تجهیزات اندازه گیری فلو

در دنیای صنعتی امروز، جهت کنترل فرآیند هایی که در آن ها از سیالات مختلف استفاده می شود، نیاز است که دبی عبوری از سیالاتی که از درون لوله ها، داکت ها و مخازن عبور می کنند اندازه گیری و مونیتور شود. این سیالات انواع مختلف از جمله روغن با ویسکوزیته بالا تا گازهای سبک با ویسکوزیته بسیار پایین را شامل می شود. جهت اندازه گیری فلو یا دبی سیال روش ها و تکنیک های متفاوتی وجود دارد که هر کدام مناسب اندازه گیری دبی نوعی خاصی از سیال است. 

تجهیزات اندازه گیری دبی

استفاده از تکنیک اندازه گیری دبی قدمت بسیاری دارد. قدیمی ترین نوع اندازه گیری فلو ( در حدود 5000 سال قبل از میلاد)، در شهر های قوم سومری ها در جنوب عراق و رود دجله و فرات گزارش شده است. آن ها از روش هایی برای اندازه گیری دبی جهت مدیریت آب شهری عبوری از کانال ها و قنات ها استفاده می کردند.در این روش یک سد ساده در مسیر جریان آب قرار می گرفت و با اندازه گیری ارتفاع آبی که از بالای این سد عبور می کرد، مهندسان قدیمی می توانستند محاسبه کنند که چه میزان آب از کانال عبور می کند. در سال 1450 میلادی، یک مهندس معمار ایتالیایی به نام باتیستا آلبرتی، اولین بادسنج مکانیکی را اختراع کرد. این بادسنج شامل صفح ایی دایره ایی شکل بود که به صورت عمودی در مسیر عبور باد قرار می گرفت و فشار هوا باعث چرخش آن می شد. زاویه شیب این صفحه، سرعت عبور باد را نشان می داد. این بادسنج اولین وسیله گزارش شده جهت اندازه گیری سرعت باد می باشد.

انواع تجهیزات اندازه گیری فلو (دبی):

به طور کلی سیالات شامل دو بخش یا کلاس متفاوت گاز ها و مایعات هستند. هر کدام از این دو نوع سیال، دسته بندی ها و کلاس های متفاوتی دارند که جهت اندازه گیری فلو باید مورد توجه قرار بگیرند. مثلاً در مورد گاز ها یا سیالاتی که قابل اشتعال هستند و یا سیالاتی که تحت شرایط دمایی بسیار بالا یا بسیار پایین هستند باید ملاحظات ویژه ایی در نظر گرفته شود. در زمان انتخاب فلومتر باید اطمینان حاصل کرد که تجهیز انتخاب شده مناسب سیال و شرایط کاری موجود، باشد. به عنوان مثال اسید ها، مایعاتی که در صنایع غذایی استفاده می شوند و آب مقطر و غیره سیالات خاص با ملاحظات ویژه هستند.

با توجه به مطلبی که در فوق گفته شد از تجهیزات اندازه گیری فلو متفاوتی برای سیالات مختلف استفاده می شود، در همین راستا شایان ذکر است که تجهیزات اندازه گیری فلو شامل فلومتر، فلوسوئیچ و فلو ترانسمیتر می شود که در ادامه به شرح هر یک می پردازیم:

فلومتر

با توجه به انواع سیالات موجود و تکنولوژی های متفاوتی که برای اندازه گیری دبی این سیالات استفاده می شود.

انواع فلومتر

• فلومتر توربینی (Turbine Flow Meter)

• فلومتر اختلاف فشار یا DP (Diffrential Pressure Flow Meter)

• فلومتر مغناطیسی (Magnetic Flow Meter)

• فلومتر جرم حجمی ( کوریولیس)(Mass Flow Meter)

• فلومتر اولتراسونیک (ultrasonic Flow Meter)

• فلومتر ورتکس (Vortex Flow Meter)

• روتامتر (Rotameter)

• فلومتر اوریفیس پلیت (Orifice Plate flow mete)

• فلومتر ونتوری (venturi flow meter)

• فلومتر جرمی حرارتی (Thermal mass flow meter)

• فلومتر پیتوت (Pitot tube Flow Meter)

فلو سوئیچ (سنسور جریان، سوئیچ جریان)

فلو سوئیچ ها یا سوئیچ های جریان، وظیفه کنترل و نظارت بر میزان جریان مایعات را بر عهده دارند و در صورت افزایش و یا کاهش بسیار زیاد جریان از مقدار تنظیم شده، جهت حفاظت از تجهیزات آلارم را روشن می کند. و سنسور جریان، سیگنال الکتریکی به پی ال سی یا کنترلر کننده های الکتریکی ارسال می کند.

انواع فلو سوئیچ

• فلوسوئیچ تیغه ای یا پدالی

• فلوسوئیچ پیستونی

• فلوسوئیچ التراسونیک

• فلوسوئیچ ترمال یا گرمایشی

• فلوسوئیچ پیزو

• فلوسوئیچ خطی

• فلوسوئیچ توربینی

فلو ترانسمیتر

ترانسمیتر های جریان یکی از دستگاه های مهم مورد استفاده برای اندازه گیری دبی هستند. فلو ترانسمیتر ها دارای سنسور می باشند و انتقال الکتریکی جریان مایع، گاز یا مخلوط هر دو را نمایش و انتقال می دهند.

انواع فلو ترانسمیتر

• فلو ترانسمیتر توربینی

• فلو ترانسمیتر الکترومعناطیسی

• فلو ترانسمیتر التراسونیک

• فلو ترانسمیتر تیغه ای (پدالی)

فرمول محاسبه ی فلو

تئوری فلو (دبی) یا جریان، مطالعه سیال در حال حرکت است.به هر ماده ایی که بتواند جاری شود سیال گفته می شود، بنابراین این عبارت هم برای مایعات و هم گاز ها به کاربرده می شود. کنترل و اندازه گیری دقیق سیال جاری در خطوط لوله، نیازمند فهم دقیق فنی بوده و در اکثر صنایع فرآیندی، اهمیت بسیاری دارد.

جریان یا فلو به دونوع جریان مایعات و گاز ها دسته بندی می شود و به صورت مقدار سیال عبوری از هر نقطه مسیر در واحد زمان یا سرعت جریان مایع، گاز یا بخار بیان می گردد.

زمان/جرم = سرعت جریان * چگالی = دبی جریان

واحد اندازه گیری فلو

انتخاب واحد صحیح اندازه گیری فلو با توجه به نوع کاربری و نوع فرآیند دارای اهمیت بسیاری است، واحد های اندازه گیری فلو به شرح زیر می باشد.

• نرخ فلو

• نرخ فلو حجمی

• نرخ فلو جرمی

در ادامه به شرح هر یک از انواع فوق می پردازیم

نرخ فلو

نرخ فلو بیانگر سرعت جریان (فلو) یا میزان حرکت ماده است. در واقع نرخ فلو بیانگر میزان فاصله ای است که یک ذره از یک ماده در یک بازه زمانی مشخص جابجا می شود، همچنین در مواردی که نیاز به محاسبه حجم سیالی که در یک بازه زمانی مشخص از یک لوله عبور می کند وجود دارد، واحد اندازه گیری نرخ فلو، فوت بر ثانیه است.

نرخ فلو حجمی

نرخ فلو حجمی بیانگر میزان حجم سیالی است که در یک بازه زمانی مشخص از یک نقطه عبور می کند. محاسبه نرخ فلو حجمی دارای محدودیت هایی می باشد و دانستن دو فاکتور، سرعت فلو و قطر داخلی لوله حائز اهمیت می باشد. واحد اندازه گیری فلو حجمی گالن در دقیقه (GPM) یا فوت مکعب در ثانیه می باشد.

نرخ فلو جرمی

نرخ فلو جرمی بیانگر میزان جرم عبوری از یک سطح مقطع مشخص در یک بازه زمانی معین می باشد. در محاسبه نرخ فلو جرمی به ویژه در گازها، تاثیر فشار و دما روی چگالی باید در نظر گرفته شود.

تاثیرات فشار بر روی فلو

فشار، میزان نیروی اعمال شده بر یک سطح مشخص می باشد. و میزان فشار با افزایش نیرو یا کاهش سطح، افزایش می یابد. همچنین اندازه گیری فشار باعث می شود تا از افزایش فشاری که موجب خرابی تجهیزات می گردد، جلوگیری شود. و از ایجاد فشارهای ناخواسته یا آزادسازی فرآیندی (باز شدن ناخواسته سیفتی ولو) که موجب صدمه و آسیب می گردد، جلوگیری شود.
دلایل رایج نیاز به اندازه گیری فشاردر صنایع فرآیندی متفاوت می باشد که در زیر به شرح آن پرداخته ایم:

• ایمنی: اندازه گیری فشار به جلوگیری از افزایش فشار لوله ها، تانک ها، ولوها، فلنج ها و دیگر تجهیزات کمک می کند. درصد خرابی تجهیزات، کنترل ولو ها و فلو ولو ها را کاهش می دهد و از ایجاد فشارهای ناخواسته، آزادسازی ناخواسته در فرآیند ( بازشدن ناخواسته سیفتی ولو)و ایجاد جراحت در پرسنل، جلوگیری می کند.

• راندمان فرآیند: در اکثر موارد، چنانچه فشار و متغیر های فرآیندی دیگر در یک عدد مشخص و یا حول یک عدد مشخص ثابت بمانند، راندمان یا بازده فرآیند در بالاترین مقدار خواهد بود.

• مدیریت هزینه: تجهیزاتی مانند پمپ ها و کمپرسور ها، انرژی قابل توجهی را مصرف می کنند. بهینه سازی فشار موجب کاهش مصرف انرژی و مدیریت هزینه خواهد شد.

• اندازه گیری متغیر های فرآیندی دیگر: از ترانسمیتر های فشار در کاربرد های متعددی از جمله موارد زیر استفاده می شود.

  • اندازه گیری فلوی عبوری از یک لوله

  • اندازه گیری سطح سیال در مخازن

  • اندازه گیری جرم مخصوص یک ماده

  • اندازه گیری سطح مشترک مایعات

تاثیرات فشار بر روی فلو

میزان دبی یا فلو در یک خط لوله به موارد زیر وابسته است.

• ساختار فیزیکی خط لوله

• سرعت سیال

• میزان اصطکاک سیال با دیواره لوله

• دانسیته یا چگالی سیال

• ویسکوزیته یا گرانروی سیال

• عدد رینولدز

در ادامه مطلب به شرح هر یک از عوامل فوق می پردازیم:

ساختار فیزیکی خط لوله

قطر و سطح مقطع لوله، مقدار سیال برای هرقسمت از طول لوله را معین می کند که شامل تعیین عدد رینولدز برای یک کاربرد معین می شود.

سرعت

سرعت به فشار یا خلاء بستگی دارد که سیال را درلوله به جلو می راند.

اصطکاک

به این دلیل که هیچ لوله ایی کاملاْ صاف نیست، سیالی که با لوله در تماس است دچار اصطکاک می شود، بنابر این فلوی در تماس با دیواره ها سرعت کمتری نسبت به فلوی مرکز لوله خواهد داشت. هرچه لوله بزرگتر، صاف تر و تمیز تر باشد، اصطکاک اثر کمتری بر جریان فلو خواهد داشت.

دانیسته یا چگالی

دانسیته، میزان فلو را تحت تأثیر قرار می دهد زیرا هر چه سیال چگالی بالاتری داشته باشد، فشار بیشتری برای رسیدن به یک رنج فلوی مشخص لازم دارد. با توجه به این که مایعات، تراکم ناپذیر و گاز ها تراکم پذیر هستند، روش های متفاوتی برای اندازه گیری فلوی آن ها نیاز است.

ویسکوزیته یا گرانروی سیال

ویسکوزیته تحت عنوان اصطکاک مولکولی یک سیال تعریف می شود. ویسکوزیته نرخ فلو (دبی) را تحت تاثیر قرار می دهد، زیرا به طور کلی هر چه ویسکوزیته بالاتر باشد انرژی بیشتری لازم است تا به یک نرخ فلوی مشخص دست یافت. دما به صورت غیر مستقیم بر ویسکوزیته تأثیر می گذارد، به عنوان مثال دما های بالاتر از یک مقدار مشخص، ویسکوزیته اکثر سیالات را کاهش می دهد.

اصل برنولی

دنیل برنولی، یک ریاضیدان سوئیسی است که در زمینه هیدرو دینامیک تحقیق های بسیاری انجام داده است. مرکزیت کار او حول نگهداری انرژی بود و اولین راه حل را در خصوص توسعه تکنولوژی اندازه گیری فلو یا دبی ارائه داد. او اصل برنولی را بنا نهاد، این اصل بیان می کند که جمع همه انرژی های فلو یا دبی، بدون در نظر گرفتن شرایط باید ثابت بماند. به ویژه برای فلوی DP، جمع انرژی های استاتیک (فشار)، انرژی جنبشی (سرعت)، و انرژی پتانسیل (ارتفاع) بالادست مساوی انرزی پتانسیل، جنبشی و استاتیک پایین دست می باشد.

عدد رینولدز

اوزبورن رینولدز، دانشجوی فیزیک و یک مکانیک بود و بیشترین شهرت او بخاطر تحقیق و مطالعه جریان سیال در خط لوله بود، به خصوص در شرایطی که جریان از حالت آرام به متلاطم تغییر می کند. عدد رینولدز، یک تعریف عددی از نیرو های درونی بر نیرو های گرانرو، می باشد. به طور خلاصه این عدد ویژگی های جاری شدن (فلوی) یک سیال را شرح می دهد. عدد رینولدز یک مفهوم کلیدی برای طراحی فلومتر ها است و به عنوان یک محدودیت در رنج کاربرد فلومتر ها استفاده می شود.

می توان از عدد رینولدز برای تعریف نوع و شکل فلو یا دبی استفاده کرد. این موضوع زمانی اهمیت دارد که می خواهیم روش اندازه گیری دبی یا فلو را در یک سیستم مشخص کنیم. 3 نوع فلو یا دبی مختلف وجود دارد که هر کدام با یک عدد رینولدز مشخص می شود.

فلوی لامینار که با عدد رینولدز زیر 2000 مشخص می شود و یک فلوی روان است که درلایه های موازی جریان پیدا می کند. سرعت پایینی دارد، دارای ترکیبات حداقل است و گاهی اوقات دارای ویسکوزیته بالا می باشد. زمانیکه عدد رینولدز بین 2000 الی 4000 است، سیال اصطلاحا Transitional نامیده می شود. دبی ها با عدد رینولدز بالای 4000، دبی متلاطم و آشفته نامیده می شوند. این نوع سیال دارای سرعت بالا، ویسکوزیته پایین و دارای ترکیب سریع و کامل می باشد. زمانی که سیال متلاطم است (عدد رینولدز بالای 4000)، بهترین دقت در اندازه گیری فلوی اختلاف فشار را خواهیم داشت.