที่เร็วขึ้นจำเป็นต้องใช้กระแสไฟฟ้าที่สูงขึ้นเพื่อชดเชยการสูญเสียความร้อนที่เพิ่มขึ้น นี่ทำให้สามารถวัดความเร็วของแก๊สหรือของเหลวด้วยความแม่นยำโดยการสัมพันธ์การปรับกระแสไฟฟ้ากับการไหลของของเหลว

การวัดอัตราการไหลของของเหลวด้วยเครื่องวัดความเร็วลมแบบสายร้อน

ในเครื่องวัดความเร็วลมแบบสายร้อน กระแสไฟฟ้าทำความร้อนให้กับสายไฟที่มีขนาดเล็กซึ่งวางอยู่ภายในกระแสของเหลว วงจรบริดจ์เวทสโตนใช้วัดอุณหภูมิของสายไฟโดยการตรวจสอบความต้านทานไฟฟ้าของสาย เพราะความต้านทานมีการเปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิ

สำหรับวิธีอุณหภูมิคงที่ (โหมดการทำงานที่พบบ่อย) อุณหภูมิของสายไฟจะถูกรักษาให้คงที่โดยไม่คำนึงถึงความสูญเสียความร้อนไปยังของเหลว กลไกป้อนกลับปรับกระแสไฟฟ้าทำความร้อนในเวลาจริงเพื่อต้านทานการสูญเสียความร้อน ทำให้วงจรบริดจ์คงที่ กระแสไฟฟ้าทำความร้อนที่จำเป็นในการรักษาอุณหภูมิคงที่นี้มีความสัมพันธ์โดยตรงกับอัตราการไหลของของเหลว ทำให้สามารถวัดความเร็วด้วยความแม่นยำได้

ตัวต้านทานมาตรฐานถูกเชื่อมต่อด้วยสายไฟทำความร้อน กระแสไฟฟ้าที่ผ่านสายสามารถวัดได้โดยการวัดแรงดันตกคร่อมตัวต้านทาน ซึ่งวัดได้อย่างแม่นยำโดยใช้โพเทนเทียมิเตอร์

ความสูญเสียความร้อนจากสายไฟที่ถูกทำความร้อนสามารถวัดได้โดยใช้สมการต่อไปนี้:

เมื่อ:

• v = ความเร็วของกระแสของเหลว,

• ρ = ความหนาแน่นของของเหลว,

• a และ b = ค่าคงที่ที่ขึ้นอยู่กับขนาด คุณสมบัติทางกายภาพของของเหลว และสายไฟ

โดยที่ I เป็นกระแสไฟฟ้าผ่านสาย และ R เป็นความต้านทานของสาย ที่ภาวะสมดุล:

ความต้านทานและความร้อนของเครื่องมือนั้นถูกรักษาให้คงที่สำหรับการวัดอัตราการไหลของของเหลวด้วยการวัดกระแส I

การตั้งค่านี้ใช้ความสัมพันธ์ระหว่างความเร็วของของเหลว การส่งผ่านความร้อน และความต้านทานไฟฟ้าเพื่อให้ข้อมูลอัตราการไหลที่แม่นยำและไดนามิกในแอปพลิเคชันต่างๆ ตั้งแต่การวิจัยในห้องปฏิบัติการไปจนถึงการควบคุมกระบวนการในอุตสาหกรรม

โดยใช้การสัมพันธ์ระหว่างการส่งผ่านความร้อน ความต้านทานไฟฟ้า และพลศาสตร์ของของเหลว เครื่องวัดความเร็วลมแบบสายร้อนยังคงเป็นเครื่องมือหลักในการวัดความเร็วการไหลอย่างแม่นยำในสาขาวิทยาศาสตร์และวิศวกรรม