مطالعه بر روی مخلوط حرکتی گاز – مایع یا همان جریان چند فازی (Multi – Phases Flow) در شاخه های وابسته به علوم سیالات از ضروریات کاربری است. به عنوان مثال می توان مطالعه بر روی جت های پرتابی از روی رمپ هواده ها اشاره نمود. به طوری که جت پرتابی مقدار زیادی هوا را از اطراف جذب نموده، از آن پس جریان به عنوان یک جریان مخلوط آب و هوا محسوب می شود. پروب سوزنی (Probe) که در این مقاله بیشتر با آن آشنا خواهید شد، گزینه مناسبی است برای اندازه گیری این قسم جریانات.
از طرفی به علت ماهیت پیچیده جریانات چند فازی، مطالعه بر روی آن ها اغلب با انجام آزمایشاتی به منظور بررسی رفتار جریان توام است. انجام آزمایش در جریان های چند فازی و اندازه گیری مشخصه های جریان مثل سرعت و یا درصد گاز موجود (غلظت) نیاز به وسایل مخصوص به خود دارد به طوری که استفاده از وسایل معمول در اندازه گیری سرعت مثل لوله پیتوت و میکرومولینه در مخلوط های گاز – مایع با غلظت زیاد گاز، مقدور نمی باشد. گزینه های دیگری وجود دارد مثل استفاده از لیزردالپر (Laser Doppler Anemometer) که در عمل دارای محدودیت بوده و از دقت کافی نیز برخوردار نیستند. ولی استفاده از پروب سوزنی برای اندازه گیری در جریان های دو فازی بسیار موفقیت آمیز بوده است. این وسیله در عین سادگی دارای دقت کافی نیز می باشد. با توجه به کاربردهای وسیع پروب، این دستگاه بخصوص در مطالعه مخلوط آب و هوا برای سازه های هیدرولیکی، توسعه قابل ملاحظه ای پیدا کرده و رفته رفته برخی محدودیت های آن برطرف و دقت آن افزایش یافته است.
نحوه کار پروب سوزنی
اساس کار پروب مبتنی بر اختلاف در هدایت الکتریکی بین مایع و گار می باشد. به عنوان مثال در مورد آب و هوا، هدایت الکتریکی آب هزار بار از هوا بیشتر است. پروب از دو هادی الکتریسته تشکیل شده است که از یکدیگر به فاصله کمی جزا شده اند. شکل های مختلفی برای ساخت پروب پیشنهاد شده است که از معمول ترین آن پروبی است با سوزن فولادی که از داخل آن سیمی نازک عبور کرده است (مطابق شکل زیر). سیم دارای پوشش عایق بوده و بنابراین از سوزن، به لحاظ تبادل الکتریکی کاملا مجزا می باشد. سیم از سر سوزن کمی بیرون آمده و نوک سیم برای مقاومت بیشتر پیچیده شده است. به این ترتیب نوک سیم حکم یک سر مدار را دارد و سوزن نیز یک هادی دیگر پروب محسوب می شود. اگر سیم و سوزن به دو سر یک پیل الکتریکی متصل گردند و ولت متری در مسیر مدار قرار گیرد؛ نوک آن را در تماس آب گذاشته شود از آن جا که آب هادی الکتریسیته است، ارتباط را بین دو سیم و سوزن برقرار می نماید و بنابراین عقربه ولت متر حرکت می کند و وجود ولتاژ را نشان می دهد.
حال اگر حبابی به سر سیم برخورد کند، ارتباط سیم با سوزن از طریق حباب قطع می گردد زیرا که هدایت الکتریکی هوا به مراتب کمتر از آب است. در نتیجه مدار قطع شده و ولت متر عدد صفر را نشان می دهد. بلافاصله پس از عبور حباب و برخورد با آب، مدار دوباره وصل می شود. به این ترتیب برخورد حباب های موجود در جریان به سر پروب سوزنی باعث قطع و وصل مدار و تغییرات ولتاژ ثبت گردد، با استفاده از آن می توان مدت حضور هوا و یا آب را در یک نقطه معین تفسیر و بدست آورد. بدیهی است این اصول می تواند در مورد مخلوط های دیگری از جریان گاز-مایع مورد استفاده قرار گیرد؛ به شرطی که قسمت مایع دارای هدایت الکتریکی به مراتب بیشتری نسبت به گاز آن باشد.
طراحی بدنه پروب سوزنی
ابعاد پروب سوزنی بستگی به سرعت جریان مورد بررسی، اندازه حباب های داخل جریان و سیستم برداشت اطلاعات دارد. یک نوع پروب که به منظور مطالعه روی مدل سرریزهای سد، جت و حوضچه آرامش طراحی شده است می تواند سرعت جریان را حداکثر تا 10 m/s اندازه گیری نماید. از آن جا که حجم هوای داخل حباب ها متناسب با توان سوم قطر حباب است، بنابراین حباب های خیلی کوچک هوای کمی حمل کرده و اهمیت چندانی ندارند. از این روی یک پروب معمولی فقط می تواند حباب های بزرگتر از یک میلی متر را که به آن برخورد می کنند را تشخیص دهد ( اگر چه پروب های پیشرفته تر می توانند قطر این تشخیص را کمتر نمایند). برای این که سیم نوک پروب به داخل حبابی نفوذ کند باید حدودا دارای قطری برابر یک پنجم قطر حباب باشد. بر این اساس سیم مسی پوشش دار به قطر 0.2 میلی متر برای ساخت آن مناسب می باشد.
باید این نکته هم در نظر گرفته شود که سوزن پروب باید آن قدر نازک باشد تا جریان را منحرف نکند و در عین حال بتواند سیم از داخل آن عبور نماید. بدین منظور سوزنی با قطر 0.6 میلی متر می تواند گزینه مناسبی باشد. در ضمن باید توجه داشت پس از مدتی استفاده از پروب، لازم است سر آن تمیز شود. همچنین محل اتصال سیم به سوزن و سوزن به بدنه اصلی پروب نیز باید با چسب مناسب کاملا آب بندی شود تا آب به داخل بدنه پروب نفوذ نکند.
انواع پروب سوزنی
- پروب تک سوزنی برای اندازه گیری غلظت هوا
- پروب دو سوزنی که علاوه بر غلظت هوا، سرعت طیف حباب ها را نیز اندازه می گیرد.
اندازه گیری سرعت در پروب دو سوزنی
حباب عبوری از نقطه اندازه گیری، باعث می شود تا علائمی مشتمل بر قطع و وصل مکرر مدار از سوی سوزن پروب فرستاده شود. حال اگر سوزن دیگری که کاملا مشابه با سوزن اولی ( با دو قطب الکتریکی که یکی از آن ها به عنوان سیم وسط سوزن و دیگری بدنه سوزن، مشابه آن چه در بالا گفتیم) است در فاصله کمی در پایین دست سوزن اولی قرار گیرد، با اندازه گیری طول زمانی بین علائم فرستاده شده از سوزن دوم با علائم فرستاده شده از سوزن اول (t0) و نیز داشتن فاصله دو سر سیم سوزن ها (دلتای S) خواهیم داشت: U برابر دلتای S تقسیم بر t0 که در این جا U سرعت حباب می باشد.
اندازه گیری قطر حباب ها در پروب دو سوزنی
وقتی یک حباب به نوک پروب می رسد سیم پروب داخل حباب فرو رفته و مدار قطع می شود. مادامی که حباب در حال عبور است مدار قطع است. مدت زمان قطعی مدار به نوعی بازتابی از اندازه یک حباب می باشد. حال اگر سرعت حباب معلوم باشد می توان با ضرب آن در زمان قطع مدار اندازه یا قطر حباب را بدست آورد. البته از آن جایی که سوزن پروب می تواند در هر کجای حباب به آن بر خورد کند، طبق تجربه قطر حباب را با توجه به زمان قطع مدار از رابطه زیر بدست می آوریم که در آن t زمان قطع مدار و u سرعت حباب هاست.
