اندازه گیری سرعت و دبی

-1- اندازه گیری سرعت و دبی (Velocity & Flow Measurment)

کنترل سرعت به عنوان یکی از سنجش های پایه ای در سیالات است. به وسیله ی اندازه گیری سرعت عبوری از یک مقطع مشخص می توان به اندازه ی دبی سیال در آن نقطه دست یافت و همچنین با استفاده از رابطه ی برنولی و دانستن چگالی سیال می توان به سرعت در سایر نقاط در مسیر جریان دست یافت. وسایل گوناگون و ارزان موجود برای اندازه گیری مقدار سرعت را می توان برای بدست آوردن اطلاعات در جریان های دارای موج های غیر در هم و تغییرات آهسته به کار برد. برای نمونه گیری از نوسانات موجی و در هم که سرعت زیاد دارند لازم است دقت نمونه برداری بیشتر باشد. در بسیاری از کاربردهای اندازه گیری سرعت که به منظور کالیبراسیون دستگاه های دبی سنج انجام می شود، فقط اولین سطح اندازه گیری سرعت ضرورت دارد. [6] از آنجایی که شباهت میان دستگاه های دبی سنجی سرعت سنجی زیاد است ، گونه های این دو وسیله ی اندازه گیری را در این بخش با هم می آوریم:

3-1-1- لوله ی پیتوت (Pitot tube)

لوله پیتوت یکی از دقیق ترین روش های اندازه گیری سرعت می باشد. [6] از لوله های پیتوت ، برای اندازه گیری سرعت و فشارهای موضعی سیال استفاده می شود. همچنین از آن ها برای اندازه گیری دبی سیالات برای آزمایش ها ، مطالعات تحقیقاتی ، و کاربردهای مشابه استفاده می شود. نوع خاصی از لوله های پیتوت برای اندازه گیری سرعت در هواپیما استفاده می شود.

اساسا یک لوله پیتوت با تعیین اختلاف بین فشار کل (هد کل) و یا فشار ضربه ای (Impact Pressure) و فشار استاتیک ، اندازه گیری سرعت و دبی را انجام می دهد. اختلاف فشار های مذکور که فشار سینتیک نامیده می شود ، به وسیله ی رابطه ای که از قانون برنولی بدست می آید با سرعت ارتباط پیدا می کند. پس برای پیدا کردن فشار دینامیکی (جنبشی) و در نتیجه بدست آوردن سرعت در نقطه ی معینی از خطوط جریان سیال ، ضروری است تا اختلاف بین فشار استاتیک و فشار کل (فشار ضربه ای) مشخص شود. فشار کل به وسیله ی لوله ی فشار کل یا لوله ی فشار (Pressure Tube) اندازه گرفته می شود. لوله ی فشار به صورتی نصب می شود که سطح دهانه ی آن روبروی خطوط جریان سیال قرار گیرد و فشار استاتیک به وسیله ی یک یا چند مجرا که در جداره ی لوله عبور سیال تعبیه شده اندازه گیری می شود. از آن جایی که سرعت سیال در یک نقطه ی معین با استفاده از اختلاف فشار (Pt - Ps) بدست می آید ، در سر لوله های حس کننده فشار کل و استاتیک باید به یک ستون مایع فشار پایین (Liquid-Column Low Pressure) و یا به یک مانومتر اختلاف فشارسنج متصل گردند. برای این کار میزان بالا رفتن سطح مایع ، تحت تاثیر نیروی وارده از سیال تعیین می شود. در رابطه ی برنولی یک پارامتر مربوط به دانسیته ی سیال جاری در لوله و یک پارامتر مربوط به دانسیته ی سیال مانومتر است ، بنابراین برای بالا رفتن دقت محاسبات تا آن جایی که ممکن است ، دانسیته ی هر دو سیال باید دقیق تعیین گردد. نوع پیچیده تری از لوله ی پیتوت ، لوله ی پیتوت مرکب (Combined Pitot Tube) و یا لوله پیتوت استاتیکی است. لوله پیتوت مرکب دارای دهانه هایی است که نسبت به هم ثابت بوده و برای اندازه گیری فشار استاتیک و فشار ضربه ای (کل) به کار برده می شوند. این دهانه ها مجموعا در یک پوشش تعبیه شده و در مسیر عبور سیال قرار می گیرند. این مجموعه اصطلاحا "پروب" (Probe) نامیده می شود. تمام انواع لوله های پیتوت ، در تعیین فشار دینامیکی (سینتیک) ، دارای خطا هستند. به این علت در رابطه ی برنولی ضریب تصحیحی به نام ضریب تخلیه (Coefficient of Discharge) در نظر گرفته می شود که آن را با C یا CD مشخص می کنند. این ضریب با تجربه و در اثر کالیبره کردن دستگاه به دست می آید و برای انواع لوله های پیتوت متفاوت است. در محاسبات مربوط به سرعت ، در جایی که سرعت سیال کم تر از 2/0 ماخ باشد ، فرض می کنیم که سیال تراکم ناپذیر است.

در بین انواع لوله های پیتوت ، لوله پیتوت استاتیکی (Pitot-Static Tube) ، معمول ترین نوعی است که در مراکز تحقیقاتی و صنعتی کاربرد پیدا کرده است. پروب لوله پیتوت بر روی یک میله ی حائل نصب شده و دهانه ی آن در مسیر سیال قرار می گیرد. دهانه ی حس کننده ی فشار کل در سر قسمت کروی شکل پروب تعبیه شده و سوراخ های حس کننده ی فشار استاتیک به صورتی در سطح پهلویی پروب گرفته ان که تشکیل یک سری شکاف های غیر پیوسته را می دهند. دهانه ی حس کننده ی فشار ضربه ای (کل) ، فشار ضربه ای را حس کرده و دهانه ی حس کننده ی فشار استاتیک نیز فشار استاتیک را حس کرده و هر یک از طریق مجراهایی که در پروب قرار دارند ، فشار حس شده را به یک دستگاه اندازه گیری منتقل کرده و از این دستگاه ، اختلاف فشار Pt – Ps را تعیین می کنند. (Ps فشار استاتیک در خط جریان سیال است و Ptفشار کل اندازه گیری شده می باشد)

در نوک سر قسمت کروی پروب رابطه ی 2(P-Ps)/ρυ²=1 برقرار است و علت قرار گرفتن دهانه ی حس کننده ی فشار کل (فشار ضربه ای) در مرکز پروب نیز به همین علت می باشد. بر روی سطح پروب ناحیه ای قرار دارد که در آن ناحیه l/d=3 است (که l فاصله ی سوراخ نوک پروب تا سوراخ های جانبی پروب است و d قطر پروب است.) و در آن نقطه ما می توانیم فشار موضعی P را مساوی فشار استاتیک Ps بدانیم. این موضوع دلیلی است مبنی بر این که چرا مجاری حس کننده ی فشار استاتیک را در آن جا قرار می دهند. گاهی او قات به جای شکاف های غیر پیوسته ، برای حس کردن فشار استاتیک ، در دور تا دور پوشش استوانه ای شکل ، سوراخ های جدا از هم ایجاد می کنند.

در جایی که عدد رینولدز بزرگ تر از 700 باشد (υd/ν=Re>700)، ضریب تخلیه (C) برای لوله های پیتوت استاتیکی برابر 1% می شود. در جایی که Re<700 ضریب تخلیه ناگهان تغییر می کند ، به صورتی که در Re≈300 ، ضریب تخلیه 6% است.

یکی از مزایای لوله پیتوت استاتیکی ، کم بودن خطای آن در هنگام انحراف جزیی محور پروب از امتداد خطوط جریان سیال می باشد. زاویه ی بین محور پروب و امتداد خطوط جریان سیال که با نماد نشان داده می شود ، به نام زاویه ی حمله (Angle of Attack) یا زاویه ی انحراف (Angle of Yaw) شناخته می شود. اگر زاویه ی کم باشد ، فشار کل و فشار استاتیک تقریبا با یک نسبت تغییر می کنند و اختلاف فشار دینامیکی آن ها تا انحراف زاویه ی ˚16= تقریبا ثابت است.

هنگامی که از یک لوله پیتوت استفاده می شود باید به خاطر داشت که پروبی با قطر زیاد در نقطه یا موضع قرار گرفتن خود می تواند در توزیع جریان اختلاط ایجاد کند. از طرف دیگر چون لوله های پیتوت استاتیکی با قطر بسیار کم به ندرت دارای دقت کافی هستند ، معمولا برای اندازه گیری سرعت سیال از لوله ی پیتوت ساده استفاده می شود. در این نوع از لوله پیتوت ها دهانه ی فشار کل (فشار ضربه ای) بین 05/0 تا 1 میلی متر است و برای حس کردن فشار استاتیک از دریچه یا روزنه ای که در دیواره ی لوله ی عبور سیال تعبیه شده ، استفاده می گردد.

زمانی که سرعت سیال بین 5 تا 25 متر بر ثانیه است ، اختلاف فشار کم است. به علت مشکلاتی که در اندازه گیری سرعت و دبی به وسیله ی لوله پیتوت و یا مانومتر های دارای سیال مایع در سرعت های کم سیال گازی به وجود می آید ، معمولا برای اندازه گیری از گازسنج هایی مثل گازسنج پره ای (تیغه ای) ، سیم داغ (Hot Wire) ، فیلم داغ (Hot Film) ، ترموکوپل گرم شده و گاز سنج های ترمیستوری استفاده می شود.

سرعت موضعی یا نقطه ای سیال در نقاط مختلف سطح مقطع لوله ی عبور سیال متفاوت است. سرعت سیال در محور لوله ، مقدار ماکزیمم است و هر چه به طرف دیواره ی لوله نزدیک شویم از سرعت سیال کاسته می شود. برای تعیین میزان دبی باید سرعت متوسط سیال را تعیین کرد. سرعت متوسط را با روشی که " روش بدست آوردن سرعت متوسط به طریق جابجائی دهانه ی لوله پیتوت در طول قطری از مقطع عبور سیال " نامیده می شود ، تعیین می کنند. برای این کار قطری از سطح مقطع لوله را به n قسمت مساوی تقسیم می کنیم ، سپس محور دهانه ی حس کننده ی فشار کل لوله پیتوت را روی هر موضع قرار داده و سرعت سیال را در هر نقطه بدست می آوریم. این کار را تا تقسیمات آخر به همین صورت ادامه می دهیم تا سرعت های گوناگونی که مربوط به هر نقطه از قطر لوله می باشد ، بدست آید. سپس با تعیین میانگین سرعت ها ، سرعت متوسط d/υ را تعیین می کنیم. تعیین سرعت ها در هر نقطه ، با این فرض انجام می شود که سرعت در تمام مدت اندازه گیری ثابت و برابر مقدار اندازه گیری شده می باشد.

اگر چه لوله پیتوت مزایای زیادی دارد ، اما استفاده از آن برای تعیین سرعت متوسط دارای محدودیت هایی می باشد که یکی از این موارد ، زمان زیادی است که برای محاسبات صرف می شود و همچنین استفاده از وسایل بسیار دقیق برای اندازه گیری فشار دینامیکی ، ضرورت پیدا می کند.

در سیال های گازی ای که سرعت و فشار آن ها به سرعت تغییر می کند ، به جای لوله پیتوت از گاز سنج هایی که پیش از این نام آن ها برده شد استفاده می شود. زیرا در عمل به اثبات رسیده است که برای اندازه گیری تغییرات ناگهانی سرعت و فشار ، لوله های پیتوت مناسب نیستند. [5]

منابع:

۵- اندازه گیری جریان سیالات / پروبراژنسکی / تشکری- شعبانعلی / مرکز آموزش و تحقیقات سرامیک شرکت مقره سازی ایران / چاپ اول 1370

۶- مکانیک سیالات – ویرایش نهم / استریتر – وایلی – بدفورد / ملک زاده – کاشانی حصار / انتشارات نما / چاپ سیزدهم 1382

اندازه گیری سرعت و دبی

مطالب مشابه :

اندازه گیری سرعت و دبی

آیرودینامیک

آیرودینامیک

گزارش کار آز-مکانیک سیالات

لوله پیتوت چیست ؟ pitot tube

آمار و احتمالات مهندسی

حساب تغییرات بدون در نظر گرفتن شرایط فرعی (معادله اویلر)