کنتور جریان جرمی

بندانگشتی|یک دبی‌سنج جرمی از نوع کوریولیس

یک **دبی‌سنج جرمی** که با نام **دبی‌سنج اینرسی** نیز شناخته می‌شود، دستگاهی است که نرخ جریان جرمی یک سیال در حال حرکت درون یک لوله را اندازه‌گیری می‌کند. نرخ جریان جرمی، جرم سیالی است که در واحد زمان از یک نقطه ثابت عبور می‌کند.

دبی‌سنج جرمی، حجم بر واحد زمان (مانند متر مکعب بر ثانیه) را که از دستگاه عبور می‌کند اندازه‌گیری نمی‌کند؛ بلکه جرم بر واحد زمان (مانند کیلوگرم بر ثانیه) را که از دستگاه عبور می‌کند، اندازه‌گیری می‌کند. نرخ جریان حجمی برابر با نرخ جریان جرمی تقسیم بر چگالی سیال است. اگر چگالی ثابت باشد، این رابطه ساده است. اما اگر سیال چگالی متغیری داشته باشد، این رابطه ساده نخواهد بود. به عنوان مثال، چگالی سیال ممکن است با دما، فشار یا ترکیب آن تغییر کند. سیال همچنین ممکن است ترکیبی از فازها باشد، مانند سیالی با حباب‌های وارد شده. چگالی واقعی را می‌توان به دلیل وابستگی سرعت صوت به غلظت مایع کنترل شده، تعیین کرد.

## اصل عملکرد یک دبی‌سنج کوریولیس
دبی‌سنج کوریولیس بر اساس نیروی کوریولیس کار می‌کند، که اجسام در حال چرخش را بسته به سرعتشان منحرف می‌کند.

دو پیکربندی اصلی برای دبی‌سنج کوریولیس وجود دارد: *دبی‌سنج لوله خمیده* و *دبی‌سنج لوله مستقیم*. این مقاله به بررسی طراحی لوله خمیده می‌پردازد.

انیمیشن‌های سمت راست، یک طراحی واقعی از دبی‌سنج کوریولیس را نشان نمی‌دهند. هدف از این انیمیشن‌ها، تشریح اصل عملکرد و نشان دادن ارتباط آن با چرخش است.

سیال از طریق دبی‌سنج جرمی پمپ می‌شود. هنگامی که جریان جرمی وجود دارد، لوله کمی می‌پیچد. بازویی که سیال از طریق آن از محور چرخش دور می‌شود، باید به سیال نیرو وارد کند تا تکانه زاویه‌ای آن را افزایش دهد، بنابراین به سمت عقب خم می‌شود. بازویی که سیال از طریق آن به سمت محور چرخش بازگردانده می‌شود، باید به سیال نیرو وارد کند تا تکانه زاویه‌ای آن را دوباره کاهش دهد، بنابراین آن بازو به سمت جلو خم می‌شود. به عبارت دیگر، بازوی ورودی (حاوی جریان به سمت بیرون)، از چرخش کلی عقب می‌ماند، بخشی که در حالت سکون موازی با محور است اکنون کج شده، و بازوی خروجی (حاوی جریان به سمت داخل) از چرخش کلی جلوتر است.

انیمیشن سمت راست نشان می‌دهد که دبی‌سنج‌های جرمی لوله خمیده چگونه طراحی شده‌اند. سیال از طریق دو لوله موازی هدایت می‌شود. یک فعال‌کننده (actuator) (نشان داده نشده) ارتعاشات متقابل و مساوی را بر روی بخش‌های موازی با محور ایجاد می‌کند تا دستگاه اندازه‌گیری نسبت به ارتعاشات خارجی حساسیت کمتری داشته باشد. فرکانس واقعی ارتعاش به اندازه دبی‌سنج جرمی بستگی دارد و در محدوده ۸۰ تا ۱۰۰۰ هرتز قرار دارد. دامنه ارتعاش آنقدر کوچک است که با چشم دیده نمی‌شود، اما با لمس قابل احساس است.

هنگامی که سیالی جریان ندارد، حرکت دو لوله متقارن است، همان‌طور که در انیمیشن سمت چپ نشان داده شده است. انیمیشن سمت راست نشان می‌دهد که در هنگام وجود جریان جرمی چه اتفاقی می‌افتد: مقداری پیچش در لوله‌ها رخ می‌دهد. بازویی که جریان را از محور چرخش دور می‌کند، باید به سیال نیرو وارد کند تا جرم در حال جریان را به سرعت ارتعاشی لوله‌ها در قسمت بیرونی شتاب دهد (افزایش تکانه زاویه‌ای مطلق)، بنابراین از ارتعاش کلی عقب می‌ماند. بازویی که سیال از طریق آن به سمت محور حرکت بازگردانده می‌شود، باید به سیال نیرو وارد کند تا سرعت زاویه‌ای مطلق (تکانه زاویه‌ای) آن را دوباره کاهش دهد، بنابراین آن بازو از ارتعاش کلی جلوتر است.

بازوی ورودی و بازوی خروجی با فرکانس یکسانی با ارتعاش کلی، نوسان می‌کنند، اما هنگامی که جریان جرمی وجود دارد، این دو ارتعاش همگام نیستند: بازوی ورودی عقب‌تر و بازوی خروجی جلوتر است. دو ارتعاش نسبت به یکدیگر اختلاف فاز دارند و میزان این اختلاف فاز، معیاری برای مقدار جرمی است که از لوله‌ها و خط عبور می‌کند.

## اندازه‌گیری چگالی و حجم
جریان جرمی یک دبی‌سنج کوریولیس U-شکل به صورت زیر داده می‌شود:

Q_m=\frac{ K_u -I_u\omega^2  }{2Kd^2}\tau

که در آن *K<sub>u</sub>* سختی وابسته به دمای لوله، *K* یک ضریب وابسته به شکل، *d* عرض، *&tau;* تأخیر زمانی، *&omega;* فرکانس ارتعاش، و *I<sub>u</sub>* اینرسی لوله است. از آنجایی که اینرسی لوله به محتویات آن بستگی دارد، برای محاسبه دقیق نرخ جریان جرمی، دانستن چگالی سیال ضروری است.

اگر چگالی آنقدر تغییر می‌کند که کالیبراسیون دستی کافی نباشد، می‌توان دبی‌سنج کوریولیس را برای اندازه‌گیری چگالی نیز تطبیق داد. فرکانس طبیعی ارتعاش لوله‌های جریان به جرم ترکیبی لوله و سیال درون آن بستگی دارد. با به حرکت درآوردن لوله و اندازه‌گیری فرکانس طبیعی، می‌توان جرم سیال موجود در لوله را استنتاج کرد. با تقسیم جرم بر حجم مشخص لوله، *چگالی* سیال به دست می‌آید.

اندازه‌گیری آنی چگالی، امکان محاسبه جریان حجمی در واحد زمان را با تقسیم جریان جرمی بر چگالی فراهم می‌کند.

## کالیبراسیون
هر دو اندازه‌گیری جریان جرمی و چگالی به ارتعاش لوله بستگی دارند. کالیبراسیون تحت تأثیر تغییرات در سختی لوله‌های جریان قرار می‌گیرد.

تغییرات دما و فشار باعث تغییر سختی لوله می‌شود، اما این تغییرات را می‌توان از طریق ضرایب جبران‌سازی صفر و بازه (span) برای فشار و دما، جبران کرد.

اثرات اضافی بر سختی لوله باعث تغییر در ضریب کالیبراسیون در طول زمان به دلیل فرسودگی لوله‌های جریان می‌شود. این اثرات شامل حفره‌دار شدن (pitting)، ترک خوردن، پوشش‌دهی، فرسایش یا خوردگی است. جبران پویای این تغییرات امکان‌پذیر نیست، اما می‌توان با کالیبراسیون یا بررسی‌های تأیید دوره‌ای، اثرات را نظارت کرد. اگر تشخیص داده شود که تغییری رخ داده اما قابل قبول است، می‌توان آفست (offset) را به ضریب کالیبراسیون موجود اضافه کرد تا از ادامه اندازه‌گیری دقیق اطمینان حاصل شود.

## جستارهای وابسته
* اثر کوریولیس
* اندازه‌گیری جریان
* گاسپار-گوستاو کوریولیس
* لوله U شکل نوسانی

## منابع

## پیوند به بیرون
* اسلایدهای سخنرانی در مورد اندازه‌گیری جریان، دانشگاه مینه‌سوتا

رده:جرم
رده:مکانیک کلاسیک
رده:ابزارهای سنجش جریان
رده:جرم (فیزیک)