مبانی فیزیکی اندازه‌گیری جریان با استفاده از فشار
همه جرم ها برای شتاب گرفتن نیاز به نیرو دارند (می‌توان این اصل را این‌گونه هم بیان کرد که هر جرمی هنگام شتاب گرفتن، یک نیروی واکنشی تولید می‌کند.).
با قانون دوم نیوتن می‌توانیم این اصل رو نه فقط توصیفی، بلکه با عدد و فرمول هم بیان کنیم:
در مورد مایعات نیز می‌توان این قانون را چنین بسط داد که همه سیالات دارای جرم‌اند و بنابراین، برای شتاب گرفتن – درست مانند اجسام جامد – به نیرویی نیاز دارند.
اگر مقدار معینی از یک سیال را درون یک لوله در نظر بگیریم، جرم آن برابر خواهد بود با حاصل‌ضرب حجم سیال در چگالی آن (m = ρV، که در آن ρ چگالی یا جرم در واحد حجم است). بنابراین، نیروی لازم برای شتاب دادن به این حجم از سیال، درست مانند یک جرم جامد با همان مقدار جرم محاسبه می‌شود.
از آنجایی که این نیروی شتاب بر سطح مقطع سیال اعمال می شود، ممکن است آن را به صورت فشار بیان کنیم، تعریف فشار عبارت است از نیرو بر واحد سطح:
از آنجایی که قواعد جبر ایجاب می‌کرد که هر دو طرف معادله نیرو را بر مساحت تقسیم کنیم، کسری از حجم بر مساحت (V/A) در سمت راست معادله باقی می‌ماند.
این کسر معنای فیزیکی دارد، زیرا می دانیم که حجم یک استوانه تقسیم بر مساحت صفحه مدور آن یعنی طول آن استوانه:
وقتی این فرمول را برای جرم سیال در نظر بگیریم، نتیجه کاملاً منطقی است: فشاری که معادله بیان می‌کند، در واقع همان افت فشار دیفرانسیلی است که از یک سمت سیال تا سمت دیگر آن ایجاد می‌شود. در اینجا، متغیر طول (l) فاصله‌ی بین دو پورت اندازه‌گیری فشار دیفرانسیل را نشان می‌دهد.
این موضوع به ما نشان می‌دهد که می‌توان با اعمال یک اختلاف فشار در امتداد سیال، آن را وادار به شتاب گرفتن کرد.
مقدار این فشار اعمال‌شده با چگالی سیال و میزان شتاب آن رابطه مستقیم دارد. بر این اساس، می‌توان نرخ شتاب سیال را از طریق اندازه‌گیری فشارِ ایجادشده در بخشی از مسیر که شتاب‌گیری در آن رخ می‌دهد، به دست آورد.
ما می‌توانیم با تغییر مسیر طبیعی جریان سیال، آن را وادار به شتاب گرفتن کنیم. اختلاف فشاری که در اثر این شتاب ایجاد می‌شود، به‌طور غیرمستقیم بیانگر مقدار شتاب است.
از آنجا که این نوع شتاب، تابع مستقیمی از سرعت اولیه سیال است، بنابراین میزان افت فشار ایجادشده نیز به‌صورت غیرمستقیم با نرخ جریان سیال مرتبط خواهد بود.
یکی از رایج‌ترین روش‌ها برای ایجاد شتاب خطی در سیال، عبور آن از یک نقطهٔ انقباض‌یافته در لوله است؛ چرا که در این ناحیه سرعت سیال افزایش می‌یابد (یادآوری می‌شود که شتاب، همان تغییر در سرعت است).
فلومترهای مبتنی بر فشار
تصاویر زیر چندین دستگاه را نشان می‌دهند که برای اندازه گیری شتاب خطی سیالات متحرک در لوله‌ها، از ترانسمیتر اختلاف فشار ← استفاده می‌شود:
راه دیگری که ممکن است به یک سیال سرعت ببخشیم این است که آن را وادار کنیم تا در گوشه ای از لوله که زانویی نام دارد بپیچد.
این باعث ایجاد شتاب شعاعی می شود و باعث ایجاد اختلاف فشار بین ورودی و خروجی زانویی می شود که میتواند توسط یک ترانسمیتر فشار اختلاف فشار اندازه گیری شود:
توجه: ما از این نوع نصب برای اندازه گیری جریان در دنیای واقعی استفاده نمی کنیم.
شیر اندازه‌گیری فشار که در سمت خروجی یک زانویی (elbow) نصب شده، معمولاً فشار بیشتری نسبت به شیر سمت ورودی نشان می‌دهد. این اختلاف به دلیل اثر اینرسی سیال در هنگام چرخش است، زیرا جرم سیال در مسیر منحنی تمایل دارد به مسیر مستقیم ادامه دهد و در نتیجه به دیواره بیرونی پیچ زانو نیرو وارد می‌کند، که این امر موجب افزایش فشار در خروجی می‌شود.
راه دیگری برای ایجاد تغییر در سرعت سیال این است که با توقف کامل بخشی از آن، آن را مجبور به کاهش سرعت کنیم. فشار ایجاد شده توسط این کاهش سرعت (که فشار رکود نامیده می شود) به ما می گوید که در ابتدا چقدر سرعت داشته است.
چند دستگاه که بر روی این اصل کار می کنند در اینجا نشان داده شده است:
عناصر حسگر اولیه مختلف (PSE) که برای تولید فشار دیفرانسیل در جریان سیال متحرک استفاده می شوند.
- لوله پیتوت
- آنوبار
- لوله پیتوت میانگین گیر
- فلومتر هدف
علی‌رغم طراحی‌های بسیار متفاوتشان، همه آنها بر اساس یک اصل اساسی عمل می‌کنند: باعث می‌شوند یک سیال با ایجاد تغییر در مسیر جریان، افزایش یا کاهش شتاب بگیرد و در نتیجه اختلاف فشار قابل اندازه‌گیری ایجاد شود.
