ایجاد تغییر

لوله پیتو معمول توانایی اندازه گیری سرعت سیال در یک جهت را دارا میباشد. لذا برای اندازهگیری سرعت در هر دو جهت به فکر ایجاد تغییری در ساختار این لوله افتادیم. در لوله پیتو معمولی دهانه هایی که فشار استاتیکی را اندازه گیری میکنند مماس بر جهت جریان هستند. ابتدا به این فکر افتادیم که دو لوله پیتو معمولی را پشت به پشت به هم متصل کنیم که در شبیه سازی های آن به این نتیجه رسیدیم که یک لوله با ساختاری که در ادامه خواهید دید نه تنها قادر به اندازه گیری فشار در هر دو جهت حرکت آب است بلکه به دلیل اثر ویک(Wake) بیشتر و تغییر در شکل این لوله تغییرات فشار در بازه تغییرات سرعت برای آن بیشتر از لوله معمولی است که منجر به افزایش دقت در اندازه گیری سرعت میشود. این لوله همانند لوله پیتو دارای دو مجرا در دو طرف آن است که بسته به جهت حرکت سیال یکی از این دو مجرا فشار استاتیکی و دیگری فشار کل را متحمل خواهد شد. اصول عملکرد این لوله همانند لوله پیتو میباشد. در ادامه مدل و شبیه سازی های این لوله را بررسی خواهیم کرد. همانطور که از اشکال نیز پیداست از مجرا های موجود در انتهای این لوله برای اندازه گیری فشار توسط فشار سنج استفاده خواهد شد و در شبیه سازی ها همواره جهت جریان آب از چپ به راست است.
شکل3-6: مدل 3 بعدی لوله پیتو با ساختار تغییر یافته
به دلیل ایجاد ویک (wake) در پشت این لوله بازه اختلاف فشار بیشتر از آنچه در لوله پیتو معمولی با آن مواجه بودیم خواهد بود.
ویک (Wake) : ویک به جریان چرخشی پشت جسم سلب در حال حرکت ، ناشی از فلو اطراف بدنه آن گفته میشود.
این اثر باعث ایجاد فشار منفی در دهانه استاتیکی لوله شده و در نتیجه تغییرات فشار با تغییرات سرعت بازه بیشتری را طی میکند که باعث افزایش دقت اندازه گیری سرعت میشود.
شکل3-7: ویک(wake) در آب دریا ناشی از حرکت قایق
3-2-4-شبیه سازی لوله پیتو جدید
برای شبیه سازی این لوله نیز همانند لوله پیتو معمولی از نرم افزار COMSOL بهره گرفتیم. به دلیل سنگینی بسیار محاسبات در حالت 3 بعدی فقط برای بالاترین سرعت موجود این لوله را به صورت 3 بعدی شبیه سازی کرده و پس از تطبیق نتایج دو حالت 2بعدی و 3 بعدی، برای بقیه موارد به صورت 2 بعدی شبیه سازی ها را انجام دادیم.
شکل3-8: ویک(wake) ایجاد شده در 30 متر بر ثانیه (دید از بالا لوله پیتو)
شکل3-9: الگو سرعت حرکت سیال در لوله پیتو (دید از بغل لوله پیتو)
در شبیه سازی 3 بعدی برای سرعت 30 متر بر ثانیه اختلاف فشار بدست آمده در دو دهانه لوله حدود 600 کیلو پاسکال بود که از مقدار آن در تحلیل 2 بعدی کمتر است و این ناشی از عدم امکان عبور آب از کناره های لوله در تحلیل 2 بعدی است.
شکل3-10: توزیع فشار در دو طرف لوله پیتو در تحلیل 3 بعدی
در تحلیل 2 بعدی توزیع فشار در دو طرف لوله به برای سرعت 30 متر بر ثانیه به صورت زیر است که مقادیر اندکی بیشتر از تحلیل 3 بعدی است. ما بدترین حالت یعنی تحلیل 2 بعدی را معیار طراحی فشار سنج خود قرار خواهیم داد.
شکل3-11: فشار ناشی از حرکت سیال در لوله پیتو جدید (تحلیل 2 بعدی)
در این لوله تغییرات اختلاف فشار در بازه 0 تا 30 متر بر ثانیه در دو دهانه آن به صورت نمودار زیر است :
شکل3-12: نمودار تغییرات فشار بر اثر تغییر سرعت آب در لوله شبه پیتو
تغییرات فشار در این لوله همانند لوله پیتو معمولی است و تقریبا با یک ضریب می توان آن را به رابطه درجه دو فرمول برنولی نگاشت کرد. در بازه 0 تا 30 متر بر ثانیه تغییرات فشار حاصله در این لوله 0 تا 746 کیلو پاسکال است، که نسبت به لوله پیتو معمولی افزایش بازه تغییرات فشار در ازاء بازه تغییرات سرعت را دارا بودیم که اصلی ترین مزیت این ساختار است که به طور اتفاقی متوجه آن شدیم! در لوله پیتو معمول در سرعت های پایین تغییرات فشار به کندی بود و باعث سخت شدن اندازه گیری دقیق سرعت میشد. در ساختار جدید این مشکل تا حد زیادی بهبود پیدا کرده است. برای اندازه گیری این فشار به فشار سنج دیفرانسیلی در بازه 0 تا 750 کیلو پاسکال نیازمندیم. در ادامه به بررسی و انجام محاسبات و طراحی این فشار سنج خواهیم پرداخت. در پایان این بخش لازم به ذکر است که می توان برای حذف اثرات موج آب در دریا لوله پیتو را در داخل یک لوله با شعاع و طولی که باید برای این امر محاسبه شود قرار داد. و همچنین برای رفع مشکل حساسیت لوله پیتو به محور حرکت سیال آن را با یک استپر موتور ترکیب کرد تا با چرخش و اندازه گیری فشار و همچنین فیدبک از زاویه سکان کشتی، همواره خود را در جهت بهینه قرار دهد.
3-3-فشار سنج پیزو مقاومتی (Piezoresistive)
همانطور که از نتایج بخش 3-2-4 ملاحظه کردیم نیاز به یک فشار سنج در بازه کاری 0 تا 750 کیلو پاسکال داریم تا با اندازه گیری فشار در دهانه لوله پیتو سرعت سیال و نتیجتا کشتی را محاسبه کنیم. در فصل دوم نیز بررسی های لازم برای فشار سنج ها انجام شد. برای اینکه خروجی این فشار سنج خطی باشد از نوع پیزو رزیستیو استفاده خواهیم کرد. فشار سنج پیزو رزیستیو، معمولا دارای 4 مقاومت در سطح دیافراگم خود است که در اثر اعمال تنش به آنها دچار تغییر در مقاومت شده و در خروجی این مقاومت ها که معمولا به صورت پل وتستون به هم متصل هستند، تغییر ولتاژ ایجاد میشود.
3-3-1-مدل مکانیکی دیافراگم
در ابتدا بر این اساس به طراحی دیافراگم خواهیم پرداخت که اولا رفتار غالب مکانیکی سیستم ناشی از خود سیلیکون است که در مقایسه با لایه هایی که روی سیلیکون لایه نشانی و یا چسبانده می شود بسیار ضخیم تر است و دوپینگ در خواص کشسان سیلیکون تاثیری حداکثر تا 3 درصد را دارا است[29]. دوما این فرض را داریم که دیافراگم از تئوری انحنا کوچک صفحات الاستیک نازک پیروی میکند. ( تئوری Kirchhoff-Love) بر اساس این تئوری :
جنس صفحه کشسان و همگن است (و نه لزوماً ایزوتروپیک)
حالت اولیه صفحه در فشار صفر مسطح و صاف است.
انحراف قائم صفحه در مقایسه با ضخامت صفحه کوچک است، همین طور نسبت به طول و عرض صفحه نیز کوچک می باشد و شیب انحراف بسیار کم است.

                                                    .