Table of Contents

استخدام أجهزة الاستشعار الفلزية في قياس تدفق الديناميك في تدفقات الفول

ويُعد قياس التدفق متغيراً حرجاً في طائفة واسعة من الميادين العلمية والصناعية، من التشخيص الطبي الأحيائي إلى مراقبة العمليات، ومن بين نظم التدفق العديدة التي تصادفها، تُنتج تدفقات غير مُصفاة من خلال عمليات الارتفاع الدورية في السرعة، وتُحدث تحديات فريدة من نوعها، وفي النظم البيولوجية، مثل تدفق الدم من خلال الشرايين أو التدفق الجوي في الخلاص، تُعد التدفقات الميكانيكية بطيئة بالضغط.

فهم تأثير بيزويليكتري وحاملي المواد الأساسية

وقد اكتشف بيير وجاك كوري في عام ١٨٨٠ الأثر الفائق الأثر الذي أحدثه بيريزولي في عام ١٨٨٠، وهو يصف قدرة بعض المواد البلورية على توليد شحنة كهربائية عند التعرض للإجهاد الميكانيكي، وعلى العكس من ذلك، فإن تطبيق حقل كهربائي على هذه المواد يسبب تشوهات ميكانيكية )أثر فطيرة عكسية( وفيما يتعلق بقياس التدفق، يستغل التأثير المباشر:

وتشمل المواد المشتركة لصناعة الفطائر المحاطة بالكميات التي تحدث طبيعياً، والخصائص الاصطناعية مثل التيتانات التي تعمل بالزركونات، والبوليميرات مثل فلوريد بوليفينيلدين، وكل مادة تقدم خصائص متميزة، وتوفر الفصل استقراراً ممتازاً ودرجة حرارة عالية من الكريات، مما يجعلها مناسبة لبيئة عالية الحرارة.

ويتكون جهاز استشعار للتدفق الفائقي من عنصر فائق السرعة يتكون من كهرباء بين كهروديسين، وغالبا ما يكون ذلك مع كتلة ما قبل الشحن أو غطس لتركيز قوة السوائل، وفي تطبيقات التدفق النقي، يمكن أن يكون جهاز الاستشعار مجهزا بجهاز التصفير المتحرك مع حائط الأنابيب أو السفينة، أو ملوثا بصورة مباشرة في التدفق.

أهم مزايا قياس تدفق القذائف

وتوفر أجهزة الاستشعار الفلزية عدة مزايا متأصلة تجعلها مناسبة بشكل خاص لقياس التدفقات الجريئة.

الاستجابة السريعة والباندويث

وعلى عكس أجهزة الاستشعار الحرارية أو الأسرية، التي لا تستجيب إلا على نطاق محدود للترددات بسبب التهاب الحراري أو ثبات زمن التجمع، يمكن للمستشعرات الفائقة الفطائر أن تستجيب لتغيرات الضغط على الترددات التي تتراوح بين ما يقرب من قطر قطر متعدد الأطراف وعدة ميغاهرتز، وهذا العرض الواسع النطاق يتيح لها أن تستنسخ بأمانة خصائص التقلبات السريعة للضغط على القلب أو الحرق المكثف للمحركات.

الزنج الديناميكية الواسعة

ويمكن أن تقيس أجهزة الاستشعار الفلزية الضئيلة الحجم جداً والكبيرة جداً من حيث التباينات في الضغط دون التشبع، شريطة أن تكون النهاية الإلكترونية لذلك، وأن تتجاوز النطاق الدينامي لجهاز الاستشعار القائم على الحيز المزود بالمركبات 120 درناً، مما يعني أنه يمكن أن يكشف التغيرات الدقيقة في الضغط الناجم عن التدفق مع الاستمرار في معالجة الأشعة الكبيرة، وهذا أمر قيم بوجه خاص في النظم التي يكون فيها ضغط خط الأساس عالياً ولكن يجب أن تكون فيه ضغطاً دقيقاً.

منخفضي الدريفات وارتفاع درجة الاستقرار

ونظرا لأن أجهزة استشعار الفطائر لا تولد رسوما إلا خلال التغيرات الدينامية، فإنها لا تعاني من عدم القدرة على الدفع في ظروف ثابتة، وفي حين أن ذلك يجعلها أقل ملاءمة لقياس الضغط الثابت، فإنها ميزة في تطبيقات التدفق النقي حيث يرفض جهاز الاستشعار بشكل طبيعي الانجراف غير المرغوب فيه المنخفض التردد ويركز على عنصر AC المكون من الإشارة، ويثبت وجود استشعارات مصممة بشكل سليم وجود حد أدنى من الاستقرار في الأجل الطويل.

التهاب الذات والروبوت

كما أن أجهزة الاستشعار الفلزية تعمل على استشعارات نشطة تولد اشارة خاصة بها ولا تتطلب أي مصدر خارجي للطاقة من أجل آلية التحويل نفسها، وهذا يبسط الأسلاك ويقلل من الضوضاء، وبالإضافة إلى ذلك، فإن البناء الشامل للدولة للمستشعرات الفائقة التي تولدها تجعلها مزدهرة ومقاومة للاهتزاز والصدمة والسوائل التآكلة، في صناعات مثل النفط والغاز أو التجهيز الكيميائي،

التحديات واستراتيجيات التخفيف

وعلى الرغم من مواطن قوتهم، فإن أجهزة الاستشعار الفطائرية تأتي مع حدود يجب معالجتها من أجل التنفيذ الناجح لقياس التدفق المتناهي.

عدم القدرة على قياس تدفق النفايات

والفيزياء الأساسية للتأثير المباشر على الفطيرة تعني أن مقياس الحساس يحلل بمرور الوقت إذا ما طبق ضغط مستمر، وهذا يرجع إلى التسرب من خلال التدفق المستخرج من جهاز الاستشعار نفسه، والدخل الذي يُستخدم في دائرة القياس، وبالتالي فإن جهاز الاستشعار الفلزالي البحت لا يمكن أن يقاس التدفقات الثابتة أو البطيئة.

درجة الحرارة

كما أن المواد التي تستخدم في صناعة الفلاحة، ولا سيما السيراميات مثل PZT، تظهر آثاراً كهربية - تولد رسوماً استجابة لتغيرات درجة الحرارة، ويمكن أن تُحدث التقلبات في الحرارة إشارات زائفة تفسد قياس التدفق، ومن أجل التخفيف من ذلك، تستخدم تصميمات أجهزة الاستشعار ذات العناصر المزدوجة أو المتمايزة، حيث يعمل عنصر ثان محمي من الترددات السائلة كمعامل كهرباء.

تحديد وتضخيم الإشارات

أما الناتج الكهربائي لعنصر فطيرة فائقة التكتل فهو رسم )في نطاق بيوكو - كولومب( يجب تحويله إلى مصفاة للشحنات، ويجب أن يكون للمضخم ازدحام شديد في المدخلات )الآثار( وضجيج منخفض، كما أن تصميم دائرة قياس الاشارات ذات أهمية حاسمة في تحقيق الاستجابة التواترية المطلوبة وشحنات التكبيل الدينامية.

الإحساس بالتنقل والتدخل الصوتي

كما أن أجهزة الاستشعار الفلزية حساسة أيضاً للاهتزازات الهيكلية والضوضاء الصوتية، وفي نظام الرصيف، يمكن نقل الاهتزازات التي تسببها التدفق إلى جهاز الاستشعار، مما ينتج إشارة لا تعزى فقط إلى تذبذب التدفق، والعزلة الميكانيكية السليمة، مثل استخدام الجبال المفصلة أو وضع جهاز الاستشعار في موقع منخفض الارتفاع، هي تقنيات تكيفية، بالإضافة إلى ذلك.

تطبيقات في الهندسة الطبية الحيوية

والقدرة على قياس تدفق الجراء مع ارتفاع درجة التألق لها أهمية بالغة في الهندسة الطبية الحيوية، حيث تنتج النظم القلبية والرئوية للجسد في جوهرها تدفقات غير ثابتة.

تدفق الدم ورصد الضغط

وكثيرا ما تتضمن أجهزة الاستشعار بالدم داخل الرحم أجهزة استشعار الفطائر في بقائها لقياس موجة الضغط الفوري، وهذه أجهزة الاستشعار هي مصغرة وقابلة للتنبؤ، وتوفر الاستجابة العالية التردد اللازمة للكشف عن التغيرات الخفية في الضغط الشرياني التي تشير إلى ظروف مثل فطيرة الدم أو الصدمة.

قياس تدفق موجات التنفس

وفي اختبار أداء الوظائف الرئوية، يمكن تقدير التدفق السريع وغير المنتظم للهواء أثناء التنفس - خاصة في ظروف مثل الربو أو مؤتمر الأطراف للتنمية - كميا، ويمكن لمستشعرات الضغط الفلزية في علم الالتهاب الرئوي أن تلتقط ضغطا غير ثابت عبر مقاومة ثابتة، مع تحديد معدّل مناسب، ومعدل تدفق المحاصيل، كما أن سرعة الاستجابة للمجسات البيرفلورية ذات الحجم المنخفض تكفل حتى سرعة

نظم تسليم المخدرات

وفي مضخات الضخ المفاجئ التي تُوصل الأنسولين، أو أدوية الألم، أو العلاج الكيميائي، أو أجهزة الاستشعار الفائقة الفلزات تستخدم لكشف الناموسيات أو فقاعات الهواء في الحوض، وترصد التدفق اللئيم الذي تولده المضخات المقاومة بواسطة جهاز استشعار للضغط الفائق الذي يمكن أن يحدد حالات الارتداد غير الشهيرة، مما يتطلب إجراء إنذارات المختلفة.

التطبيقات في النظم الصناعية والفضائية

وفيما عدا الطب، فإن أجهزة الاستشعار الفطائرية جزء لا يتجزأ من قياس التدفقات الجروية في مختلف السياقات الهندسية.

الحقن في التعبئة الداخلية وفي الوقود

كما أن أجهزة الديزل والغازولين الحديثة تعمل في ضغطات شديدة للغاية (حتى 000 3 بار) مع جرعات ضغط سريعة أثناء أحداث الحقن، كما أن أجهزة الاستشعار التي تستخدم في ضغط الغازات الموضعة في سكة الوقود وقرب أزياء الحقن توفر تغذية مرتدة في الوقت الحقيقي لوحدة مراقبة المحرك من أجل قياس دقيق للوقود.

النظم الهيدروليكية والنوماتية

فالنبضات في الخطوط الهيدروليكية الناجمة عن مضخات أو صمامات البستون يمكن أن تؤدي إلى الضوضاء، والهزاء، وإجهاد المكون، وتستخدم أجهزة الاستشعار التدفق والضغط في رصد الحالات وكشف الأخطاء، وعلى سبيل المثال، فإن تحليل النطاق الترددي لبطاقات الضغط يمكن أن يكشف عن وجود طفرة في المضخات، أو تسرب الصمامات، أو الفشل في الضغط.

رصد تدفق الغازات

وتعاني محركات التركيب من تذبذبات التدفق بسبب التجاوز الصارخ، وعدم الاستقرار في الاحتراق، وظواهر الطفرة، إذ يمكن تركيب أجهزة الاستشعار الفائقة التحلل (التي تستخدم مواد مثل أوزفات الغاليوم) في مخرج الضغط أو النسيج التربوي لرصد هذه التلويثات، مما يساعد على إحداث الاحتراق في إحداث الاحتراق

مقارنة مع أجهزة الاستشعار الأخرى ذات التدفق الديناميكي

وتتنافس عدة تكنولوجيات أخرى لأجهزة الاستشعار مع أجهزة الفطائر لقياس التدفق النقي، وكل منها مبادلات خاصة به.

  • Thermal Anemometers (Hot-wire/Hot-film):] These sensors measure flow by detecting the cooling effect of the liquid on a heated element. They offer good sensitivity at low flow rates but have a limited frequency response (typically below 10 kHz) due to thermal inertia. Moreover, they are fragile and gas.
  • Capacitive Pressure Sensors:] These measure pressure by detecting changes in capacitance due to a deflecting diaphragm. they can measure static and dynamic pressures with high accuracy, but their frequency response is limited by theميكانيكي decsonance of the diaphragm and the electronics. However are more affectedity pieors by temperature and highzo.
  • () النظم الميكانيكية الدقيقة (MEMS) تدمج مبادئ التحويل المتعددة (الغير الاصطناعي، الأسري، الفطيرة) على رقاقة واحدة، كما أن أجهزة الاستشعار الدقيقة للتعبئة البيئية المتعددة تجمع بين مزايا التأثير المباشر لتثبيت الفطائر مع تقليل حجمها إلى أدنى من النسيج.
  • Fiber Optic Sensors:] These use the change in light properties caused by strain or pressure on an optical fiber, they are immune to electromagnetic interference and can be multiplexed over long distances. However, they require expensive interrogation equipment and have a more limited dynamic range compared to piezoelectric sensors.

وبالنسبة للعديد من تطبيقات تدفق الجراء حيث تكون الاستجابة العالية التردد، والنطاق الدينامي الواسع، والبساط هي الراجحة، تظل أجهزة الاستشعار الفطائرية هي التكنولوجيا التي تختارها.

التوجيهات والبحوث المستقبلية

وتهدف البحوث الجارية إلى التغلب على القيود الحالية التي تفرضها أجهزة الاستشعار الفطائرية وتوسيع نطاق استخدامها في قياس التدفق المحض.

عملية تجهيز الإشارات المتقدمة والتوائم الرقمية

ويمكن أن تُدرَّب تقنيات معالجة الإشارات الرقمية الحديثة، مثل التصفيف، والاستشعار المضغوط، والشبكات العصبية، على استخراج بارامترات التدفق من إشارة الفطيرة الخام حتى في وجود ضوضاء عالية أو انجرافية، مثلاً، شبكة عصبية للتنبؤات، على إزالة حساسية استجابة أجهزة الاستشعار من الإشارة المقيسة، مما يؤدي إلى تقدير أكثر دقة للتدفقات الفورية.

مواد ومجمعات جديدة

ويقوم الباحثون بوضع مواد كهربية خالية من الرصاص (مثلاً، نوبة البوتاسيوم - السويدية، وتيتانات الباريوم) لتحل محل PZT لأسباب بيئية وصحية، ويجري تكييف هذه المواد لتثبيت الاستقرار العالي التمرين، وتقليص التسارع، وتعزيز الحساسية، إضافة إلى أن المواد المركبة التي تجمع بين السيراميات الفطيرية والبوليمرات الميكانيكية توفر مرونة بين الحساسية العالية.

سعة أجهزة الاستشعار المتعددة

ويمكن أن توفر أجهزة الاستشعار الفطائرية المدمجة مع طرائق أخرى، مثل قياسات التدفق عبر الزمن أو مقاييس التدفق المغناطيسي، صورة كاملة للتدفق، بما في ذلك المكونات الثابتة والمتتالية على حد سواء، ويمكن أن تؤدي خوارزميات الصمامات التي تستخدم نقاط القوة في كل تكنولوجيا إلى نظام قياس أكثر قوة ودقة، مثلا، يمكن لجهاز قياس سريع للضغط على الفطائرات الفائقة أن يوفر تدابير دينامية.

نظم الاستشعار اللاسلكية والعاطفية

وبالنسبة للتطبيقات التي تكون فيها الأسلاك غير عملية أو غير مرغوب فيها، يجري تطوير أجهزة استشعار فائقة التليفزيون اللاسلكية التي تستخدم تكنولوجيا الموجات الصوتية السطحية، ويمكن استجواب هذه أجهزة الاستشعار عن طريق الترددات اللاسلكية، وإزالة الحاجة إلى البطاريات أو الكابلات، وهي تستخدم بالفعل في رصد الضغط الإطاري ويمكن تكييفها من أجل الادخار الطبي الأحيائي أو قياس تدفق الأجهزة الدوارة.

خاتمة

وقد ثبت أن أجهزة الاستشعار الحيوية لا غنى عنها في القياس الدينامي للتدفقات الجروية عبر عدد كبير من الميادين، وأن الاستجابة السريعة، والنطاق الدينامي الواسع، والبناء المنخفض، والقوي، تجعلها مثالية لاستيعاب الضغط السريع وتقلبات التدفق المتأصلة في النظم غير الثابتة، وفي حين أن التحديات مثل درجة الحرارة، والقيود المفروضة على الضغط الثابت، ومتطلبات تكييف الإشارات لا تزال قائمة، فإن التقدم المستمر في مجال علوم الحيوانات، والمسائل ذات الصلة.

External Links:]