هات وایر ؛ وسیله ای برای اندازه گیری سرعت جریان سیالات

هات وایر یا سیم داغ (Hot Wire) یکی از وسایل اندازه گیری سرعت جریان سیالات است که اغلب در کارهای تحقیقاتی و در علوم هوا فضا، هواشناسی، هیدرولیک و دریانوردی به منظور مطالعه تغییرات سریع شرایط جریان به کار برده می شود. ممکن است در برخی سایت ها و منابع نیز به هات وایر تحت عنوان بادسنج بربخورید که برای اندازه گیری مجاری تهویه مطبوع و سایر منافذ کوچک از آن استفاده می شود. در سرعت های خیلی کم باد، می توان از دماسنج استفاده کرد. ولی به طور کلی هات وایر ابزاری است که قابلیت اندازه گیری با پروب تلسکوبی برای مجراهای هوا را دارد.

هات وایر در کنار سایر دستگاه های اندازه گیری دیگر مانند پروب، لیزر داپلر می تواند مورد استفاده در اندازه گیری سرعت لحظه ای جریان قرار گیرد. از مزایای این دستگاه می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• یک اندازه گیر خوب است.
• دارای دقت بالا در عملکرد، در جریان های آشفته
• دقت بالا و قابلیت مناسب آن در محاسبه نواسات جریان می توان وجه تمایز آن از سایر وسایل اندازه گیری باشد.

از طرفی وات وایر ها معایبی هم دارند که عبارتند از:

• قیمت بالا
• نیاز به کالیبراسیون
• ظرافت و حساسیت زیاد
• در ضمن دقت نتایج برداشت شده از این وسیله در جریان های آشفته نیاز به تخصص کاربر در تشخیص ابعاد سه گانه نوسانات جریان نسبت به بردار معادل مسیر جریان دارد. به عبارت دیگر هات وایر وسیله ای است بسیار حرفه ای و برداشت نتایج از آن مستلزم دانش کافی و وجود فرد متخصص است.

مکانیزم اندازه گیری در هات وایر

در این وسیله یک سیم باریک (سنسور) توسط جریان الکتریکی داغ شده و در مسیر جریان سیال شامل مایعات یا گازها قرار می گیرد. میزان سرعت سیال با میزان هدر رفت انرژی گرمایی از سیم ارتباط مستقیم دارد به عبارت دیگر هرچه دمای سیم داغ کمتر گردد میزان سرعت سیال نیز افزایش می یابد. هات وایر ها معمولا از جنس پلاتین یا تنگستن ساخته می شوند. شکل زیر شمایی از یک وات وایر است که جریان سیال عبوری از آن را مشاهده می کنید.

کینگ رابطه ای به صورت زیر برای تعیین ارتباط سرعت جریان با پارامترهای فیزیکی هات وایر ارائه داد که در آن q شدت انتقال گرما، T_w دمای سیم، T_f دمای سیال، u سرعت جریان سیال و a و b مقادیر ثابتی هستند که از کالیبراسیون دستگاه حاصل می گردند. قابل ذکر است که مقدار h=a+b.uc=0.5 به عنوان ضریب انتقال حرارت مرسوم است.

کینگ همچنین در رابطه ای دیگر شدت انتقال گرما از سیم به محیط سیال را به صورت فرمول زیر ارائه داد که در آن R_w مقاومت الکتریکی سیم و I شدت جریان الکتریکی سیم می باشد که الته می توان مقاومت الکتریکی سیم را نیز از رابطه زیر بدست آورد که در آن R_ref مقاومت سیم در دمای مرجع (T_ref) و a ثابت مقاومت دمایی سیم است.

در هات وایر ابعاد سنسور در طول و قطر به ترتیب 0.5 تا 2 میلی متر و 1 تا 10 میکرون است. جنس این سنسور عموما از پلاتین با درجه خلوص بیشتر از 99 درصد یا از تنگستن می باشد. اصول کارکرد هات وایر از این قرار است که سیم رسانای بسیار نازک آن در یک مدار الکتریکی ویژه ای به نام پل ویتسون که شامل سه مقاومت ساده و دو عدد مقاومت متغیر است قرار می گیرد. جریان وارد شده به این مدار از یک منبع جریان مستقیم تغذیه می کند. با برقراری جریان الکتریکی در این مدار، هات وایر داغ شده و با قرار گرفتم این سیم در محیط خاص تحت جریان ثابتی قرار می گیرد.

هنگامی که سیم داغ شده در مسیر جریان سیال قرار می گیرد به دلیل اختلاف دمای سیم با سیال، شروع به از دست دادن گرما می کند. با توجه به این که مقاومت الکتریکی بسیاری از فلزات (از جمله پلاتین و تنگستن) به دمای آن ها وابسته است و از طرفی نرخ سرد شدن سنسور به تعداد برخورد مولکول های سیال به سیم داغ بستگی دارد (از اتلاف گرمای سیم به صورت تابش های الکترومغناطیسی به دلیل سطح تابشی ناچیز آن چشم پوشی می شود) می توان رابطه ای منطقی میان سرعت جریان سیال و مقاومت الکتریکی سیم تعیین نمود.

انواع هات وایر

راه های متفاوتی برای برقراری این رابطه وجود دارد و بر همین اساس دستگاه های وات وایر را به چهار دسته تقسیم می کنند:

1. هات وایر با شدت جریان ثابت (Constant – Current Anemometers): در این نوع هات وایر ها که به آن ها CCA2 نیز اطلاق می شود با شدت جریان ثابت در مدار جریان قرار می گیرد و سرعت جریان به وسیله اندازه گیری میزان مقاومت سیم که به دمای آن بستگی دارد، توسط یک ولت سنج اندازه گیری می شود.
2. هات وایر با اختلاف پتانسیل ثابت (Constant – Voltage Anemometers): در این نوع هات وایر ها که به آن ها CVA23 نیز اطلاق می شود یک تغذیه کننده با اختلاف پتانسیل ثابت در مدار جریان قرار می گیرد و سرعت جریان به وسیله اندازه گیری میزان مقاومت سیم که بستگی به دمای آن دارد توسط یک اهم متر دیجیتال سنجیده می شود.
3. هات وایر با دمای ثابت (Constant – Temperature Anemometers): این نوع هات وایر ها که CTA24 نیز نامیده می شوند، مشابه CCA می باشد با این تفاوت که در این نوع وسیله دمای سنسور همواره ثابت بوده و میزان اختلاف پتانسیل مورد نیاز برای این کار مبنای سنجش سرعت سیال است.
4. مدولاسیون پالس های عرضی (Pulse – Width Modulation): در این نوع هات وایر ها که PWM25 نیز نامیده می شوند، همان گونه که قبلا گفته شد از اصول و روابط ذکر شده پیروی می کنند با این تفاوت که هیچ یک از موارد سه گانه اخیر، شدت جریان سیال، دما و ولتاژ در آن ثابت نمی باشند و با اندازه گیری زمان بین پالس های جریان سیال که در مدار برقرار می گردد برای تعیین سرعت جریان استفاده می شود.

هات وایر به دلیل اندازه گیری بسیار دقیق سرعت جریان سیال و توانایی ثبت فرکانس های بسیار بالای تغییرات جریان نسبت به دیگر وسایل اندازه گیری در مسائل هیدرودینامیکی برتری دارد؛ به همین دلیل این وسایل برای مطالعه جریان های بسیار آشفته به طور وسیعی در دنیا مورد استفاده قرار می گیرند.