موضوع مقاله: حسگر جریان | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # حسگر جریان | مقدمه: انواع رایج دبی‌سنج‌ها با کاربردهای صنعتی در زیر فهرست شده‌اند: نوع انسدادی (فشار تفاضلی یا سطح متغیر) استنباطی (نوع توربینی) الکترومغناطیسی دبی‌سنج‌های جابجایی مثبت، که حجم ثابتی از سیال را جمع‌آوری کرده و سپس با شمارش تعداد دفعاتی که این حجم پر می‌شود، جریان را اندازه‌گیری می‌کنند. | ## بخش 1: حسگر جریان | برای جریان‌های بسیار بزرگ، می‌توان از روش‌های ردیاب برای استنتاج نرخ جریان (دبی) از طریق تغییر در غلظت یک ماده رنگی یا رادیوایزوتوپ استفاده کرد. انواع و واحدهای اندازه‌گیری جریان گاز و مایع هر دو را می‌توان بر حسب کمیت‌های فیزیکی از نوع دبی حجمی یا دبی جرمی اندازه‌گیری کرد که به ترتیب دارای واحدهای SI مانند متر مکعب بر ثانیه یا کیلوگرم بر ثانیه هستند. اما این موضوع در مورد گازها صدق نمی‌کند، زیرا چگالی آن‌ها به شدت به فشار، دما و تا حد کمتری به ترکیب آن بستگی دارد. هنگامی که گازها یا مایعات برای محتوای انرژی‌شان منتقل می‌شوند، مانند فروش گاز طبیعی، نرخ جریان ممکن است بر حسب جریان انرژی، مانند گیگاژول بر ساعت یا BTU در روز نیز بیان شود. نرخ جریان انرژی برابر است با نرخ جریان حجمی ضربدر محتوای انرژی در واحد حجم، یا نرخ جریان جرمی ضربدر محتوای انرژی در واحد جرم. در زمینه‌های مهندسی، نرخ جریان حجمی معمولاً با نماد و نرخ جریان جرمی با نماد نشان داده می‌شود. برای سیالی با چگالی ، نرخ جریان جرمی و حجمی را می‌توان با رابطه به یکدیگر مرتبط کرد. گاز گازها تراکم‌پذیر هستند و هنگامی که تحت فشار قرار می‌گیرند، گرم یا سرد می‌شوند، حجمشان تغییر می‌کند. حجم معینی از یک گاز تحت یک مجموعه شرایط فشار و دما با همان گاز تحت شرایط متفاوت، معادل نیست. نرخ جریان جرمی گاز را می‌توان به‌طور مستقیم و مستقل از اثرات فشار و دما، با دبی‌سنج‌های فراصوتی، دبی‌سنج‌های جرمی حرارتی، دبی‌سنج‌های جرمی کوریولیس، یا کنترل‌کننده جریان جرمی اندازه‌گیری کرد. مایع برای مایعات، بسته به کاربرد و صنعت، از واحدهای مختلفی استفاده می‌شود که می‌تواند شامل گالن (آمریکایی یا امپریال) در دقیقه، لیتر بر ثانیه، لیتر بر متر مربع در ساعت، بوشل در دقیقه یا در توصیف جریان رودخانه‌ها، کومک (متر مکعب بر ثانیه) یا ایکر-فوت در روز باشد. در اقیانوس‌نگاری، یک واحد رایج برای اندازه‌گیری انتقال حجم (مثلاً حجم آب منتقل شده توسط یک جریان)، اسوردروپ (Sv) است که معادل 106 m3/s می‌باشد. به عنوان مثال، یک اوریفیس پلیت افت فشاری ایجاد می‌کند که تابعی از توان دوم نرخ حجمی جریان عبوری از اوریفیس است. به‌طور کلی، اندازه‌گیری ویژگی فیزیکی تولید شده توسط عنصر جریان اولیه، راحت‌تر از اندازه‌گیری خود جریان است. ویژگی‌های عنصر جریان اولیه و تطابق نصب عملی با فرضیات در نظر گرفته شده در کالیبراسیون، عوامل حیاتی در دقت اندازه‌گیری جریان هستند.Béla G. برای اندازه‌گیری‌های پیوسته، ما به سیستمی از پر و خالی شدن مداوم سطل‌ها نیاز داریم تا جریان را بدون خروج آن از لوله تقسیم کنیم. این جابجایی‌های حجمی که به‌طور مداوم شکل می‌گیرند و از بین می‌روند، ممکن است به شکل پیستون‌های رفت و برگشتی در سیلندرها، دندانه‌های چرخ‌دنده که با دیواره داخلی یک دبی‌سنج درگیر می‌شوند، یا از طریق یک حفره پیش‌رونده که توسط چرخ‌دنده‌های بیضوی چرخان یا یک پیچ مارپیچ ایجاد می‌شود، باشند. دبی‌سنج پیستونی/پیستون دوار از آنجایی که برای اندازه‌گیری آب خانگی استفاده می‌شوند، دبی‌سنج‌های پیستونی، که به عنوان پیستون دوار یا دبی‌سنج‌های نیمه-جابجایی-مثبت نیز شناخته می‌شوند، رایج‌ترین دستگاه‌های اندازه‌گیری جریان در بریتانیا هستند و تقریباً برای تمام اندازه‌های کنتور تا ۴۰ میلی‌متر ( اینچ) و شامل آن استفاده می‌شوند. دبی‌سنج پیستونی بر اساس اصل چرخش یک پیستون در داخل یک محفظه با حجم مشخص عمل می‌کند. از طریق یک مکانیزم چرخ‌دنده و گاهی اوقات یک درایو مغناطیسی، یک صفحه نمایش عقربه‌ای و یک نمایشگر از نوع کیلومترشمار به جلو حرکت می‌کند. سیال، چرخ‌دنده‌های درگیر را مجبور به چرخش می‌کند؛ هر چرخش معادل حجم ثابتی از سیال است. یک دبی‌سنج چرخ‌دنده بیضوی یک دبی‌سنج جابجایی مثبت است که از دو یا چند چرخ‌دنده کشیده (oblong) استفاده می‌کند که به گونه‌ای پیکربندی شده‌اند که با زاویه قائمه نسبت به یکدیگر بچرخند و شکلی شبیه به T ایجاد کنند. هیچ سیالی از مرکز دبی‌سنج، جایی که دندانه‌های دو چرخ‌دنده همیشه درگیر هستند، عبور نمی‌کند. در یک طرف دبی‌سنج (A)، دندانه‌های چرخ‌دنده‌ها مسیر جریان سیال را می‌بندند زیرا چرخ‌دنده کشیده در سمت A به داخل محفظه اندازه‌گیری بیرون زده است، در حالی که در طرف دیگر دبی‌سنج (B)، یک حفره حجم ثابتی از سیال را در یک محفظه اندازه‌گیری نگه می‌دارد. هنگامی که سیال چرخ‌دنده‌ها را هل می‌دهد، آن‌ها را می‌چرخاند و به سیال موجود در محفظه اندازه‌گیری سمت B اجازه می‌دهد تا به درگاه خروجی رها شود. در همین حال، سیالی که وارد درگاه ورودی می‌شود به داخل محفظه اندازه‌گیری سمت A که اکنون باز است، رانده می‌شود. این چرخه با چرخش چرخ‌دنده‌ها و اندازه‌گیری سیال از طریق محفظه‌های اندازه‌گیری متناوب ادامه می‌یابد. آهنرباهای دائمی در چرخ‌دنده‌های چرخان می‌توانند سیگنالی را برای اندازه‌گیری جریان به یک سوئیچ رید الکتریکی یا مبدل جریان منتقل کنند. اگرچه ادعاهایی مبنی بر عملکرد بالا برای این نوع دبی‌سنج‌ها وجود دارد، اما آن‌ها عموماً به اندازه طراحی پره لغزشی (sliding vane) دقیق نیستند. دبی‌سنج چرخ‌دنده دبی‌سنج‌های چرخ‌دنده با دبی‌سنج‌های چرخ‌دنده بیضوی تفاوت دارند از این جهت که محفظه‌های اندازه‌گیری از فضای بین دندانه‌های چرخ‌دنده‌ها ساخته می‌شوند. این حفره‌ها جریان سیال را تقسیم می‌کنند و با چرخش چرخ‌دنده‌ها و دور شدن از درگاه ورودی، دیواره داخلی دبی‌سنج محفظه را می‌بندد تا مقدار ثابتی از سیال را نگه دارد. سیال با درگیر شدن دندانه‌های چرخ‌دنده و کاهش حجم حفره‌های موجود به نزدیک صفر، به بیرون از دبی‌سنج رانده می‌شود. هنگامی که سیال از درون دبی‌سنج عبور می‌کند، وارد محفظه‌های موجود در روتورها شده و باعث چرخش آن‌ها می‌شود. طول روتور به اندازه‌ای است که ورودی و خروجی همیشه از یکدیگر جدا می‌مانند و بدین ترتیب از جریان آزاد مایع جلوگیری می‌شود. دبی‌سنج دیسک لرزان این رایج‌ترین سیستم اندازه‌گیری برای سنجش آب مصرفی در خانه‌ها است. سیال، که معمولاً آب است، از یک طرف دبی‌سنج وارد شده و به دیسک لرزان (nutating) که به صورت خارج از مرکز نصب شده است، برخورد می‌کند. سپس دیسک باید حول محور عمودی «لرزش» یا حرکت تقدیمی (nutate) داشته باشد، زیرا بالا و پایین دیسک با محفظه نصب در تماس باقی می‌مانند. با لرزش دیسک، این حرکت نشان‌دهنده مستقیم حجم مایع عبوری از دبی‌سنج است، چرا که جریان حجمی توسط یک مجموعه چرخ‌دنده و شمارنده که به دیسک متصل است، نمایش داده می‌شود. دبی‌سنج توربینی دبی‌سنج توربینی (که بهتر است به عنوان توربین محوری توصیف شود) عمل مکانیکی چرخش توربین در جریان مایع حول یک محور را به یک نرخ جریان قابل خواندن برای کاربر (مانند gpm, lpm و غیره) تبدیل می‌کند. سیال در حال جریان به پره‌های توربین برخورد کرده، نیرویی به سطح پره وارد می‌کند و روتور را به حرکت درمی‌آورد. دقت دبی‌سنج‌های توربینی در نرخ‌های جریان پایین، کمتر از دبی‌سنج‌های جابجایی و جتی است، اما عنصر اندازه‌گیری تمام مسیر جریان را اشغال یا به شدت محدود نمی‌کند. جهت جریان عموماً مستقیم و از درون دبی‌سنج است که امکان نرخ‌های جریان بالاتر و افت فشار کمتر را نسبت به دبی‌سنج‌های نوع جابجایی فراهم می‌کند. این دبی‌سنج‌ها انتخاب ارجح برای کاربران تجاری بزرگ، سیستم‌های حفاظت در برابر آتش، و به عنوان دبی‌سنج‌های اصلی (master meters) در سامانه توزیع آب هستند. معمولاً لازم است که صافی‌ها (Strainers) در جلوی دبی‌سنج نصب شوند تا از عنصر اندازه‌گیری در برابر شن یا سایر زباله‌هایی که ممکن است وارد سیستم توزیع آب شوند، محافظت کنند. دبی‌سنج‌های توربینی عموماً برای لوله‌هایی با اندازه ۴ تا ۳۰ سانتی‌متر (–۱۲ اینچ) یا بزرگتر در دسترس هستند. بدنه دبی‌سنج‌های توربینی معمولاً از فولاد ضدزنگ، برنز، چدن، یا چدن نشکن ساخته می‌شود. عناصر داخلی توربین می‌توانند از پلاستیک یا آلیاژهای فلزی مقاوم در برابر خوردگی باشند. این دبی‌سنج‌ها در شرایط کاری عادی دقیق هستند اما به شدت تحت تأثیر پروفایل جریان و شرایط سیال قرار می‌گیرند. دبی‌سنج‌های توربینی معمولاً برای سیالات با ویسکوزیته پایین مناسب‌تر هستند، زیرا ذرات درشت می‌توانند به روتور آسیب برسانند. هنگام انتخاب یک دبی‌سنج برای کاربردی که نیازمند عبور ذرات از لوله است، بهتر است از دبی‌سنج‌های بدون قطعات متحرک مانند دبی‌سنج‌های مغناطیسی استفاده شود. کنتورهای آتش‌نشانی (Fire meters) نوعی تخصصی از دبی‌سنج‌های توربینی هستند که تاییدیه‌های لازم برای نرخ‌های جریان بالایی که در سیستم‌های حفاظت در برابر آتش مورد نیاز است را دارند. این کنتورها اغلب توسط آزمایشگاه‌های آندرрайترز (UL) یا فکتوری میوچوال (FM) یا مراجع مشابه برای استفاده در حفاظت از حریق تأیید شده‌اند. دبی‌سنج‌های توربینی قابل حمل ممکن است به‌طور موقت برای اندازه‌گیری آب مصرفی از یک شیر آتش‌نشانی نصب شوند. این کنتورها برای سبک بودن معمولاً از آلومینیوم ساخته می‌شوند و ظرفیت آن‌ها معمولاً ۷٫۵ سانتی‌متر (۳ اینچ) است. شرکت‌های آب و فاضلاب اغلب استفاده از آن‌ها را برای اندازه‌گیری آب مصرفی در ساخت و ساز، پر کردن استخر، یا جایی که هنوز کنتور دائمی نصب نشده است، الزامی می‌دانند. محبوبیت این کنتورها در اندازه‌های بزرگتر در بریتانیا در حال افزایش است و در EU امری رایج هستند. سنسور چرخ پره‌ای شامل یک چرخ/پروانه با چرخش آزاد است که آهنرباهایی در آن تعبیه شده و عمود بر جریان قرار دارد و هنگام قرار گرفتن در محیط جاری، خواهد چرخید. با چرخش آهنرباها در پره‌ها و عبور آن‌ها از کنار سنسور، دبی‌سنج چرخ پره‌ای یک سیگنال فرکانس و ولتاژ تولید می‌کند که متناسب با نرخ جریان است. همانند دبی‌سنج‌های توربینی، دبی‌سنج چرخ پره‌ای نیز به حداقل طول لوله مستقیم قبل و بعد از سنسور نیاز دارد. نمایشگرها و کنترل‌کننده‌های جریان برای دریافت سیگنال از دبی‌سنج چرخ پره‌ای و تبدیل آن به مقادیر نرخ جریان واقعی یا جریان کل استفاده می‌شوند. عنصر پروانه در محفظه‌ای قرار دارد که در آن چندین درگاه ورودی، جریان سیال را به سمت پروانه هدایت کرده و باعث چرخش آن در یک جهت خاص، متناسب با سرعت جریان می‌شوند. این کنتور از نظر مکانیکی بسیار شبیه به کنتور تک-جتی عمل می‌کند، با این تفاوت که درگاه‌ها جریان را به‌طور مساوی از چندین نقطه در اطراف محیط عنصر به سمت پروانه هدایت می‌کنند، نه فقط از یک نقطه؛ این امر سایش ناهمگون بر روی پروانه و شفت آن را به حداقل می‌رساند؛ بنابراین، توصیه می‌شود که این نوع کنتورها به صورت افقی نصب شوند و شمارنده غلتکی آن‌ها رو به آسمان باشد. چرخ پلتون توربین چرخ پلتون (که بهتر است به عنوان یک توربین شعاعی توصیف شود) عمل مکانیکی چرخش چرخ پلتون در جریان مایع حول یک محور را به یک نرخ جریان قابل خواندن برای کاربر (مانند gpm, lpm و غیره) تبدیل می‌کند. | ## بخش 2: حسگر جریان | چرخ پلتون به گونه‌ای است که تمام جریان از اطراف آن عبور می‌کند و جریان ورودی توسط یک جت بر روی پره‌ها متمرکز می‌شود. چرخ‌های پلتون اصلی برای تولید الکتریسیته استفاده می‌شدند و شامل یک توربین جریان شعاعی با «کاسه‌های واکنشی» بودند که نه تنها با نیروی آب بر روی سطح خود حرکت می‌کردند، بلکه با استفاده از این تغییر جهت سیال، جریان را در جهت مخالف بازمی‌گرداندند تا راندمان توربین را بیشتر افزایش دهند. سیم‌های سربی در سمت راست.|یک جریان‌سنج از نوع پروانه‌ای که برای آزمایش توربین‌های برق‌آبی استفاده می‌شود جریان عبوری از یک پناستوک بزرگ مانند آنچه در یک نیروگاه برق آبی استفاده می‌شود را می‌توان با میانگین‌گیری سرعت جریان در کل سطح مقطع اندازه‌گیری کرد. جریان‌سنج‌های نوع پروانه‌ای (مشابه جریان‌سنج اِکمن کاملاً مکانیکی، اما اکنون با جمع‌آوری داده‌های الکترونیکی) را می‌توان در سراسر سطح مقطع پناستوک حرکت داد و سرعت‌ها را برای محاسبه کل جریان میانگین‌گیری کرد. چنین اندازه‌گیری‌های جریانی اغلب هنگام آزمایش راندمان توربین‌های بزرگ از اهمیت تجاری برخوردارند. دبی‌سنج‌های مبتنی بر فشار چندین نوع دبی‌سنج وجود دارد که بر اصل برنولی تکیه دارند. فشار یا با استفاده از صفحات آرام‌ساز (laminar plates)، یک اوریفیس، یک نازل، یا یک لوله ونتوری برای ایجاد یک انقباض مصنوعی و سپس اندازه‌گیری افت فشار سیالات هنگام عبور از آن انقباض اندازه‌گیری می‌شود، یا با اندازه‌گیری فشارهای استاتیک و سکون برای به دست آوردن فشار دینامیکی. ونتوری‌متر یک ونتوری‌متر به نوعی جریان را منقبض می‌کند و حسگرهای فشار، فشار تفاضلی را قبل و در داخل انقباض اندازه‌گیری می‌کنند. این روش به‌طور گسترده برای اندازه‌گیری نرخ جریان در انتقال گاز از طریق خطوط لوله استفاده می‌شود و از زمان امپراتوری روم مورد استفاده بوده است. اولین ونتوری‌مترهای بزرگ‌مقیاس برای اندازه‌گیری جریان مایعات توسط کلمنس هرشل توسعه یافتند، که از اواخر قرن نوزدهم از آن‌ها برای اندازه‌گیری جریان‌های کوچک و بزرگ آب و فاضلاب استفاده می‌کرد.Herschel, Clemens. صفحه اوریفیس یک اوریفیس پلیت صفحه‌ای با یک سوراخ در آن است که عمود بر جریان قرار می‌گیرد؛ این صفحه جریان را منقبض می‌کند و اندازه‌گیری فشار تفاضلی در دو طرف انقباض، نرخ جریان را به دست می‌دهد. 85 لوله دال لوله دال (Dall tube) یک نسخه کوتاه‌شده از ونتوری‌متر است که افت فشار کمتری نسبت به صفحه اوریفیس دارد. همانند این دبی‌سنج‌ها، نرخ جریان در یک لوله دال با اندازه‌گیری افت فشار ناشی از محدودیت در مجرا تعیین می‌شود. فشار تفاضلی معمولاً با استفاده از مبدل‌های فشار دیافراگمی با قرائت دیجیتال اندازه‌گیری می‌شود. از آنجا که این دبی‌سنج‌ها افت فشار دائمی به‌طور قابل توجهی کمتری نسبت به اوریفیس‌مترها دارند، لوله‌های دال به‌طور گسترده برای اندازه‌گیری نرخ جریان در لوله‌کشی‌های بزرگ استفاده می‌شوند. فشار تفاضلی تولید شده توسط یک لوله دال از لوله ونتوری و نازل، در صورتی که همه آن‌ها قطر گلویی یکسانی داشته باشند، بالاتر است. لوله به سمت جریان جهت داده می‌شود و تفاوت بین فشار سکون در نوک پروب و فشار استاتیک در کنار آن اندازه‌گیری می‌شود، که فشار دینامیکی را به دست می‌دهد و از آن سرعت سیال با استفاده از معادله برنولی محاسبه می‌شود. نرخ جریان حجمی را می‌توان با اندازه‌گیری سرعت در نقاط مختلف جریان و ایجاد پروفایل سرعت تعیین کرد. لوله پیتوت میانگین‌گیر لوله‌های پیتوت میانگین‌گیر (که پروب‌های ضربه‌ای نیز نامیده می‌شوند) نظریه لوله پیتوت را به بیش از یک بعد گسترش می‌دهند. یک لوله پیتوت میانگین‌گیر معمولی شامل سه یا چند سوراخ (بسته به نوع پروب) بر روی نوک اندازه‌گیری است که در یک الگوی خاص چیده شده‌اند. سوراخ‌های بیشتر به ابزار اجازه می‌دهند تا علاوه بر اندازه، جهت سرعت جریان را نیز (پس از کالیبراسیون مناسب) اندازه‌گیری کند. سه سوراخ که در یک خط چیده شده‌اند به پروب‌های فشار اجازه می‌دهند تا بردار سرعت را در دو بعد اندازه‌گیری کنند. افزودن سوراخ‌های بیشتر، به عنوان مثال پنج سوراخ که در یک آرایش «بعلاوه» (+) چیده شده‌اند، امکان اندازه‌گیری بردار سرعت سه‌بعدی را فراهم می‌کند. دبی‌سنج مخروطی یک دبی‌سنج فشار تفاضلی (DP) عمومی و در عین حال مستحکم است که نشان داده شده در برابر اثرات جریان نامتقارن و چرخشی مقاوم است. در حالی که دبی‌سنج‌های مخروطی با همان اصول اساسی دبی‌سنج‌های DP نوع ونتوری و اوریفیس کار می‌کنند، به همان میزان لوله‌کشی مستقیم در بالادست و پایین‌دست نیاز ندارند. نیاز به لوله مستقیم در بالادست بین ۰ تا ۵ برابر قطر لوله است، در حالی که این مقدار برای یک صفحه اوریفیس تا ۴۴ برابر قطر و برای یک ونتوری تا ۲۲ برابر قطر است. از آنجا که دبی‌سنج‌های مخروطی عموماً به صورت جوشی ساخته می‌شوند، توصیه می‌شود که همیشه قبل از استفاده کالیبره شوند. اثرات حرارتی جوشکاری به ناچار باعث اعوجاج و سایر اثراتی می‌شود که از جمع‌آوری و انتشار داده‌های جدولی برای ضرایب تخلیه بر اساس اندازه خط، نسبت بتا و اعداد رینولدز عملیاتی جلوگیری می‌کند. دبی‌سنج‌های مقاومت خطی دبی‌سنج‌های مقاومت خطی، که دبی‌سنج‌های جریان آرام نیز نامیده می‌شوند، جریان‌های بسیار کم را اندازه‌گیری می‌کنند که در آن‌ها فشار تفاضلی اندازه‌گیری شده به‌طور خطی با جریان و ویسکوزیته سیال متناسب است. چنین جریانی، جریان درگ ویسکوز یا جریان آرام نامیده می‌شود، در مقابل جریان آشفته‌ای که توسط صفحات اوریفیس، ونتوری‌ها و سایر دبی‌سنج‌های ذکر شده در این بخش اندازه‌گیری می‌شود، و با اعداد رینولدز زیر ۲۰۰۰ مشخص می‌شود. عنصر جریان اصلی ممکن است شامل یک لوله مویین بلند، یک دسته از این لوله‌ها، یا یک پلاگ متخلخل بلند باشد؛ چنین جریان‌های کمی، اختلاف فشار کوچکی ایجاد می‌کنند اما عناصر جریان طولانی‌تر، اختلاف فشارهای بالاتر و قابل اندازه‌گیری‌تری ایجاد می‌کنند. این دبی‌سنج‌ها به ویژه به تغییرات دمایی که بر ویسکوزیته سیال و قطر عنصر جریان تأثیر می‌گذارند، حساس هستند، همان‌طور که در معادله هاگن–پوازوی حاکم بر آن دیده می‌شود. یک روتامیتر نمونه‌ای از دبی‌سنج سطح متغیر است که در آن یک «شناور» وزن‌دار با افزایش نرخ جریان، در یک لوله مخروطی بالا می‌رود؛ شناور زمانی از بالا رفتن بازمی‌ایستد که سطح بین شناور و لوله به اندازه‌ای بزرگ شود که وزن شناور با نیروی پسا (درگ) ناشی از جریان سیال متعادل شود. شناورها در اشکال مختلفی ساخته می‌شوند که کره‌ها و بیضی‌های کروی رایج‌ترین آن‌ها هستند. برخی از آن‌ها به گونه‌ای طراحی شده‌اند که به‌طور قابل مشاهده در جریان سیال بچرخند تا به کاربر در تشخیص اینکه آیا شناور گیر کرده است یا نه، کمک کنند. روتامیترها برای طیف وسیعی از مایعات در دسترس هستند اما معمولاً با آب یا هوا استفاده می‌شوند. نوع دیگر، یک اوریفیس سطح متغیر است که در آن یک پلانجر مخروطی فنردار توسط جریان عبوری از یک اوریفیس منحرف می‌شود. ذرات کوچکی که گازهای طبیعی و صنعتی را همراهی می‌کنند، از دو پرتو لیزر که در فاصله کوتاهی از یکدیگر در مسیر جریان در یک لوله توسط اپتیک روشنایی متمرکز شده‌اند، عبور می‌کنند. هنگامی که همان ذره از پرتو دوم عبور می‌کند، اپتیک آشکارساز نور پراکنده شده را بر روی آشکارساز نوری دوم جمع‌آوری می‌کند که نور ورودی را به پالس الکتریکی دوم تبدیل می‌کند. با اندازه‌گیری بازه زمانی بین این پالس‌ها، سرعت گاز به صورت محاسبه می‌شود که در آن فاصله بین پرتوهای لیزر و بازه زمانی است. دبی‌سنج‌های نوری مبتنی بر لیزر، سرعت واقعی ذرات را اندازه‌گیری می‌کنند، خاصیتی که به هدایت حرارتی گازها، تغییرات در جریان گاز یا ترکیب گازها وابسته نیست. این اصل عملکرد، فناوری لیزر نوری را قادر می‌سازد تا داده‌های جریان بسیار دقیقی را حتی در محیط‌های چالش‌برانگیز که ممکن است شامل دمای بالا، نرخ جریان پایین، فشار بالا، رطوبت بالا، لرزش لوله و نویز صوتی باشد، ارائه دهد. دبی‌سنج‌های نوری بدون قطعات متحرک بسیار پایدار هستند و اندازه‌گیری بسیار تکرارپذیری را در طول عمر محصول ارائه می‌دهند. از آنجا که فاصله بین دو صفحه لیزری تغییر نمی‌کند، دبی‌سنج‌های نوری پس از راه‌اندازی اولیه خود نیازی به کالیبراسیون دوره‌ای ندارند. دبی‌سنج‌های نوری تنها به یک نقطه نصب نیاز دارند، به جای دو نقطه نصب که معمولاً برای انواع دیگر دبی‌سنج‌ها لازم است. دبی‌سنج‌های نوری موجود در بازار قادر به اندازه‌گیری جریان از ۰٫۱ متر بر ثانیه تا سریع‌تر از ۱۰۰ متر بر ثانیه (نسبت turndown ۱۰۰۰:۱) هستند و کارایی آن‌ها برای اندازه‌گیری گازهای مشعل (فلر) از چاه‌های نفت و پالایشگاه‌ها، که یکی از عوامل آلودگی جوی است، به اثبات رسیده است. اندازه‌گیری جریان در کانال باز جریان کانال باز مواردی را توصیف می‌کند که در آن مایع جاری دارای یک سطح بالایی باز به هوا است؛ مقطع عرضی جریان تنها توسط شکل کانال در سمت پایین تعیین می‌شود و بسته به عمق مایع در کانال متغیر است. تکنیک‌های مناسب برای یک مقطع عرضی ثابت جریان در یک لوله، در کانال‌های باز مفید نیستند. اندازه‌گیری جریان در آبراه‌ها یک کاربرد مهم جریان کانال باز است؛ چنین تأسیساتی به عنوان آب‌سنج شناخته می‌شوند. تبدیل سطح به جریان سطح آب در یک نقطه مشخص در پشت سرریز یا در یک فلوم با استفاده از دستگاه‌های ثانویه مختلف (حباب‌سازها، اولتراسونیک، شناور، و فشار تفاضلی روش‌های رایجی هستند) اندازه‌گیری می‌شود. این عمق بر اساس یک فرمول نظری به شکل به نرخ جریان تبدیل می‌شود که در آن نرخ جریان، یک ثابت، سطح آب، و یک توان است که با دستگاه مورد استفاده تغییر می‌کند؛ یا بر اساس نقاط داده سطح/جریان به دست آمده به صورت تجربی ("منحنی جریان") تبدیل می‌شود. دستگاه‌های تبدیل سطح به جریان معمولاً برای اندازه‌گیری جریان آب‌های سطحی (چشمه‌ها، نهرها و رودخانه‌ها)، پساب‌های صنعتی و فاضلاب استفاده می‌شوند. از این میان، سرریزها در جریان‌هایی با جامدات کم (معمولاً آب‌های سطحی) استفاده می‌شوند، در حالی که فلوم‌ها در جریان‌هایی با محتوای جامدات کم یا زیاد به کار می‌روند. مساحت/سرعت مساحت مقطع عرضی جریان از اندازه‌گیری عمق محاسبه می‌شود و سرعت متوسط جریان به‌طور مستقیم اندازه‌گیری می‌شود (روش‌های داپلر و پروانه‌ای رایج هستند). سرعت ضربدر مساحت مقطع عرضی، نرخ جریانی را به دست می‌دهد که می‌تواند به جریان حجمی انتگرال‌گیری شود. سنسورهای مساحت-سرعت خیس معمولاً باید در کف یک کانال یا رودخانه نصب شوند و از داپلر برای اندازه‌گیری سرعت ذرات معلق استفاده می‌کنند. با داشتن عمق و یک مقطع عرضی برنامه‌ریزی شده، این روش می‌تواند اندازه‌گیری جریان تخلیه را فراهم کند. دستگاه‌های غیر تماسی که از لیزر یا رادار استفاده می‌کنند، در بالای کانال نصب می‌شوند و سرعت را از بالا اندازه‌گیری می‌کنند و سپس از اولتراسوند برای اندازه‌گیری عمق آب از بالا استفاده می‌کنند. دستگاه‌های راداری فقط می‌توانند سرعت‌های سطحی را اندازه‌گیری کنند، در حالی که دستگاه‌های مبتنی بر لیزر می‌توانند سرعت‌های زیرسطحی را اندازه‌گیری کنند. سرعت‌سنجی داپلر صوتی سرعت‌سنجی داپلر صوتی (ADV) برای ثبت مؤلفه‌های سرعت لحظه‌ای در یک نقطه واحد با فرکانس نسبتاً بالا طراحی شده است. اندازه‌گیری‌ها با اندازه‌گیری سرعت ذرات در یک حجم نمونه‌برداری از راه دور بر اساس اثر شیفت داپلر انجام می‌شود. دبی‌سنج‌های جرمی حرارتی به‌طور کلی از ترکیبی از عناصر گرم‌شونده و سنسورهای دما برای اندازه‌گیری تفاوت بین انتقال حرارت ایستا و در حال جریان به یک سیال استفاده می‌کنند و با دانستن گرمای ویژه و چگالی سیال، جریان آن را استنباط می‌کنند. اگر مشخصات چگالی و گرمای ویژه سیال ثابت باشد، دبی‌سنج می‌تواند یک قرائت مستقیم جریان جرمی ارائه دهد و در محدوده مشخص شده خود به هیچ جبران‌سازی فشار-دمای اضافی نیاز ندارد. | ## بخش 3: حسگر جریان | پیشرفت فناوری امکان ساخت دبی‌سنج‌های جرمی حرارتی را در مقیاس میکروسکوپی به عنوان سنسورهای MEMS فراهم کرده است؛ این دستگاه‌های جریان می‌توانند برای اندازه‌گیری نرخ جریان در محدوده نانولیتر یا میکرولیتر در دقیقه استفاده شوند. فناوری دبی‌سنج جرمی حرارتی (که دبی‌سنج پراکندگی حرارتی یا جابجایی حرارتی نیز نامیده می‌شود) برای هوای فشرده، نیتروژن، هلیوم، آرگون، اکسیژن و گاز طبیعی استفاده می‌شود. در واقع، اکثر گازها را می‌توان تا زمانی که نسبتاً تمیز و غیرخورنده باشند، اندازه‌گیری کرد. برای گازهای تهاجمی‌تر، دبی‌سنج ممکن است از آلیاژهای خاص (مانند هستلوی) ساخته شود و پیش-خشک کردن گاز نیز به به حداقل رساندن خوردگی کمک می‌کند. امروزه، دبی‌سنج‌های جرمی حرارتی برای اندازه‌گیری جریان گازها در طیف رو به رشدی از کاربردها، مانند واکنش‌های شیمیایی یا کاربردهای انتقال حرارت که برای سایر فناوری‌های دبی‌سنجی دشوار هستند، استفاده می‌شوند. برخی دیگر از کاربردهای معمول سنسورهای جریان را می‌توان در زمینه پزشکی یافت، برای مثال، دستگاه‌های CPAP، تجهیزات بیهوشی یا دستگاه‌های تنفسی. این به این دلیل است که دبی‌سنج‌های جرمی حرارتی تغییرات در یک یا چند مشخصه حرارتی (دما، هدایت حرارتی، و/یا گرمای ویژه) رسانه‌های گازی را برای تعریف نرخ جریان جرمی پایش می‌کنند. سنسور MAF در بسیاری از خودروهای مدل جدید، از یک سنسور جریان هوای جرمی (MAF) برای تعیین دقیق نرخ جریان جرمی هوای ورودی مورد استفاده در موتور احتراق داخلی استفاده می‌شود. بسیاری از این سنسورهای جریان جرمی از یک عنصر گرم‌شونده و یک سنسور دمای پایین‌دست برای نشان دادن نرخ جریان هوا استفاده می‌کنند. در هر دو حالت، واحد کنترل الکترونیکی خودرو سیگنال‌های سنسور را به عنوان نشانه‌ای آنی از نیاز سوخت موتور تفسیر می‌کند. دبی‌سنج‌های ورتکس روش دیگر اندازه‌گیری جریان شامل قرار دادن یک جسم مانع (که میله جداکننده یا shedder bar نامیده می‌شود) در مسیر سیال است. این رد گردابه به افتخار توصیف ریاضی این پدیده توسط فون کارمان در سال ۱۹۱۲، رد گردابه فون کارمان نامیده می‌شود. فرکانسی که این گردابه‌ها در آن طرفین را به‌طور متناوب تغییر می‌دهند، اساساً با نرخ جریان سیال متناسب است. در داخل، بالای، یا پایین‌دست میله جداکننده، یک سنسور برای اندازه‌گیری فرکانس جدا شدن گردابه‌ها وجود دارد. این سنسور اغلب یک کریستال پیزوالکتریک است که هر بار که یک گردابه ایجاد می‌شود، یک پالس ولتاژ کوچک اما قابل اندازه‌گیری تولید می‌کند. از آنجایی که فرکانس چنین پالس ولتاژی نیز با سرعت سیال متناسب است، نرخ جریان حجمی با استفاده از مساحت مقطع عرضی دبی‌سنج محاسبه می‌شود. فرکانس اندازه‌گیری شده و نرخ جریان توسط بخش الکترونیکی دبی‌سنج با استفاده از معادله محاسبه می‌شود. که در آن فرکانس گردابه‌ها، طول مشخصه جسم مانع، سرعت جریان بر روی جسم مانع، و عدد استروهال است که اساساً برای یک شکل بدنه معین در محدوده عملکرد آن یک ثابت است. دبی‌سنج‌های سونار به‌طور گسترده در صنایع معدن، فرآوری فلزات، و صنایع نفت و گاز بالادستی به کار گرفته شده‌اند، جایی که فناوری‌های سنتی به دلیل تحملشان در برابر رژیم‌های مختلف جریان و نسبت‌های turndown (نسبت حداکثر به حداقل جریان قابل اندازه‌گیری) محدودیت‌های خاصی دارند. دبی‌سنج‌های سونار قابلیت اندازه‌گیری سرعت مایعات یا گازها را به صورت غیرتهاجمی در داخل لوله دارند و سپس با استفاده از مساحت مقطع عرضی لوله و فشار و دمای خط، این اندازه‌گیری سرعت را به نرخ جریان تبدیل می‌کنند. در آکوستیک زیر آب، برای مکان‌یابی یک جسم در زیر آب، سونار از دو پارامتر معلوم استفاده می‌کند: سرعت انتشار صوت در آرایه (یعنی سرعت صوت در آب دریا) فاصله بین سنسورها در آرایه سنسور و سپس مجهول را محاسبه می‌کند: مکان (یا زاویه) جسم. به همین ترتیب، اندازه‌گیری جریان سونار از همان تکنیک‌ها و الگوریتم‌های به کار رفته در آکوستیک زیر آب استفاده می‌کند، اما آن‌ها را برای اندازه‌گیری جریان چاه‌های نفت و گاز و خطوط لوله به کار می‌برد. برای اندازه‌گیری سرعت جریان، دبی‌سنج‌های سونار از دو پارامتر معلوم استفاده می‌کنند: مکان (یا زاویه) جسم، که ۰ درجه است زیرا جریان در امتداد لوله حرکت می‌کند که با آرایه سنسور هم‌راستاست. فاصله بین سنسورها در آرایه سنسور و سپس مجهول را محاسبه می‌کند: سرعت انتشار در آرایه (یعنی سرعت جریان محیط در لوله). دبی‌سنج‌های مغناطیسی دبی‌سنج‌های مغناطیسی، که اغلب «مگ‌متر» یا «الکترومگ» نامیده می‌شوند، از یک میدان مغناطیسی اعمال‌شده به لوله اندازه‌گیری استفاده می‌کنند که منجر به یک اختلاف پتانسیل متناسب با سرعت جریان عمود بر خطوط شار می‌شود. اختلاف پتانسیل توسط الکترودهایی که عمود بر جریان و میدان مغناطیسی اعمال‌شده قرار گرفته‌اند، حس می‌شود. الکترودها نباید در تماس با سیال فرایند دچار خوردگی شوند؛ برخی از دبی‌سنج‌های مغناطیسی دارای مبدل‌های کمکی برای تمیز کردن الکترودها در محل هستند. میدان مغناطیسی اعمال‌شده به صورت پالسی است که به دبی‌سنج اجازه می‌دهد تا اثر ولتاژ سرگردان در سیستم لوله‌کشی را خنثی کند. دبی‌سنج‌های الکترومغناطیسی غیر تماسی یک سیستم سرعت‌سنجی نیروی لورنتس، دبی‌سنج نیروی لورنتس (LFF) نامیده می‌شود. یک LFF، نیروی لورنتس یکپارچه یا توده‌ای را که از تعامل بین یک فلز مایع در حال حرکت و یک میدان مغناطیسی اعمال‌شده ناشی می‌شود، اندازه‌گیری می‌کند. باید توجه داشت که در مواردی که از میدان‌های مغناطیسی موضعی استفاده می‌شود، امکان انجام اندازه‌گیری‌های سرعت محلی وجود دارد و بنابراین از اصطلاح سرعت‌سنج نیروی لورنتس استفاده می‌شود. در حالی که هر دو از فراصوت برای انجام اندازه‌گیری استفاده می‌کنند و می‌توانند غیرتهاجمی باشند (اندازه‌گیری جریان از خارج لوله یا مخزن، که دستگاه گیره‌ای یا clamp-on نیز نامیده می‌شود)، آن‌ها جریان را با روش‌های بسیار متفاوتی اندازه‌گیری می‌کنند. دبی‌سنج‌های اولتراسونیک زمان گذار (transit time) اختلاف زمان گذار پالس‌های اولتراسونیک را که در جهت و خلاف جهت جریان منتشر می‌شوند، اندازه‌گیری می‌کنند. با استفاده از زمان‌های گذار مطلق، هم سرعت متوسط سیال و هم سرعت صوت قابل محاسبه است. با استفاده از دو زمان گذار و و فاصله بین مبدل‌های فرستنده و گیرنده و زاویه تمایل می‌توان معادلات زیر را نوشت: و که در آن سرعت متوسط سیال در طول مسیر صوت و سرعت صوت است. با تابش پرتو عریض، فراصوت زمان گذار همچنین می‌تواند برای اندازه‌گیری جریان حجمی مستقل از مساحت مقطع عرضی مخزن یا لوله استفاده شود. دبی‌سنج‌های اولتراسونیک داپلر، جابجایی داپلر ناشی از بازتاب یک پرتو اولتراسونیک از ذرات موجود در سیال جاری را اندازه‌گیری می‌کنند. فرکانس پرتو ارسالی تحت تأثیر حرکت ذرات قرار می‌گیرد؛ این تغییر فرکانس می‌تواند برای محاسبه سرعت سیال استفاده شود. برای اینکه اصل داپلر کار کند، باید چگالی کافی از مواد بازتابنده صوتی مانند ذرات جامد یا حباب‌های هوا معلق در سیال وجود داشته باشد. این در تضاد مستقیم با دبی‌سنج اولتراسونیک زمان گذار است، که در آن حباب‌ها و ذرات جامد دقت اندازه‌گیری را کاهش می‌دهند. یکی از مزایای دبی‌سنج‌های اولتراسونیک این است که می‌توانند به‌طور مؤثر نرخ جریان طیف گسترده‌ای از سیالات را اندازه‌گیری کنند، تا زمانی که سرعت صوت در آن سیال مشخص باشد. افت کیفیت (تغییر در سرعت صوت اندازه‌گیری شده) نشانه‌ای از نیاز به سرویس متر است. دبیsنج‌های کوریولیس با استفاده از اثر کوریولیس که باعث اعوجاج یک لوله در حال ارتعاش جانبی می‌شود، می‌توان اندازه‌گیری مستقیمی از جریان جرمی را در یک دبی‌سنج کوریولیس به دست آورد. اندازه‌گیری کوریولیس بدون توجه به نوع گاز یا مایع اندازه‌گیری شده می‌تواند بسیار دقیق باشد؛ همان لوله اندازه‌گیری را می‌توان برای گاز هیدروژن و قیر بدون کالیبراسیون مجدد استفاده کرد. یک سرعت‌سنج داپلر لیزری (LDV)، که بادسنج داپلر لیزری (LDA) نیز نامیده می‌شود، یک پرتو لیزر را به حجم کوچکی در یک سیال جاری حاوی ذرات کوچک (که به‌طور طبیعی وجود دارند یا القا شده‌اند) متمرکز می‌کند. تحلیل این طول موج جابجا شده می‌تواند برای تعیین مستقیم و با دقت بالای سرعت ذره و در نتیجه تقریب نزدیکی از سرعت سیال استفاده شود. همه از یک آشکارساز نوری (معمولاً یک فتودیود بهمنی) برای تبدیل نور به یک شکل موج الکتریکی برای تحلیل استفاده می‌کنند. در یک کلاس کلی LDV، دو پرتو در نقاط کانونی خود با یکدیگر تلاقی می‌کنند، جایی که تداخل کرده و مجموعه‌ای از فریزهای مستقیم (fringes) ایجاد می‌کنند. سپس سنسور به گونه‌ای با جریان هم‌راستا می‌شود که فریزها عمود بر جهت جریان باشند. با عبور ذرات از میان فریزها، نور جابجا شده داپلری در آشکارساز نوری جمع‌آوری می‌شود. در یک کلاس کلی دیگر LDV، یک پرتو به عنوان مرجع استفاده می‌شود و دیگری دچار پراکندگی داپلر می‌شود. سپس هر دو پرتو بر روی آشکارساز نوری جمع‌آوری می‌شوند، جایی که از آشکارسازی هتروداین نوری برای استخراج سیگنال داپلر استفاده می‌شود.Adrian, R. اغلب خطاهای اندازه‌گیری از نصب نادرست یا سایر عوامل وابسته به محیط ناشی می‌شوند. روش‌های درجا (In situ) زمانی استفاده می‌شوند که دبی‌سنج در شرایط جریان صحیح کالیبره شود. نتیجه کالیبراسیون دبی‌سنج به دو آمار مرتبط منجر می‌شود: یک معیار شاخص عملکرد و یک معیار نرخ جریان. روش زمان گذار برای جریان‌های لوله، روشی به نام روش زمان گذار اعمال می‌شود که در آن یک ردیاب رادیواکتیو به صورت پالس به جریان اندازه‌گیری شده تزریق می‌شود. زمان گذار با کمک آشکارسازهای تشعشع که در خارج از لوله قرار گرفته‌اند، تعریف می‌شود. جریان حجمی با ضرب سرعت متوسط اندازه‌گیری شده سیال در سطح مقطع داخلی لوله به دست می‌آید. این مقدار جریان مرجع با مقدار جریان همزمان داده شده توسط دستگاه اندازه‌گیری جریان که قرار است کالیبره شود، مقایسه می‌شود. در پایین‌دست، محلول ردیاب به‌طور کامل در سطح مقطع جریان مخلوط می‌شود، یک نمونه پیوسته گرفته شده و غلظت ردیاب آن در رابطه با محلول تزریق شده تعیین می‌شود. مقدار مرجع جریان با استفاده از شرط تعادل ردیاب بین جریان ردیاب تزریق شده و جریان رقیق‌کننده تعیین می‌شود. روش نوری با استفاده از روش اندازه‌گیری نوری سرعت‌سنجی داپلر لیزری (LDV)، سرعت‌های محلی جریان در یک (یا احتمالاً چندین) مسیر اندازه‌گیری در امتداد قطر لوله (پروفایل‌های سرعت) اندازه‌گیری می‌شود. مقادیر اندازه‌گیری شده سنسور جریان که قرار است کالیبره شود، با وضوح زمانی بالا در طول اندازه‌گیری‌های LDV ثبت می‌شوند. | ## جمع‌بندی | انحراف اندازه‌گیری سنسورهای جریان (موضوع کالیبراسیون) با مقایسه جریان حجمی تعیین شده با روش LDV و مقدار میانگین زمانی سنسورهای جریان در طول زمان اندازه‌گیری، مشخص می‌شود.