بخشی از مقاله
چکیده -
احساسگر فابري-پرو فیبرنوري براي اندازهگیري دما و فشار با حساسیت و دقت بالا بسیار مناسب هستند. با استفاده از این نوع حسگرها طراحی یک شارسنج جدید نوع هدف براي اندازهگیري شار در داخل لولهها بر اساس ترکیبی از فن آوري احساسگرهاي فابري-پرو با ساختارهاي متنوعی از قبیل لوله پیتو، صفحه روزنه دار، انتشار حرارتی، انتشار فراصوتی،توان ایجاد شده توسط حرکت گردابی امکان پذیر است.
در این مقاله یک شارسنج فابري پرو فیبرنوري طراحی و ساخته شده است. با این سیستم نرخ شارش در رنج 1/3- 0/2 اندازهگیري شده است. اختلاف بین نتایج تجربی و تئوري 20٪ است و این بخاطر در نظر نگرفتن ورقه نگهدارنده که در مسیر شارش قرار دارد.
-1 مقدمه
مقوله اندازهگیري و ابزار اندازهگیري بویژه توسعه احساسگرها یکی از موضوعاتی است که در چند سال اخیر بطور خیلی سریع توسعه یافته است. نیاز به احساسگرهاي با کیفیت بالا که در سیستمهاي کنترل سریع و اندازهگیري پیشرفته مجتمع شده باشند، واضح است. به موازات پیشرفت سریع در توسعه احساسگرهاي میکروالکترونیک، در چند سال گذشته پایههاي آنها بر اساس تکنیکهاي اپتیکی توسعه یافته است.
از ویژگیهاي احساسگرهاي فیبرنوري میتوان به قطر کوچک ، وزن کم، حساسیت به تغییرات دما و کرنش ،مقاومت در مقابل خوردگی و قابلیت عملکرد با پهناي باند وسیع آنها اشاره کرد. از آنجائی که این احساسگرها ذاتا دي الکتریک هستند، با مواد مرکب سازگاري داشته، هنگام استفاده بیخطر بوده و ایجاد جرقه و انفجار نمیکنند. همچنین نسبت به تداخل هاي الکتریکی ایمن هستند.
احساسگرهاي فیبرنوري براي اندازهگیري پارامترهاي فیزیکی متعددي مورد استفاده قرار میگیرند. تنوع اندازهگیريهاي انجام شده توسط احساسگرهاي فیبرنوري باعث شده که کاربرد این احساسگرها بسیار گسترده شود. از انواع این اندازه گیريها می توان به کرنش، تغییر شکلهاي ساختاري، فرکانس، ارتعاش، مد فضایی، فشار، دما، شتاب، میدان مغناطیسی و سرعت سیال اشاره کرد
به کمک فیبرهاي نوري انواع تخریبهاي درون سازهاي که ناشی از ضربه، نقصهاي ساختاري، بار اضافی یا خستگی هستند را آشکارسازي نموده و با تعیین موقعیت آنها پیشروي نواحی تخریب را مشخص میکنند. همچنین به کمک آنها امکان نمایش بهنگام سلامتی مواد مرکب و بتون وجود دارد.
در حالیکه احساسگرهاي فابريپروي فیبرنوري براي اندازهگیري دما، فشار با حساسیت و دقت بالا بسیار مناسب هستند. طراحی شارسنجها براساس ترکیبی از فنآوري احساسگرهاي فابري پروبا ساختارهاي متنوعی از قبیل لوله پیتوت، اورفیس، گردابی، پراکندگی حرارتی، پراکندگی مافوق صوت و ارتعاش امکان پذیر است. اندارهي بسیار کوچک احساسگرفابري پروي فیبرنوري اجازه ساخت احساسگر شارش کوچک را که به آسانی میتواند در چاههاي نفت مورد استفاده قرار گیرد، میدهد.[2,3] در این مقاله احساسگر شارش فابري پرو فیبرنوري بیرونی طراحی و ساخته شد.
شکل:1 اساس کار احساسگر شارش فابري-پرو فیبرنوري
-2 تئوري
اساس احساسگر شارش فیبرنوري در شکل - 1 - نشان داده شده است. براي مدوله نمودن سیگنال جریان از یک منبع نوري با پهناي باند وسیع استفاده می گردد. ساختار هد احساسگر در شکل - 1 - نشان داده شده است. تفاوت احساسگر شارش فابري-پرو فیبرنوري با دیگر احساسگرهاي فیبرنوري در این است که تنها یک انتهاي فیبر - - SMF1 به لوله شیشهاي ثابت شده است و انتهاي فیبر دیگر - SMF2 - به آسانی در داخل لوله شیشهاي قابل حرکت است. با تنظیم نمودن موقعیت فیبر آزاد، طول کاواك احساسگر فابري-پرو را میتوان در مقدار مناسب قرار داد. سپس احساسگر بر روي صفحه برنجی توسط چسب ثابت میشود، و انتهاي آزاد فیبر در داخل لوله شیشهاي را با استفاده از چسب از آب ایزوله نماییم. میله نگهدارنده توسط یک گیره تی شکل در داخل لوله آب محکم میشود.
زمانیکه جریان سیال از داخل لوله عبور می کند، نیرویی به ورقه فلزي وارد میسازد لذا طول کاواك احساسگر فابري- پرو بخاطر تغییر شکل ورقه نگهدارنده، تغییر پیدا میکند.
واضح است زمانیکه نرخ شارش سیال افزایش مییابد طول کاواك احساسگر فابري-پرویی که در مقابل جریان سیال قرار دارد افزایش مییابد و اگر احساسگر در طرف دیگر نگهدارنده باشد، طول کاواکش کاهش مییابد.
نمایهي سرعت در سرعت هاي بالا به صورت زیر است:
که مقدار m از 16 تا 110 است. با فرض اینکه سیال ایده آل، تراکم ناپذیر پایا است، کل انرژي در محل A وB ثابت است. بنابراین انرژي جنبشی سیال در مکان A به افزایش فشار در نقطه B تبدیل میشود، که داریم:
شکل :2طرح شماتیک سیال ساکن در داخل یک لوله.
سطحی که بر روي هدف انتگرالگیري میشود، است .
بر اساس روابط بالا، نیروي اعمالی بر روي دیسک هدف را می توان بصورت زیر نوشت:[2]
که d قطر دیسک هدف است. براساس تئوري مکانیک مواد، کرنش طولی که مطابق شکل - 1 - روي یک نگهدارنده مثلث متساوي الساقین که نیرو بر انتهاي نگهدارنده توسط یک دیسک هدف وارد میشود برابر است با: [4]
L طول وh ضخامت نگهدارنده، E مدول یانگ ماده نگهدارنده، b عرض انتهایی نگهدارنده ثابت شده است. در انتهاي ورقه نگهدارنده، تغییر طول میله برابر است با:
که L طول میله است. اگر فرض شود که کرنش ورقه بطور کامل به احساسگر منتقل میشود، بخاطر اینکه فیبرها به لوله مویین متصل شدهاند، بگونهاي که تغییر طول کاواك احساسگر از رابطه زیر بدست میآید:
شکل:3 ساختار سیستم آزمایش نرخ شارش
همانگونه که در شکل - - 3 نشان داده شده است احساسگر شارش و کنترلر دما هر دو در داخل لوله آزمایش قرار گرفتهاند. نرخ شارش پمپ را نیز میتوان مطابق شکل توسط شیري که در مسیر بین منبع و شارسنج روتامتر قرار داده شده است، تنظیم نمود.
در این آزمایش مطابق چیدمان شکل - 1 - نور یک منبع ELED با طول موج مرکزي 1547 nm با پهناي باند 79/6 nm ،از طریق فیبر نوري تک مد به یک ایزولاتور می رسد. نور پس از ایزولاتور، به یک کوپلر تک مد 2 × 2 گسیل شده و به دو قسمت مساوي تقسیم می شود. یکی از بازوهاي خروجی تطبیق قرار میگیرد.
چیدمان آزمایش و نتایج تجربی
ساختار سیستم احساسگر در شکل - 3 - نشان داده شده است. چیدمان آزمایش شامل شارسنج روتامتر و شار سنج فیرنوري است. لوله هاي مورد استفاده یک اینچ است که نرخ شارش از 5 تا 40 لیتر در دقیقه کالیبره شده است.
یک پمپ آب، آب را از داخل مخزن پایینی به مخزن بالایی پمپ میکند و سیال از مخزن بالایی به داخل لوله مورد آزمایش جاري می شود. شارش که توسط احساسگر فابري- پرو فیبرنوري اندازهگیري می شود توسط یک تحلیلگر طیف نوري که به یک کامپیوتر متصل است ثبت میشود.
احساسگر فابري-پروساخته شده داراي طول گیج 12/36 mm و طول کاواك 97 m است. طیف نور بازتابی از کاواك فابري-پرو پس از عبور از کوپلر توسط تحلیلگر طیف نوري با دقت 10 pm آشکار میشود. داده هاي مربوط به سیگنال طیف نوري از طریق پورت GPIB تحلیلگر طیف نوري به کامپیوتر منتقل شده و دادهها توسط برنامه کامپیوتري به زبان Labview پردازش میشود.
رابطه یک به یک بین نرخ شارش اعمالی و خروجی از سیستم منبع نوري با پهناي باند وسیع رابطه کالیبرسیون را از روي برازش نمودن منحنی سهمی گون و یا خطی بدست میآوریم.
