اندازه گیری جریان سیال
نگاه کلی
اندازه گیری جریان یک پارامتر کلیدی است که توسط کارخانهها برای خواندن مقادیر (شامل نیازهای حسابداری و کنترل فرآیندها استفاده می.شود پارامترهای معمول فرآیندی شامل جریان عبوری، دما و فشار که در بین آنها اندازه گیری جریان سیال بیشترین پیچیدگی را دارد که باعث میشود احتمال انتخاب اشتباه دستگاه ها نیز بیشتر گردد.
در حال حاضر فناوری و تکنولوژی در فلومترها یا جریان سنج ها به گونهای پیشرفت کرده است که باعث اعتماد و اطمینان پذیری بیشتر در اندازه گیری این پارامتر مهم گردیده .است علاوه بر نحوه عملکرد و اندازه گیری در این تجهیزات بر پایه اصول اولیه خود روز به روز و بطور مداوم در حال بهبود و بهینه شدن می باشد.
به عنوان نقطه شروع باید به این نکته دقت نمود که هیچ دستگاه اندازه گیری جریان سیال نمی تواند تمام نیازمندیهای اندازه گیری جریان سیال را پوشش دهد لذا براساس همین دلیل است که به گونه ای می توان انتخاب یک دستگاه جریان سنج یا یک فلومتر را به عنوان یک کار علمی و هنری تلقی نمود.
این مقاله بخشی از دانش پایه لازم را برای انتخاب دستگاه مناسب فلومترها برای مخاطبین عزیز فراهم میکند. انتخاب ابزار صحیح توسط فرد باید تجربیات کاربران واقعی را نیز مدنظر قرار دهد.
طبقه بندی فلومترها
فلومیترها بر اساس اصول مختلف اندازه گیری عمل می.کنند آنها به طور کلی به چهار دسته تقسیم میشوند:
1) فلومترهایی که دارای قطعاتی هستند که با سیال در ارتباط مستقیم هستند که در اصطلاح مهندسی به آنها wetted parts گفته میشود از قبیل فلومترهای توربینی جابجایی مثبت و با روتامیترها، این فلومترها از قطعات متحرک با ماشین قطعه سازی دقیق استفاده میکنند که عملکرد میتر را تعیین می کند. این قطعات در معرص سایش و استهلاک مکانیکی قرار میگیرند که در نتیجه باعث میشود تا از آنها برای اندازه گیری سیال هایی که تمیز هستند و تا حد امکان دارای ذرات ناخالصی نباشند استفاده نمود.
2) فلومترهایی که دارای قطعات غیر متحرک هستند و یا با سیال بطور مستقیم در تماس نمی باشند از قبیل فلومترهای ورتکس اختلاف فشار و یا حرارتی عدم وجود قطعات متحرک یک مزیت اساسی برای این فلومترها تلقی میگردد با این حال، بدلیل استهلاک در پایپینگ سیالهای بیش از حد کثیف و دارای ذرات ناخالصی می توانند برای این نوع فلومیترها نیز مشکل ایجاد کنند.
3) فلومترهای بدون مانع مانند کوریولیس و مغناطیسی این میترها به سیال امکان عبور از خود را میدهند و به همین دلیل عملکرد آنها برای سیالهای کثیف و ناخالص حفظ میشود.
4) فلومترهای دارای حسگر نصب خارجی مانند الحاق القایی آنالوگ و اندازه گیری جریان با ویر این میترها مانعی برای عبور جریان سیال ندارند و دارای قطعات wetted parts نمی باشند. با این حال، برخی از همین محدودیت ها باعث کاهش نحوه استفاده آنها می گردد.
همچنین از نقطه نظر نحوه اندازه گیری و مکانیسم استفاده از قوانین فیزیکی فلومترها را می توان به چهار نوع دیگر نیز طبقه بندی کرد :
1) فلومترهای حجمی یا Volumetric مانند میترهای از نوع جابجایی مثبت که در این نوع از فلومترها میزان حجم عبوری سیال بطور مستقیم اندازه گیری می گردد.
2) سرعت سیال مانند فلومترهای نوع مغناطیسی و یا توربینی که در اصطلاح Turbine میترها می باشند و یا فلومترهای نوع التراسونیک و یا فراصوتی که به Ultrasonic معروف میباشند از این قسم هستند. این میترها با ضرب کردن سرعت سیال در مساحت یا سطح مقطعی که سیال از آن عبور میکند، جریان کلی عبوری سیال را تعیین میکنند.
3) فلومترهای واسطه ای یا به عبارتی استنتاجی که در اصطلاح به فلومترهای از نوع inferential اتلاق می گردد. این میترها به دلیل ویژگیهای فیزیکی دیگری مانند استفاده از اختلاف فشار و نتیجه گیری در نهایت میزان جریان سیال را نتیجه می.دهند از این نوع فلومترها میتوان به فلومترهای نوع اختلاف فشار یا differential pressure و یا روتامیترها و یا به اصطلاح Variable Area Flometer ها اشاره نمود.
4) فلومترهای جرمی یا Mass Flowmeter مانند جریان سنج جرمی کوریولیس که این دستگاه ها جرم واقعی سیال عبوری را بطور مستقیم اندازه گیری میکنند از این دسته از فلومترها می باشند
اندازه گیری جریان سیال
جریان سیال یا همان دبی و یا Flow میتواند به عنوان حجم مایع در یک پایپ که از سطح مقطع آن در واحد زمان عبور میکند تعریف شود این مسئله به زبان ریاضی میتواند به صورت زیر بیان شود :
Q=AxV
V :سرعت عبوری سیال و
A: سطح مقطع پایپ می باشد
بنابراین جریان جرمی نیز میتواند به صورت زیر تعریف شود:
جریان حجمی × چگالی – جریان جرمی
معمولاً اندازه گیریها بر اساس فرمولهای تجربی و نتایج آزمایشی انجام می.شوند بنابراین، برای هر جریان سنج خاص شرکت که نیازمندیها و شرایط آزمایشی زیر نظر آن به فروش میرسد باید محدودیتها و شرایط تست و آزمایش را در نظر بگیرد به عنوان مثال با تغییر دما چگالی یک مایع نیز تغییر خواهد کرد. این در نتیجه ممکن است دقت خواندن را تحت تأثیر قرار دهد مگر آنکه جبرانسازی صورت گیرد.
برای استاندارد کردن اصطلاحات جریان گاز متخصصان اندازه گیری فرآیندی معمولاً به دبی گاز در شرایط عملیاتی و شرایط استاندارد فشار و دما اشاره میکنند
شرایط استاندارد فرض بر این است که فشار 14.696 psi به عنوان فشار مطلق معادل ۱۰۱۳۲۵ کیلوپاسکال در دمای ۵۹ درجه فارنهایت (یا ۱۵ درجه سلسیوس) است.
با این حال چنین شرایط استاندارد ممکن است در صنایع مختلف متفاوت باشند بنابراین عمل سازماندهی این شرایط برای جلوگیری از هرگونه خطای محاسباتی کار بسیار پسندیده ای است جریان گاز بیان شده در واحدهای استاندارد مقدار گاز در شرایط استاندارد است که متعاقبا میزان فلوی جرمی را نیز تحت تاثیر قرار میدهد. علت این رویکرد نیز مرتبط کردن جریان حجمی به جریان جرمی در شرایط عملیاتی است، زیرا فلوی جرمی در فشار psi 100 با فلوی جرمی در فشار 500psi به دلیل داشتن چگالی متفاوت بسیار تفاوت خواهد کرد.
برای گازها، اگر مقادیر اندازه گیری شده با مقادیر استفاده شده برای محاسبات متفاوت باشد. باید از جبرانسازی فشار و دما جبران شود برخلاف گازها مایعات دارای قابلیت فشرده شدن یا فشردگی یا به اصطلاح Compressibility نمی باشند اما بعد از تغییرات قابل توجه در دما ممکن است نیاز به جبران دمایی داشته باشند زیرا چگالی آنها ممکن است به شدت تغییر یابد.
دقت یا Accuracy
معمولاً دقت یا Accuracy به عنوان درصد جریان of flow rate % یا of full scale % بیان می گردد. متخصص گرامی باید هنگام تعریف دقت مراقب ،باشد زیرا این دو پارامتر با یکدیگر متفاوت هستند. به عنوان مثال، یک دستگاه با محدوده L/m 100-0 با دقت اندازه گیری flow rate accuracy 1% در فلوی 100 L/m دارای خطای L/m 1 خواهد بود این در حالیست که در فلوی 20 L/m میزان خطا یا دقت 0.2 L/m خواهد بود.
از طرف دیگر اگر یک دستگاه دارای محدوده اندازه گیری 100-0 با دقت اندازه گیری full scale accuracy 1% در فلوی L/m 100 دارای خطای L/m 1 خواهد بود و در فلوی 20 L/m میزان خطا نیز همان L/m 1 خواهد بود که این میزان خطا در فلوهای پایین قابل اغماض نمی باشد. لذا به نظر می رسد که یک فلومیتر با دقت اندازه گیری به شیوه flow rate accuracy مناسبتر و دارای خطای کمتری باشد.
نکات کلی در کاربرد فلومترها
بسته به نوع فلومتری که انتخاب میشود به متغیرهای زیادی که در هنگام استفاده از فلومترها مد نظر قرار می گیرد باید توجه نمود نادیده گرفتن اینگونه متغیرها منجر به اندازه گیری با خطای بالا یا عمر کوتاه فلومتر خواهد شد. به علاوه تاکید بر نیازهای مشترک برای بیشتر اندازه گیریها مانند شرایط فرآیندی، محدوده اندازه گیری و دقت نیازمند مطالعه دقیق بیشتری در موارد زیر خواهد بود :
- نمودار سرعت یا Velocity Profile
- ملاحظات لوله کشی و پایپینگ
- اندازه و سایز خط اصلی
نوع سیال
نوع سیال ممکن است نوع دستگاه فلومتر را برای یک کاربرد خاص محدود کند. به عنوان مثال:
در میترهای مغناطیسی نوع سیال حتماً باید از نوع رسانا باشد تا بتواند عملکرد مناسبی داشته باشد و به اندازه گیری مقدار فلوی سیال بپردازد زیر عملکرد این نوع فلومتر براساس میدان مغناطیسی بوده و رسانا بودن سیال در اندازه گیری دخالت دارد به نحوی که فلومترهای مغناطیسی برای سیالهای نارسانا قادر به اندازه گیری فلو نمی باشند.
در فلومترهای توربینی، بخار داخل پایپ که ناشی از متصاعد شدن مایع داخل لوله میباشد قابل اندازه گیری نیست این در حالیست که در میترهای از نوع vortex و یا اختلاف فشار ،مایع گاز و بخار قابل اندازه گیری هستند.
در شرایط سیال از نقطه نظر تمیز بودن و یا آلودگی سیال نیز محدودیتهایی وجود دارد. برخی از دستگاه های اندازه گیری ممکن است در صورت استفاده از مایعات دارای ناخالصی و یا آلوده مستهلک شوند. به عنوان مثال فلومیترهای از نوع اختلاف فشار عموماً در جاهایی که از مایعات آلوده یا تغییر شکل دهنده استفاده می شود، استفاده نمیشود یا ممکن است در شرایط خاص به این کار مستعد باشند از طرف ،دیگر میترهای مغناطیسی قادر به اندازه گیری مایعات ،آلوده لجنی تغییر شکل دهنده و الیافی می باشند.
نمودار سرعت با Velocity Profile
پروفایل یا نمودار سرعت اثر زیادی بر دقت و عملکرد اکثر فلومیترها دارد شکل پروفایل سرعت درون لوله به ترتیب از موارد زیر تهیه میشود:
نیروهای جرمی یا اگزوالی سیال که تمایل به حرکت سیال درون لوله دارد.
نیروهای لغزشی سیال که تمایل به کاهش سرعت سیال همزمان با نزدیکی به دیواره لوله دارد.
بنابراین، پیچیدگیها در لوله محدودیتها در خطوط و خشونت دیواره لوله یا roughness تأثیر بسزایی در شکل نمودار جریان و سرعت بازیابی از اختلالات جریان دارند.
نمودارهای جریان به سه نوع تقسیم میشوند:
- لامینار یا آرام (LAMINAR)
- آشفته (TURBULENT)
- گذرا (TRANSITION)
این نمودارهای جریان که به پروفایل سرعت سیال نیز معروف میباشد در شکل بعد نشان داده شده است.
- در جریان لامینار یا Laminar نیروهای لغزشی باعث کاهش سرعت سیال در نزدیکی به دیواره لوله میشوند. نمودار جریان نزدیک به حالت سهمی واراست و سرعت عبور سیال در مرکز لوله بیشتر از دیواره لوله است که جریان در آن کاهش یافته است.
- در جریان آشفته یا Turbulent، تأثیر نیروهای جرمی در مقایسه با تأثیر نیروهای لغزشی بیشتر است، بنابراین تأثیر دیواره لوله کاهش مییابد نمودار جریان در نتیجه همگن تر از جریان لامینار .است با این حال، لایه ای از سیال نزدیک به دیواره لوله لامینار باقی میماند.
- نمودار جریان گذرا یا Transition بین نمودار جریان لامینار و آشفته قرار دارد رفتار آن تمایل به پیش بینی و نوسانات بين نمودارهای جریان لامینار و آشفته دارد.
- نمودار جریان توسط چهار عامل تأثیر میپذیرد که رابطه آنها با هم به عنوان عدد رینولدز ( Reynolds number) نامیده میشود.
عدد رینولدز در واقع پروفایل و نمودار جریان در یک لوله را نشان میدهد و تأثیر ترکیبی از سرعت، چگالی و ویسکوزیته سیال را هم در این جریان در نظر میگیرد.
با این حال عدد رینولدز به خشونت سطح دیواره لوله یا roughness توجه نمیکند که ممکن است توزیع سرعت را تحت تأثیر قرار دهد و فقط برای مایعات نیوتونی قابل استفاده است. در چنین مایعاتی، ویسکوزیته مستقل از نرخ برش است.
عدد رینولدز به صورت زیر داده میشود :
براساس عدد رینولدز نحوه پروفایل سرعت را مشخص ،نمود که خواهیم داشت :
اگر عدد ریونلدز Rd کمتر از ۲۰۰۰ باشد جریان سیال به صورت Laminar و آرام و یکنواخت در نظر گرفته می شود و اگر به ۴۰۰۰ برسد شروع به متلاطم شدن میکند و اگر از ۱۰۰۰۰ عبور کند بدون تردید عملکرد جریان باید به صورت متلاطم بشود بازه بین ۲۰۰۰ و ۱۰۰۰۰ یک شرایط ناپایدار و پیچیده است که توسط بسیاری از پارامترها تحت تأثیر قرار میگیرد مانند اینکه سرعت در حال افزایش یا کاهش است.
الزامات پایپینگ
عملکرد فلوميتر عموماً بر حسب شرایط مرجع ایده آل یا reference conditions بیان میشود. تغییرات در قطر داخلی لوله و در بالادست لوله (Upstream) و یا پایین دست لوله (Downstream)، از جمله محدودیت های از قبیل ،ولوها ناهمترازی گسکتهای موجو در مسیر جریان و یا … بر عملکرد فلومیترها تاثیرگذار خواهند بود لذا به همین دلیل است که بطور معمول در پایین دست مسیر جریان از شیرهای کنترلی گردد تا کمک کند تا تاثیرات ناشی از آنها در جریان سیال کاهش یابد.
به علاوه مقاومت خود خط نیز باعث افت فشار سیال یا Pressure drop میشود که در برخی موارد، این امر مطلوب نیست چراکه میزان افت فشار خط در انتخاب فلومتر اثرگذار می.باشد به عنوان مثال، کاهش فشار در فلومترهای از نوع اختلاف فشار از متوسط تا کم متفاوت است در فلومترهای از نوع پیتوت تیوب، افت فشار نسبت به دیگر انواع فلومتر اثر کمتری دارد.
ترکیب بندی و نحوه پیکره بندی و تصب لوله و اتصالات نیز باید به گونه ای در نظر گرفته شود که متناسب با نوع سیال مایع و یا گاز تا بتوان در صورت نصب فلومتر دقت مناسب را در اندازه گیری میزان جریان سیال داشته باشد مثلا برای فلومترهای مایع حتماً فلومتر باید با مایع پر شود و از هرگونه حباب و یا ناخالصی و یا بخارات ناشی از سیال جلوگیری به عمل آید و یا همینطور در خصوص فلومترهای گازی باید طریقه نصـــب پایپینگ به گونه ای باشد که هیچگونه مایعی در مسیر اندازه گیری جریان ایجاد نگردد.
بسیاری از انواع فلومترها نیاز است تا در بالادست خود یا Upstream، جریان بصورت Laminar و آرام یکنواخت باشد که در اینصورت از فلو کاندیشنرهایی استفاده میگردد که جریان را بصورت کاملاً Laminar درآورد. به همین منظور سازندگان این نوع فلومترها جداولی را ارائه میدهند تا کاربر را در تعیین طول قسمت upstream و یا Downstream فلومتر هدایت کنند.
سایز خط لوله
یکی دیگر از مواردی که باید در انتخاب فلومتر بدان دقت داشت الزامات سایزینگ خط اصلی جریان می باشد، چرا که کلیه فلومترها تمامی سایزها را پوشش نمی دهند و نمیتوان برای آن استفاده نمود به عنوان مثال فلومترهای از نوع گردابی یا Vortex تنها میتوانند تا سایز خط ۸ اینچ را پشتیبانی کنند.
بنابراین سوال این است که آیا فلومتر انتخابی میتواند اندازه خط و جریان لازم را پشتیبانی کند؟
آیا این نوشته برایتان مفید بود؟
