חוקרים משתמשים בסימולציה בתוכנת ®COMSOL Multiphysics על מנת לשפר את כיולם של חיישני טמפרטורה

חוקרים משתמשים בסימולציה בתוכנת ®COMSOL Multiphysics על מנת לשפר את כיולם של חיישני טמפרטורה

תפקידם של המדחומים בעולמנו התרחב עם השנים ממודדי טמפרטורה שכיחים באוכלוסיה, לעבר שימוש בתהליכים וטכנולוגיות מתוחכמות ברפואה ובתעשיה. כמו כל מכשיר מדידה, הם מוכרחים להיות מכויילים לפי סולם הטמפרטורה הבינלאומי של 1990 (90-ITS).

תהליך הכיול
סולם 90-ITS מבוסס על נקודות קבועות בהן מתכת טהורה משנה את דרגתה ע”י הינמסות או קיפאון. במהלך השינוי הנל, חום נקלט או משתחרר מהמתכת ללא שינוי הטמפרטורה שלה. בנקודה קבועה מד החום בו מתרחש התהליך מראה את רמת הטמפרטורה שיכולה לשמש כהמלצה מעשית.

סולם ה 90-ITS מוכר למשתמשים במדחומי פלטינה התנגדותיים סטנדרטיים. אלו מכשירים מאוד רגישים אשר מסוגלים למדוד טמפרטורות ברמת דיוק של מיקרוקלווין. מכשיר כזה מתכייל ע”י תא בעל טמפרטורה בלתי משתנה שמשמשת לכיול. זהו כלי שגרתי העשוי גרפיט, שהוא למעשה כלי קיבול אליו נכנס המדחום. בתוך הכלי ישנו חומר בעל רמת טיהור גבוהה מאוד, לרוב 99.9999%.
מקור הנביעה המרכזי מאפשר למדחום להיכנס כך שאלמנט הרגש בתחתית שלו שוקע לגמרי בתוך המתכת המשמשת לכיול. בשלב זה כלי הקיבול ממוקם בתוך כבשן על מנת לאפשר הינמסות וקיפאון מבוקרים של המתכת.
למרות המכשיר בעל הביצועים הגבוהים, אי הודאות של טמפרטורה במהלך הכיול עדיין יכולה להיות ברמה של 1 מילקלווין. לטובת הבנה מעמיקה יותר של ההתנהגות המיקרוסקופית, ג’ונתן פירס, ראש המחלקה למדידת חום בספריה הפיזיקלית הלאומית של אנגליה, פנה לתוכנת ®COMSOL Multiphysics.

בניית סימולציה של חוסר יציבות מורפולוגית
הקפאה או הפיכה למוצק הם תהליכים שהרבה פחות מטופלים ביחס לתהליך הינמסות. לדוגמא, חלק מהאזורים יתמצקו לפני אחרים וכתוצאה מכך משפיעים על טמפרטורת הקיפאון. הסימולציה משתמשת בשיטת שדה השלבים אשר מוטמעת ב- ®COMSOL Multiphysics, ומספקת לחוקרים תובנות מרתקות.

תחת תנאים מסוימים הממשק הנוזלי-מוצק אינו שטוח כלל. כמו בתהליכי קיפאון, נראים לעין גלים על פני השטח. אלו הופכים לתאים אשר נדחפים כלפי חוץ על ידי הקצוות שלהם והופכים לבעלי טמפרטורה נמוכה בהרבה ביחס לשורשים שלהם.
“המטרה העיקרית שלנו הייתה לבצע סימולציה של התנהגות קיפאון ע”י חקירת ההשפעה של מסגרת כבשן בתהליך, והבנה של מה בדיוק מודד החיישן בו נעשה שימוש. המודל עליו עבדנו בסימולציה בתוכנת ®COMSOL Multiphysics העניק לנו אמצעים מעולים להבנת ההשפעה של חום וזרימה בהתפתחות ממשק נוזלי-מוצק”.

דרך סימולציה ניתן לזהות התנהגות ספציפית במערכת אשר קשה לזהות בצורה של ניסוי, ובנוסף הסימולציה תורמת לאי הודאות הכללית של תהליך המדידה. המידע שנאסף דרך הסימולציה ניתן להשתמש בו על מנת לעצב מחדש מכשיר בעל דיוק אולטימטיבי במדידות.

הסיפור נלקח ממגזין 2013 ®COMSOL