وب سایت تخصصی مهندسی ابزاردقیق



تجهیزات اندازه گیری جریان سیال (فلومتر)

واحدهای اندازه گیری جریان سیال

جریان سیال با کمیت های حجم یا جرم بر واحد زمان اندازه گیری می شود.

    واحد های حجمی
  • مایع
    • گالن بر دقیقه، بشکه در روز، مترمکعب بر ساعت، لیتر در دقیقه، و...
  • گاز یا بخار مایع
    • فوت مکعب بر ساعت، متر مکعب بر ساعت و ...
    واحدهای جرمی (برای مایع، گاز و بخار مایع)
  • پوند بر ساعت، کیلوگرم بر ساعت و...

انواع تجهیزات اندازه گیری جریان سیال (فلومتر)

فلومتر ها بر اساس روش اندازه گیری به سه دسته تقسیم می شوند:

  1. اختلاف فشار
  2. جریان جرمی
  3. جریان حجمی

متداول ترین تجهیزات اندازه گیری جریان سیال (فلومتر ها) مربوط به هر دسته که به ترتیب توضیح داده خواهند شد، به شرح زیر فهرست بندی شده اند:

فلومتر اختلاف فشار

فلومتر جرمی

فلومتر حجمی

همانطور که ملاحظه می کنید انواع مختلفی از تجهیزات اندازه گیری جریان سیال وجود دارند که ممکن است انتخاب نوع مناسب را پیچیده کند.

در ادامه شما می توانید توضیح خلاصه شده هر یک از انواع این تجهیزات شامل مبنای کارکرد، دقت اندازه گیری، بازه اندازه گیری، مزایا ، معایب، الزامات نصب و مناسب ترین زمینه کاربرد را پیدا کنید.

فلومتر اختلاف فشار

فلومترهای اختلاف فشار بر اساس قانون برنولی کار می کنند.

دانیل برنولی، ریاضیدان و فیزیکدان سوییسی، در سال 1738 قانون برنولی را در کتاب خود به نام هیدرونامیکا منتشر کرد.

قانون برنولی بیان می کند که کاهش در فشار یا انرژی پتانسیل یک سیال در سیستم بسته، باعث افزایش سرعت سیال می شود.

Bernoulli's Law-fig01

قانون برنولی می تواند از قانون بقای انرژی بدست آید.

قانون بقای انرژی بیان می کند که انرژی کل یک سیال که به یک سیستم وارد میشود برابر است با انرژی کلی که از آن سیستم خارج می شود.

Conservation of energy

از قانون برنولی می توان برداشت کرد که افت فشار بین دو طرف یک گلوگاه، متناسب با ریشه دوم جریان سیال است.

بر اساس این اصل، فلومتر اختلاف فشار یک گلوگاه مشخص ایجاد می کند و اختلاف (افت) فشار بوجود آمده را اندازه گیری می کند، سپس میزان جریان سیال (فلو) را از معادله زیر محاسبه می کند:

Differential Pressure

Flow Equation

عدد رینولدز

اوزبورن رینولدز، فیزیکدان بریتانیایی متولد ایرلند، عدد رینولدز که یک نسبت بدون واحد است را برای توصیف مشخصه رفتاری سرعت و جریان یک سیال، عنوان کرد.

عدد رینولدز نسبت نیروهای اینرسی به نیروهای چسبندگی یک مایع است که بصورت زیر تعریف می شود:

Reynolds Number

در سرعت های کم یا گرانروی (ویسکوزیته) بالا، عدد رینولدز مقدار کمی دارد و مایع در لایه های صاف حرکت می کند و بیشترین سرعت را در مرکز لوله و کمترین سرعت را در نزدیک دیواره های لوله که نیروی چسبندگی باعث توقف سیال می شود دارد.

رفتار جریان با عدد رینولدز پایین، جریان لمینار (آرام) نامیده می شود و رفتار سرعت آن بصورت سهمی شکل است.

در سرعت های بالا یا گرانروی (ویسکوزیته) پایین، عدد رینولدز مقدار زیادی دارد و رفتار جریان بی نظم و دارای گردابها و پیچشهای کوچک است.

به این رفتار جریان، تربیولنت (نا آرام) می گویند و سرعت سیال در مرکز لوله با سرعت نزدیک به دیواره های لوله تقریبا برابر است.

Flow Profile

علاوه بر عدد رینولدز، اصطکاک با دیواره های لوله نیز نقش مهمی در شکل دهی رفتار جریان دارد.

اکثر فلومترها دقت بالایی در شرایط جریان لمینار (آرام) ندارند، اما دقت اندازه گیری قابل قبولی در شرایط جریان تربیولنت ( ناآرام ) دارند.

فلومترهای اختلاف فشار از آن دسته هستند.

در جریان تربیولنت ( ناآرام ) اختلاف فشار ایجاد شده در دوسر گلوگاه متناسب با ریشه دوم جریان سیال (فلو) است.

بنابراین فلو می تواندبا استفاده از معادله فلو که قبلا بیان شد توسط فلومترهای اختلاف فشار اندازه گیری شود.

در جریان لمینار (آرام) یک رابطه خطی بین فلو و اختلاف فشار برقرار است.

بنابراین معادله فلوی اشاره شده دیگر برای محاسبه جریان دقیق نیست، بخصوص برای جریانهای کم.

این بدان معناست که عدد رینولدز می تواند به عنوان یک مورد ضروری در انتخاب فلومتر مناسب در نظر گرفته شود.


انواع فلومترهای اختلاف فشار

انواع مختلف فلومترهای اختلاف فشار بر اساس جزء اصلی فلومتر (المنت فلو) که چگونه گلوگاه را برای تولید اختلاف فشار بوجود می آورند، تعریف می شوند.

اجزای اصلی فلومتر (المنتهای فلو) زیر متداول ترین انواع مورد استفاده در صنایع مختلف هستند:

  • صفحه اوریفیس
  • تیوب ونتوری
  • نازل
  • گوه ای (وج)
  • مخروط وی (مخروط ونتوری)
  • تیوب پیتوت
  • سطح مقطع متغیر (روتامتر)

صفحه اوریفیس

صفحه اوریفیس یک صفحه فلزی با یک سوراخ است که در خط لوله و بین دو فلنج نصب می شود تا گلوگاه مناسب برای ایجاد اختلاف فشار لازم برای اندازه گیری جریان سیال(فلو) را بوجود آورد.

Orifice Plate

اندازه سوراخ صفحه اوریفیس بر اساس اختلاف فشار مورد نیاز و متناسب با مقدار فلویی که باید اندازه گیری شود، محاسبه می شود.

بر اساس خصوصیات سیال و عدد رینولدز اشکال مختلفی از سوراخ در صفحه اوریفیس استفاده می شود.

استانداردISO 5167 part 2 خصوصیات و ابعاد صفحات اوریفیس، که پایه محاسبه اندازه سوراخ صفحه اوریفیس است را شرح داده است.

انواع سوراخ صفحه اوریفیس

  • هم مرکز
    • لبه تیز ( Square Edge )
    • لبه گرد ( Quadrant Edge )
    • کانونی ( Conical )
  • غیر هم مرکز
  • قطاعی
  • چند سوراخه
Square edge quadrant edge Orifice Plate
Conical Eccentric Orifice Plate
Segmental Multi-hole Orifice Plate

انتخاب صفحه اوریفیس

صفحه اوریفیس لبه تیز، صفحه اوریفیس استاندارد و متداولترین صفحه اوریفیس است.

در این صفحه اوریفیس لبه بالادستی سوراخ اوریفیس که سیال از آنجا وارد سوراخ می شود دارای شکل مربعی و تیز است.

صفحه اوریفیس لبه تیز می تواند برای سرویسهای غیر چسبنده ( غیر وسیکوز) با عدد رینولدز بالاتر از 2000 مورد استفاده قرارگیرد.

صفحه اوریفیس لبه تیز محدودیت اندازه خط لوله ندارد و می تواند برای خطوط لوله از 1 اینچ تا 60 اینچ استفاده شود.

صفحه اوریفیس لبه تیز برای سرویسهای ساینده مناسب نیست.

برای سرویسهای چسبنده (ویسکوز) با عدد رینولدز پایین که نتیجه خوبی در محاسبه و سایزینگ صفحه اوریفیس لبه تیز بدست نمی آید، استفاده از صفحه اوریفیسهای لبه گرد و کانونی می تواند کارگشا باشد و ممکن است نتیجه محاسبات خوبی حاصل شود.

صفحه اوریفیس های لبه گرد و کانونی می توانند برای خطوط لوله با اندازه کمتر از 6 اینچ مورد استفاده قرارگیرند.

صفحه اوریفیس های هم مرکز ( لبه تیز، لبه گرد و کانونی) الزاما باید برای اندازه گیری جریان مایعات و گازهای تمیز مورد استفاده قرارگیرند.

برای سرویسهای کثیف، چندفازی و دوغابی از صفحه اوریفیس های غیر هم مرکز و قطاعی استفاده می شود.

صفحه اوریفیس غیر هم مرکز مانند نوع هم مرکز است با این تفاوت که سوراخ آن دارای یک جابجایی نسبت به مرکز صفحه می باشد.

سوراخ صفحه اوریفیس قطاعی یک قسمت از دایره است و این صفحه نمی تواند در خطوط لوله عمودی استفاده شود.

صفحه اوریفیس چند سوراخه مشابه صفحه اوریفیس هم مرکز است اما بیشتر از یک سوراخ دارد و دارای مزایای زیر نسبت به آن است:

  • می تواند با خطه لوله صاف کمتری در بالادست و پایین دست خود استفاده شود
  • نویز و صدای کمتری دارد
  • افت فشار کمتری دارد
  • گردابهای کمتری در پایین دست ایجاد می کند
  • دقت اندازه گیری بیشتری دارد
  • می تواند به صورت یک مجموعه پیوسته و جمع و جور به همراه ترانسمیتر تهیه گردد
  • نیاز به سوراخ خروج گاز و سوراخ تخلیه مایع ندارد

جدول زیر می تواند برای انتخاب صفحه اوریفیس مناسب، مفید باشد:

نوع صفحه اوريفيس بازه عدد رينولدز اندازه خط لوله خصوصيات سيال
اوريفيس هم مرکز لبه تيز بيش از 2000 از 1 تا 60 اينچ (تميز، تربيولنت (نا آرام
اوريفيس هم مرکز لبه گرد از 100 تا 2000 از 1 تا 6 اينچ (تميز ، چسبنده ، لمينار (آرام
اوريفيس هم مرکز کانونی از 50 تا 100 از 1 تا 6 اينچ (تميز ، چسبنده ، لمينار (آرام
غير هم مرکز بيش از 10000 از 4 تا 14 اينچ کثيف ، دوغابی ، چندفازی
قطاعی بيش از 10000 از 4 تا 14 اينچ کثيف ، دوغابی ، چندفازی

در صورتی که قطر سوراخ اوریفیس بیشتر از 1 اینچ باشد، لازم است سوراخ خروج گاز برای سرویسهای مایع و سوراخ تخلیه مایع برای سرویسهای گاز در نظر گرفته شود تا از تجمع گاز و میعانات پشت صفحه اوریفیس و خطا در اندازه گیری جلوگیری شود.

قطر سوراخهای خروج گاز و تخلیه مایع نباید از 2 میلیمتر بیشتر باشد.


محل تپ ها (نقاط اندازه گیری)

به منظور اندازه گیری اختلاف فشار، دو نقطه اندازه گیری ( تپ ) یکی در بالادست صفحه اوریفیس و دیگری در پایین دست آن مورد نیاز است.

Orifice Plate Tap Location

متداول ترین محل نقاط اندازه گیری (تپ) عبارتند از:

  • روی فلنج
  • گوشه (کرنر)
  • شعاعی (ردیوس)
  • نقطه گلوگاه (ونا-کانترکتا)
  • روی خط لوله

اندازه گیری (تپینگ) روی فلنج

اندازه گیری روی فلنج متداول ترین روش برای صفحات اورفیس بزرگتر از 2 اینچ است.

تپ ها ( نقاط اندازه گیری) بر اساس استاندارد ASME B16.36 روی فلنجها توسط سازنده سوراخکاری می شوند و فاصله هر تپ تا صفحه اوریفیس برابر با 1 اینچ ( 25.4 میلیمتر ) است.

کلاس ( ریتینگ) مینیمم برای فلنجهای صفحه اوریفیس 300# است.

Flange Tapping

این امکان وجود دارد که از دو جفت تپ برای استفاده از یک صفحه اوریفیس برای دو سیستم اندازه گیری جریان استفاده شود اما به منظور جلوگیری از تداخل متقابل، لازم است جفتهای تپ حداقل 30 درجه نسبت به هم فاصله داشته باشند.

شکل بالا یک فلنج صفحه اوریفیس با دو جفت تپ را نشان می دهد.


اندازه گیری (تپینگ) گوشه

در اندازه گیری گوشه، تپ ها مشابه اندازه گیری روی فلنج، بر روی فلنج سوراخکاری شده اند با این تفاوت که فشار در گوشه بین دیواره لوله و صفحه اوریفیس اندازه گیری می شود.

اندازه گیری گوشه معمولا برای خطوط لوله کوچکتر از 2 اینچ و برای صفحات اوریفیس لبه گرد و کانونی در سرویسهایی با جریان کم یا گرانروی بالا (ویسکوز) استفاده می شود.

Corner Tapping

اندازه گیری شعاعی (ردیوس)

در اندازه گیری شعاعی تپ ها روی خط لوله قراردارند.

تپ بالادستی در فاصله 1 قطر لوله (1D) و تپ پایین دستی در فاصله نصف قطر لوله ( 1/2D) از صفحه اوریفیس قرار دارند.

Radius Tapping

در سرویهایی که استفاده از محافظ جدا کننده (دیافراگم سیل) در محل تماس با مواد فرآیندی الزامی است، تپینگ ردیوس به دلیل فراهم کردن فضای کافی برای محافظ جدا کننده (دیافراگم سیل) و فلنجهای آن در بالادست و پایین دست صفحه اوریفیس می تواند استفاده شود.

به عنوان مثال در بعضی از سرویسهای سمی استفاده از اتصال رزوه ای ممنوع است، بنابراین تپینگ ردیوس با محافظ جدا کننده (دیافراگم سیل) برای صفحه اوریفیس بجای تپینگ روی فلنج که رزوه ای است، می تواند راه حل مناسبی باشد.


اندازه گیری نقطه گلوگاه (ونا-کانترکتا)

تپینگ نقطه گلوگاه و شعاعی بسیار شبیه هم هستند اما در تپینگ نقطه گلوگاه، تپ پایین دستی در نقطه کمترین فشار که به آن نقطه گلوگاه (ونا-کانترکتا) می گویند قرار دارد.

Vena-Contracta Tapping

موقعیت نقطه گلوگاه به مقدار β بستگی دارد.

β نسبت قطر سوراخ صفحه اوریفیس به قطر داخلی لوله است.

در خطوط لوله کوچکتر از 6 اینچ، نقطه گلوگاه بسیار نزدیک به فلنج اوریفیس است که ایجاد تپ بسیار مشکل است، بنابراین تپینگ نقطه گلوگاه برای خطوط لوله بالاتر از 6 اینچ استفاده می شود.

تپینگ نقط گلوگاه اگر محل تپ پایین دستی به دقت محاسبه شود، بیشترین اختلاف فشار برای اندازه گیری جریان را میسر می کند.


اندازه گیری روی خط لوله

در تپینگ روی خط لوله، تپ بالادستی در فاصله دو برابر ونیم قطر لوله ( 2.5D) و تپ پایین دستی در فاصله هشت برابری قطر خط لوله ( 8D ) از صفحه اوریفیس قراردارند.

Pipe (Full Flow) Tapping

به دلیل فاصله زیاد از صفحه اوریفیس، محاسبه دقیق برای محل تپ ها نیاز نیست.

در تپینگ روی خط لوله کمترین اختلاف فشار اندازه گیری میشود، بنابراین خطای بیشتری در اندازه گیری جریان سیال در این نوع تپینگ انتظار می رود.


زاویه نصب نقاط اندازه گیری

برای سرویسهای مایع زاویه تپ ها باید افقی یا تا 45 درجه زیر خط افق باشد تا به بخارات جمع شده اجازه خروج از خطوط و تیوبهای نمونه گیری داده شود.

Tap Orientation for Liquids

زاویه تپ ها نباید بیشتر از 45 درجه پایین خط افق قرار گیرد تا از ورود رسوبات به تیوبهای نمونه گیری جلوگیری شود.

در سرویسهای مایع ترانسمیتر اختلاف فشار باید در نقطه ای پایین تر از موقعیت تپ ها نصب گردد.

در سرویسهای گاز تپ ها باید عمودی یا با زاویه 45 درجه از خط عمود نصب گردند تا به میعانات اجازه خروج از خطوط و تیوبهای نمونه گیری داده شود.

Tap Orientation for Gases

در سرویسهای گاز ترانسمیتر اختلاف فشار باید در نقطه ای بالاتر از موقعیت تپ ها نصب گردد.

برای سرویسهای بخار تپ ها باید افقی و یا تا 45 درجه بالاتر از خط افق نصب شوند تا به بخارات اجازه خروج داده شود از خطوط و تیوبهای نمونه گیری که با بخار مایع شده (کندانس) پر شده اند خارج شود.

Tap Orientation for Steam

زاویه نصب سرویسهای مایع می تواند برای سرویسهای بخار نیز استفاده شود اما در سرویسهایی که بخار سرعت بالایی دارد عدم دقت در زاویه نصب پایین تر از خط افق افزایش می یابد.

در سرویسهای بخار ترانسمیتر اختلاف فشار باید در نقطه ای پایین تر از موقعیت تپ ها نصب گردد.

برای محافظت ترانسمیتر اختلاف فشار از دمای بالای بخار می توان مخزن میعان ( کاندنس پات) که با آب یا میعانات پر شده است در نزدیکترین نقطه به شیر جدادکننده تپ ها در نظر گرفت.


ضخامت صفحه اوریفیس

صفحه اوریفیس باید دارای ضخامت و استقامت مکانیکی مناسب برای تحمل ضربات و نیروهای جریان بدون اینکه فشرده شود یا تغییر شکل دهد، باشد.

با استناد به استاندارد ISO 5167-2 ضخامت صفحه اوریفیس بصورت زیر تعریف می شود:

Orifice Plate Thickness

جدول زیر ضخامتهای متداول صفحه اوریفیس را برای اندازه های مختلف خطوط لوله ارایه می کند:

اندازه لوله (ضخامت صفحه اوريفيس ميليمتر(اینچ
از 2 تا 6 اينچ (ضخامت 3 ميليمتر (0.125 اينچ
از 8 تا 14 اينچ (ضخامت 6 ميليمتر (0.25 اينچ
از 16 تا 24 اينچ (ضخامت 9 ميليمتر (0.375 اينچ
بزرگتر از 26 اينچ (ضخامت 12 ميليمتر (0.5 اينچ

محاسبات صفحه اوریفیس

هدف محاسبات صفحه اوریفیس محاسبه قطر سوراخ آن است.

قطر سوراخ صفحه اوریفیس ( قطر گلوگاه) باید به نحوی تعیین گردد تا اطمینان حاصل شود که می تواند حداکثر جریان سیال در نظر گرفته شده را عبور دهد ، همچنین اختلاف فشار مناسب برای اندازه گیری جریان سیال (فلو) با دقت قابل قبول را ایجاد نماید.

اگر دوباره معادله فلو را مد نظر قراردهیم، ورودی و خروجی های محاسبات را خواهیم یافت.

Orifice Plate Calculation

لازم است این معادله را برای بدست آوردن β که نسبت قطر سوراخ اوریفیس به قطر لوله است، حل کنیم.

محاسبات صفحه اوریفیس باید طبق استاندارد EN ISO 5167-2 انجام شود.

بر اساس EN ISO 5167-2 قطر سوراخ اوریفیس باید در هر حالتی بزرگتر یا مساوی 12.5 میلیمتر باشد و β نیز باید همیشه بزرگتر یا مساوی 0.1 و کوچکتر یا مساوی 0.75 باشد.

معمولا در مشخصات فنی پروژه ها در اکثر صنایع بازه مجاز β از 0.2 تا 0.75 است که در بازه عنوان شده در استاندارد EN ISO 5167-2 قرار می گیرد.

Q، ماکزیمم مقدار جریان سیال است که باید از سوراخ اوریفیس عبور کند. این مقدار حد بالایی بازه اندازه گیری جریان سیال است.

بدین معنی که ترانسمیتر اختلاف فشار نمی تواند مقدار جریان سیالی بالا از این مقدار را با این صفحه اوریفیس اندازه گیری کند.

مقادیر کمترین، حالت نرمال و ماکزیمم جریان سیال جهت محاسبات در دیتاشیت صفحه اوریفیس توسط بخش فرآیند مشخص می شود.

Q، به عنوان حد بالای بازه اندازه گیری فولی دستگاه، باید این مقادیر فلو را پوشش دهد تا در صورت تغییرات جزیی در شرایط فرآیندی یا افزایش جزیی فلوی ماکزیمم، همچنان صفحه اوریفیس و ترانسمیتر اختلاف فشار برای اندازه گیری فلو مناسب باشند.

پیشنهاد برای مقدار Q در محاسبات صفحه اوریفیس، 10% بیشتر از ماکزیمم فلو فرآیند است.

مقدار اختلاف فشار به بازه سنسور ترانسمیتر اختلاف فشار بستگی دارد.

البته ترانسمیتر اختلاف فشار می تواند برای هر بازه اندازه گیری که در محدوده اندازه گیری سنسور باشد کالیبره شود اما مطلوب این است که بازه های اندازه گیری استاندارد سازندگان که در زیر آورده شده است انتخاب شود:

50 میلی بار، 100 میلی بار، 125 میلی بار، 250 میلی بار و 500 میلی بار.

اکنون اگر اطلاعات فرآیندی سرویس و متریال خط لوله در دسترس باشد، آنگاه تنها پارامتر مجهول معادله β است که خود، هدف انجام این محاسبات است.


نکات خلاصه شده محاسبات صفحه اوریفیس

محاسبات صفحه اوریفیس باید با استفاده از نرم افزار محاسبه المنت فلو انجام شود.

نرم افزار Flowel 4 به عنوان یک نرم افزار دقیق و قابل اطمینان برای محاسبات صفحه اوریفیس پیشنهاد می گردد.

همانطور که قبلا نیز گفته شد هدف حل معادله فلو بدست آوردن مقدار β است.

ورودی های اولیه محاسبات به شرح زیر است:

  • اندازه، ضخامت و متریال خط لوله
  • نوع تپینگ: تپینگ روی فلنج
  • نوع صفحه اوریفیس: لبه تیز
  • Q= 110% مقدار ماکزیمم فلوی فرآیندی
  • Δ P = 250 میلی بار
  • دمای فرآیندی
  • چگالی
  • گرانروی (ویسکوزیته)
  • وزن مولکولی (برای گازها)
  • فشار بخار شوندگی (برای محاسبه کویتیشن برای مایعات)

خروجی محاسبات β است که باید بین 0.2 و 0.75 باشد.


β < 0.2

اگر β < 0.2 آنگاه Δ P می تواند به 125 میلی بار تغییر یابد.

اگر β همچنان کمتر از 0.2 بود، آنگاه مقادیر کمتری از Δ P تا 50 میلی بار می تواند امتحان شود تا β در بازه مناسب قرار گیرد، در غیر اینصورت لازم است عدد رینولدز به منظور تغییر نوع صفحه اوریفیس به لبه گرد یا کانونی، مد نظر قرارگیرد.

توجه کنید که اگر نوع اوریفیس به کانونی تغییر یابد، آنگاه باید تپینگ گوشه ای انتخاب گردد.


β > 0.75

اگر β بزرگتر از 0.75 شود آنگاه Δ P را به 500 میلی بار تغییر دهید.

مقادیر بیشترΔ P به دلیل تاثیر روی دقت اندازه گیری در جریانهای کم، پیشنهاد نمی گردد.

شکل زیر یک برگ نمونه از محاسبات صفحه اوریفیس را نشان می دهد:

Orifice Plate Calculation Sheet

متریال صفحه اوریفیس

مقاومت در برابر خوردگی، استحکام مکانیکی و قیمت مواردی هستند که باید در انتخاب متریال صفحه اوریفیس مد نظر قرار گیرند.

فولاد ضد زنگ AISI 316، بهترین متریال برای صفحه اوریفیس است زیرا دارای مقاوت خوردگی مناسب در برابر سرویس های خورنده و مشخصات مکانیکی قابل قبول در بازه دمایی منفی 254 تا مثبت 816 درجه سانتی گراد است.

برای فرآیندهایی که دارای یونهای مهاجم مانند کلراید ( -CL) هستند مانند آب دریا، آلیاژهای Duplex و Superduplex که دارای نمره معادل مقاومت خوردگی پوک شوندگی (PREN) بیشتر از 40 هستند، پیشنهاد می گردند.

برای متریال فلنج های صفحه اوریفیس، باید مدرک مشخصات متریال خطوط لوله (PMS) مرجع قرارگیرد که معمولا متریال آن مانند متریال خط لوله است.

برای خطوط لوله با متریال فولادهای کربنی (کربن استیل)، متداول ترین متریال می تواند بصورت زیر باشد:

  • فولاد کربنی فورج ASTM A 105 : برای خطوط لوله کوچکتر از 2 اینج در دمای محیط یا دمای بالا (منفی 29 تا 476 درجه سانتی گراد)
  • فولاد کربنی کست ASTM A 216WCB: برای خطوط لوله بزرگتر از 2 اینچ در دمای محیط یا دمال بالا (منفی 29 تا 476 درجه سانتی گراد)
  • فولاد کربنی فورج ASTM A352 LCB : برای خطوط لوله کوچکتر از 2 اینچ در دماهای پایین ( منفی 46 درجه سانتی گراد)
  • فولاد کربنی کست ASTM A350 LF2 : برای خطوط لوله بزرگتر از 2 اینچ در دماهای پایین ( منفی 46 درجه سانتی گراد)

خط لوله مستقیم مورد نیاز صفحه اوریفیس

صفحات اوریفیس برای دست یابی به حداکثر دقت نیاز به جریان سیال ثابت و بدون چرخش دارند.

تجهیزات و ادوات لوله کشی ممکن است باعث ایجاد چرخش ، موجهای خروشان یا گرداب در جریان سیال شوند.

بنابراین باید برای نصب صفحات اوریفیس به کافی بودن خط لوله صاف در بالادست صفحه اورفیس توجه شود تا فرصت لازم برای آرام و میرا شدن چرخش ها یا موجهای جریان سیال فراهم و از داشتن رفتار سیال پایدار و طبیعی بعد از آن اطمینان حاصل شود.

استاندارد EN ISO 5167 مقدار خط لوله صاف مورد نیاز در بالادست و پایین دست برای نصب صفحه اوریفیس را بصورت جدول زیر فراهم کرده است:

Note 1: Values expressed as multiplies of pipe internal diameter, D.

Note 2: S is the separation between two bends.

Note 3: Column A for each fitting gives lengths corresponding to "zero additional uncertainly" values.

Note 4: Column B for each fitting gives lengths corresponding to "0.5% additional uncertainly" values.

Note 5: This is not a good installation; a flow conditioner should be used where possible.

Note 6: The installation of thermowell will not alter the required minimum upstream straight lengths for the other fittings.

Note 7: A thermowell of diameter between 0.03D and 0.13D may be installed provided that values in columns A and B are increased to 20 and 10 respectively. Such and installation is not, however, recommended.

Note 8: 95D is required for Re>2 x 10^6 if S<2D.

β Upstream side of orifice plate Downstream of orifice plate
1 Bend 90° / 2 Bends 90° any plane S>30D 2 Bends 90° same plane S-config. 30D≥S>10D 2 Bends 90° same plane S-config. 10D≥S 2 Bends 90° perpendicular planes 30D≥S≥5D 2 Bends 90° perpendicular planes 5D>S (note 5) 1 Tee 90°- Mitre 90° bend 1 Bend 45° / 2 Bends 45° same plane S-config. S≥2D Concentric reducer 2D to D over a length of 1.5D to 3D Concentric expander 0.5D to D over a length of D to 2D Full bore ball valve or gate valve fully open Abrupt symmetrical reduction Thermowell diameter ≤0.03D (note 6,7) Fittings and densitometer pocket
- A B A B A B A B A B A B A B A B A B A B A B A B A B
≤0.20 6 3 10 - 10 - 19 18 34 17 3 - 7 - 5 - 6 - 12 6 30 15 5 3 4 2
0.40 16 3 10 - 10 - 44 18 50 25 9 3 30 9 5 - 12 8 12 6 30 15 5 3 6 3
0.50 22 9 18 10 22 10 44 18 75 34 19 9 30 18 8 5 20 9 12 6 30 15 5 3 6 3
0.60 42 13 30 18 42 18 44 18 65 (Note8) 25 29 9 30 18 8 5 20 9 12 6 30 15 5 3 6 3
0.67 44 20 44 18 44 20 44 20 60 18 36 18 44 18 12 6 28 14 18 9 30 15 5 3 7 3.5
0.75 44 20 44 18 44 22 44 20 75 18 44 18 44 18 13 8 36 18 24 12 30 15 5 3 8 4

اگر فضای کافی برابر با طول خط لوله صاف پیشنهادی در بالادست المنت اندازه گیری فلو وجود نداشته باشد، می توان از اصلاح کننده جریان (کاندیشنر) برای میرا کردن چرخشها و گردابهای در طول کوچکی از خط لوله استفاده کرد.


دقت اندازه گیری صفحه اوریفیس

پارامتر هایی که دقت اندازه گیری جریان سیال با استفاده از صفحه اوریفیس را تحت تاثیر قرار می دهند عبارتند از : ضریب عبور دهی جریان، مشخصات سیال، شرایط جریان و دقت ترانسمیتر اختلاف فشار.

ضریب عبوردهی جریان سیال، نسبت جریان سیال واقعی به جریان سیال محاسباتی است که برای استخراج جریان سیال واقعی از معادله جریان در آن اعمال می شود.

عدد رینولدز نقش بزرگی در ضریب عبوردهی جریان سیال دارد.

برای عداد رینولدز بالا، تاثیر گرانروی قابل چشم پوشی است ، اما در اعداد رینولدز پایین گرانروی می تواند ضریب عبوردهی جریان سیال و محاسبات جریان سیال را تحت تاثیر قراردهد.

مشخصات سیال روی دقت اندازه گیری در محاسبات تبدیل جریان حجمی به جریان جرنی تاثیر می گذارد.

مشخصات فیزیکی سیال مانند ضریب معرف آنتروپی، k، در سیالات تراکم پذیر که تابعی از دما و در مواردی فشار است، روی چگالی که برای محاسبه جریان جرمی بسیار اهمیت دارد تاثیر می گذارد.

همانطور که قبلا بیان شد، تجهیزات لوله کشی در بالا دست المنت اندازه گیری فلو می توانند در جریان سیال اغتشاش و چرخش ایجاد کنند که در دقت اندازه گیری جریان سیال تاثیر می گذارد.

با درنظر گرفتن طول مناسب خط لوله صاف در بالادست المنت اندازه گیری فلو یا استفاده از اصلاح کننده جریان (کاندیشنر) می توان تاثیر شرایط جریان را در دقت اندازه گیری به حداقل رساند.

ترانسمیتر های اختلاف فشار امروزی بسیار پیشرفته شده اند تا خطا و عدم دقت اندازه گیری و پردازش را به حداقل برسانند بنابراین خطا و عدم دقت کل آنها می تواند 0.1% بازه اندازه گیری باشد.

در جمع بندی با در نظر گرفتن تمام پارامترهای تاثیر گذار و راه حلهای کاهش خطای عنوان شده، بهترین دقت اندازه گیری جریان سیال مجموع صفحه اوریفیس و ترانسمیتر اختلاف فشار می تواند 1% بازه اندازه گیری باشد.


گستره اندازه گیری صفحه اوریفیس

گستره اندازه گیری نسبت بیشترین به کمترین مقدار جریان سیال قابل اندازه گیری با دقت معین است.

گستره اندازه گیری صفحه اوریفیس 3:1 ( سه به 1) است.

بدین معنی که اگر کمترین مقدار اندازه گیری جریان سیال با دقت 1% بازه اندازه گیری برابر با 30 متر مکعب بر ساعت باشد ، آنگاه بیشترین مقدار جریان سیال که می تواند با دقت 1% بازه، اندازه گیری شود برابر با 30x3 معادل 90مترمکعب در ساعت است.

بنابراین اگر نسبت بیشترین به کمترین مقدار جریان سیال که قرار است اندازه گیری شود بیشتر از 3 باشد، در این صورت صفحه اوریفیس تجهیز اندازه گیری جریان سیال مناسبی برای آن فرآیند نیست.

در این موقعیت یک راه حل ازان استفاده از فلنجهای اوریفیس دارای دو جفت تپ به همراه دو ترانسمیتر اختلاف فشار و تقسیم بازه اندازه گیری جریان به دو بازه منطقی در نرم افزار سیستم کنترل DCS با گستره اندازه گیری کمتر از 3:1 می باشد.

اولین ترانسمیتر برای مقادیر پایین جریان سیال و دیگری برای مقادیر بالای جریان سیال تنظیم می شوند و سیستم کنترل DCS مسئول جابجایی اتوماتیک بین خروجی دو ترانسمیتر با درنظر گرفتن مقدار جریان سیال جهت حفظ دقت 1% است.

با این راه حل، گستره اندازه گیری می تواند به 10:1 ( 10 به 1) گسترش یابد.


مجموعه اوریفیس یکپارچه (میتر ران)

مجموعه اوریفیس یکپارچه همان صفحه اوریفیس با صفحه لبه گرد است با این تفاوت که بصورت مجموعه یک پارچه شامل لوله های صاف بالادستی و پایین دستی، صفحه اوریفیس، فلنجها، تپینگ و ترانسمیتر اختلاف فشار تامین می شود.

مجموعه اوریفیس یکپارچه برای خطوط لوله 2 اینچ و کوچکتر و فرآیندهایی با جریان سیال بسیار کم کاربرد دارد.

طول لوله های صاف بالادستی و پایین دستی توسط سازنده برای هر مورد استفاده به منظور کاهش خطا محاسبه می شود.

Meter Run

تیوب ونتوری

تیوب ونتوری مشابه صفحه اوریفیس یک اختلاف فشار برای محاسبه جریان سیال (فلو) بر اساس قانون برنولی، ایجاد می کند.

تیوب ونتوری ظرفیت عبور جریان سیال بیشتر و جبران سازی فشار خروجی بالاتری نسبت به صفحه اوریفیس دارد.

این بدان معنی است که تیوب ونتوری می تواند جریان سیال بیشتری نسبت به صفحه اوریفیس با اختلاف فشار ایجاد شده یکسان، عبور دهد.

به همین دلیل تیوب ونتوری برای فرآیندهایی با جریان سیال بالا و مواقعی که محدودیت جدی برای افت فشار در سیستم وجود دارد، استفاده می شود.

استفاده از تیوب ونتوری درسرویسهای دوغابی مشروط به استفاده از محافظ جدا کننده (دیافراگم سیل) در اتصال ترانسمیتر اختلاف فشار می باشد، همچنین اگر ریسک تجمیع ذرات پلیمریزه شده ، آشغال یا رسوب در نقاط اندازه گیری (تپ ها) پایین باشد.

Venturi Tube

متداول ترین انواع تیوبهای ونتوری عبارتند از : کلاسیک، کوتاه، یونیورسال و غیر هم مرکز


تیوب ونتوری کلاسیک

در سال 1887، کلمنس هرشل ونتوری کلاسیک را ابداع کرد.

ابتدا با یک قسمت استوان ای به قطر خط لوله ورودی شروع می شود سپس بصورت یک قسمت کانونی همگرا می شود و به قسمت اصلی گلوگاه که طبق قانون برنولی فشار را کاهش و سرعت را افزایش می دهد، متصل می شود.

سپس یک قسمت واگرا به آرامی فشار پایین آمده را با افت فشار بسیار کم بازیابی می کند و به خط لوله خروجی متصل می شود.

Classic Venturi Tube

پیشنهاد می شود که تیوب ونتوری کلاسیک برای گازها و مایعات تمیز استفاده شود، زیرا تمیز کردن ورودی تپ ها از رسوبات یا آشغال بسیار مشکل است.


تیوب ونتوری کوتاه

به دلیل طول زیاد قسمت های مخروطی همگرا و واگرا، ونتوری کلاسیک برای خطوط لوله بزرگ بسیار گران است.

به همین دلیل تیوب ونتوری کوتاه توسط سازندگان برای کاهش قیمت، طراحی شد.

در تیوب ونتوری کوتاه، زاویه مخروطهای همگرا و واگرا از 7 درجه به 21 درجه افزایش داده شده است تا طول کاهش یابد.

Short-Form Venturi Tube

تیوب ونتوری یونیورسال

تیوب ونتوری یونیورسال برای بهینه سازی بازیابی فشار تیوب ونتوری کلاسیک و کاهش قیمت، طراحی شده است.

مخروطهای همگرا و واگرا کوتاه تر شده اند، اگر چه نیاز به لوله صاف در بالادست جهت اصلاح رفتار جریان سیال باید در نظر گرفته شود.

قطر مخروط همگرا شونده با دو زاویه مختلف کم می شود اما ساختار کلی کاملا مطابق تیوب ونتوری کلاسیک است.

Universal Venturi Tube

تیوب ونتوری غیر هم مرکز

تیوب ونتوری غیر هم مرکز مانند تیوب ونتوری کلاسیک است، در حالیکه نقطه مرکزی گلوگاه نسبت به خط مرکزی خط لوله دارای یک انحراف است.

معمولا از تیوب ونتوری غیر هم مرکز برای سرویسهای چند فازی یا دوغابی سنگین استفاده می شود.

تیوب ونتوری غیر هم مرکز می تواند بجای استوانه ای شکل بودن به منظور اتصال به داکتهای مکعبی ، بصورت مکعبی باشد.

Eccentric Venturi Tube

دقت اندازه گیری تیوب ونتوری

دقت اندازه گیری تیوب ونتوری حدود 0.75درصد بازه اندازه گیری است.

بدیهی است که دقت اندازه گیری 0.1 درصد بازه اندازه گیری مربوط به ترانسمیتر اختلاف فشار باید به مقدار فوق اضافه گردد تا دقت کلی مجموعه اندازه گیری جریان سیال بدست آید.

گستره اندازه گیری تیوب ونتوری

گستره اندازه گیری نسبت بیشترین به کمترین مقدار جریان سیال قابل اندازه گیری با دقت معین است.

گستره اندازه گیری تیوب ونتوری مانند صفحه اوریفیس 3:1 ( سه به 1) است.

بدین معنی که اگر کمترین مقدار اندازه گیری جریان سیال با دقت 0.85% بازه اندازه گیری برابر با 20 متر مکعب بر ساعت باشد ، آنگاه بیشترین مقدار جریان سیال که می تواند با دقت 0.85% بازه، اندازه گیری شود برابر با 20x3 معادل 60 مترمکعب در ساعت است.


نازل

نازل یک المنت اندازه گیری جریان سیال است که مانند صفحه اوریفیس بین فلنج نصب می گردد اما می تواند 60 درصد بیشتر از صفحه اوریفیس، جریان سیال عبور دهد.

نازل اختلاف فشار لازم برای اندازه گیری جریان سیال را با یک قسمت همگرای صاف فراهم می آورد.

ساخت نازل مشکل است و محدودیت هایی جهت استفاده برای مایعات با گرانروی بالا (ویسکوز) دارد، بنابراین معمولا برای اندازه گیری جریان سیال در سرویسهای معمولی استفاده نمی شوند زیرا تیوب های ونتوری عملکرد بهتری دارند.

نازل ها معمولا برای سرویسهایی با عدد رینولدز بالا یا بخار فوق العاده گرم (سوپر هیت) با جریان بالا به عنوان فلومتر اختلاف فشار استفاده می شوند.

نازل ها همچنین برای اندازه گیری جریان سیال بحرانی ( کریتیکال فلو) در سرویسهای گاز استفاده می شوند.

در این شرایط آنها دیگر فلومتر اختلاف فشار نیستند و از شرایط جریان مافوق صوت گازها در گلوگاه برای اندازه گیری فلوی جرمی استفاده می کنند.

در تجهیزات اندازه گیری جریان سیال بحرانی که از نازل استفاده می کنند، شرایط مافوق صوت در گلوگاه بدست می آید بنابراین سیال ماکزیمم سرعت را دارد.

در نتیجه جرم عبوری از گلوگاه تابعی از چگالی ورودی است که می تواند از فشار ورودی و دیگر خصوصیات فیزیکی گاز بدست آید.

استانداردهای ASME PTC 19.5 Section 8 و ISO 9300 محاسبات و استفاده از نازل در اندازه گیری جریان سیال بحرانی را شرح داده اند.

استاندارد EN ISO 5167-part 3 اطلاعات مربوط به ابعاد و محاسبات نازل برای اندازه گیری جریان سیال از روی اختلاف فشار را فراهم آورده است.

سه نوع نازل وجود دارد:

  • نازل ISA 1932
  • نازل با شعاع خمش بزرگ (ASME)
  • نازل ونتوری

نازل ISA 1932

نازل ISA 1932 طراحی اروپایی است که شامل سه قسمت می باشد؛ قسمت همگرا شونده، قسمت خمش و گلوگاه استوانه ای.

ISA 1932 Nozzle

تپینگ بالادستی باید حتما از نوع گوشه ای (کرنر) باشد.

تپینگ پایین دستی می تواند گوشه ای، روی فلنج یا روی خط لوله باشد.

طبق استاندارد EN ISO 5167-part 3 ، از نازل ISA 1932 باید در موارد زیر استفاده شود:

  • 50mm ≤ D ≤ 500mm
  • 0.3 ≤ β ≤ 0.8

نازل با شعاع خمش بزرگ(ASME)

نازل با شعاع خمش بزرگ طراحی آمریکایی است که شامل ورودی همگرا شونده به شکل ربع بیضی و گلوگاه استوانه ای، می باشد.

دو نوع نازل با شعاع خمش بزرگ بر اساس β مورد نیاز وجود دارد:

  • (0.25 ≤ β ≤ 0.8)نسبت بزرگ
  • ( 0.20 ≤ β ≤ 0.5 )نسبت کوچک

نازل نسبت بزرگ دارای قسمت همگراشونده پهن است.

Long Radius (ASME) Nozzle

فاصله خط مرکز تپ بالادستی تا بله نازل باید برابر با یک قطر لوله باشد.

فاصله خط مرکز تپ پایین دستی تا لبه داخلی نازل باید نصف قطر لوله باشد بجز در نازل نسبت کوچک با β کمتر از 0.3188 ، که باید 1.6 برابر قطر نازل باشد.

طبق استاندارد EN ISO 5167-part 3 ، از نازل با شعاع خمش بزرگ باید در موارد زیر استفاده شود:

  • 50mm ≤ D ≤ 630mm
  • 0.2 ≤ β ≤ 0.8
  • 104 ≤ Reynolds Number ≤ 107
  • زبری نسبی لوله ≤ 4-10×3.2

نازل ونتوری

نازل ونتوری یک طراحی میانه بین نازلهای ISA و ASME است.

شامل یه قسمت همگراشونده، گلوگاه استوانه ای و یک قسمت واگراشونده است.

لبه بالادست آن کاملا مانند لبه نازل ISA 1932 است.

تپینگ بالادستی باید تپینگ گوشه ای باشد، اما تپینگ پایین دستی می تواند تپینگ گلوگاهی باشد که دارای حداقل چهار تپ جداگانه می باشد و یک محفظه حلقوی ، حلقه فشار سنج یا چیدمان سه – تی تشکیل می دهند ( به EN ISO 5167 مراجعه شود.)

Venturi Nozzle

طبق استاندارد EN ISO 5167-part 3 ، از نازل ونتوری باید در موارد زیر استفاده شود:

  • 65 mm ≤ D ≤ 500 mm
  • d ≥ 50 mm
  • 0.316 ≤ β ≤ 0.775
  • 1.5 x 105 ≤ Reynolds Number ≤ 2 x 106

دقت اندازه گیری نازل

دقت اندازه گیری نازل 1 درصد بازه اندازه گیری است.

بدیهی است که دقت اندازه گیری 0.1 درصد بازه اندازه گیری مربوط به ترانسمیتر اختلاف فشار باید به مقدار فوق اضافه گردد تا دقت کلی مجموعه اندازه گیری جریان سیال بدست آید.


گستره اندازه گیری نازل

گستره اندازه گیری نسبت بیشترین به کمترین مقدار جریان سیال قابل اندازه گیری با دقت معین است.

گستره اندازه گیری نازل مانند صفحه اوریفیس 3:1 ( سه به 1) است.


فلومتر گوه ای (وج)

فلومتر گوه ای اختلاف فشار مورد نیاز برای اندازه گیری فلو را بوسیله یک گوه وی شکل ایجاد می کند.

فلومتر گوه ای می تواند برای کاربردهایی با سیال های دشوار مانند؛ سرویسهای با گرانروی بسیار بالا (ویسکوز)، سرعت سیال بسیار کم، خورنده، دمای بالا، دوغابی، نفت خام، کثیف، دارای ذرات جامد، سیمان و آسفالت مورد استفاده قرارگیرد.

اصلی ترین مزیت فلومتر گوه ای این است که می تواند در سرویس هایی با عدد رینولدز 500 تا 1000 کار کند.

Segmental Wedge Flowmeter

نسبت H به D مشابه β در صفحات اوریفیس است که بیانگر ابعاد گوه، بازه اندازه گیری جریان سیال و بازه اختلاف فشار است .

برای سرویسهای تمیز تپ های متداول رزوه ای می تواند مناسب باشد اما در بیشتر کاربردهای فلومتر گوه ای، باید از محافظ جدا کننده (دیافراگم سیل) برای حفاظت سنسور ترانسمیتر استفاده کرد.

فلومتر گوه ای هیچگونه نگهداری خاصی ندارد که این امر قیمت اولیه بالای آنرا متعادل می کند.


دقت اندازه گیری فلومتر گوه ای

دقت اندازه گیری فلومتر گوه ای حدود 2 تا 5 درصد بازه اندازه گیری است اما اگر تنظیم شده (کالیبره) باشد، دقت آن می تواند به 0.75 درصد بازه اندازه گیری برسد.

بدیهی است که دقت اندازه گیری 0.1 درصد بازه اندازه گیری مربوط به ترانسمیتر اختلاف فشار باید به مقدار فوق اضافه گردد تا دقت کلی مجموعه اندازه گیری جریان سیال بدست آید.


دقت اندازه گیری فلومتر گوه ای

گستره اندازه گیری نسبت بیشترین به کمترین مقدار جریان سیال قابل اندازه گیری با دقت معین است.

گستره اندازه گیری فلومتر گوه ای مانند دیگر فلومتر های اختلاف فشار 3:1 ( سه به 1) است.


مخروط وی (مخروط ونتوری)

فلومتر مخروط وی ( مخروط ونتوری) یک فلومتر اختلاف فشار است که از یک مخروط در مرکز خط لوله تشکیل شده است.

مخروط با کاهش سطح مقطع اختلاف فشار مورد نیاز برای اندازه گیری جریان سیال را ایجاد می کند.

V-Cone Flowmeter

مخروط وی رفتار سرعت سیال را صاف می کند، بنابراین اغتشاشات و چرخش های جریان سیال روی آن تاثیری ندارد.

پی آمد این اصلاح رفتار سرعت، رابطه ریشه دوم درست و واقعی بین اختلاف فشار و جریان سیال است که دقت را بهینه می کند.

بدلیل شکل هندسی مخروطی، فلومتر مخروط وی برای سرویسهای با سرعت بالا، ساینده یا خورنده مناسب است.

این فلومتر نسبت به صفحات اوریفیس، کارایی بهتری در سرویسهای با عدد رینولدز پایین، همچنین نیاز به طول لوله صاف بالادستی کمتری دارد.

نسبت β و جریان سیال می توانند با استفاده از معادله زیر محاسبه شوند:

V-Cone Beta Calculation

دقت اندازه گیری مخروط وی

دقت اندازه گیری فلومتر مخروط وی حدود 1% بازه اندازه گیری است اما اگر از دو ترانسمیتر اختلاف فشار استفاده شود (یکی برای جریان سیال کم و دیگری برای جریان سیال زیاد تنظیم شوند)، آنگاه دقت می تواند تا 0.25% بازه اندازه گیری بهبود یابد.


گستره اندازه گیری مخروط وی

گستره اندازه گیری نسبت بیشترین به کمترین مقدار جریان سیال قابل اندازه گیری با دقت معین است.

گستره اندازه گیری مخروط وی مانند دیگر فلومتر های اختلاف فشار 3:1 ( سه به 1) است.

تیوب پیتوت

در سال 1732، هنری پیتوت، دانشمند فرانسوی مهندسی هیدرولیک، تیوب پیتوت را اختراع کرد.

هنری پیتوت کشف کرد که سرعت سیال با ریشه دوم فشار دینامیکی سیال که توسط انرژی جنبشی سیال ایجاد می شود، متناسب است.

فشار ضربه (فشار کل) روی یک جسم در سیال عبارت است از مجموع فشار استاتیک و فشار دینامیکی سیال.

پیتوت تیوب فشار ضربه و فشار استاتیک را اندازه گیری می کند و با استفاده از یک ترانسمیتر اختلاف فشار، فشار دینامیکی را بدست می آورد.

سپس سرعت سیال را از فشار دینامیکی و در نهایت جریان سیال را از سرعت سیال محاسبه می کند.

Pitot Tube velocity Calculation
Typical Pitot Tube

شکل بالا یک تیوب پیتوت ساده را نشان می دهد که فشار کل و فشار استاتیک را از مرکز خط لوله و مرکز الگوی رفتاری سرعت، اندازه گیری می کند.

به منظور دست یابی به اندازه گیری جریان سیال واقعی، ضروری است که مقدار متوسط سرعت، اندازه گیری شود.

تیوب پیتوت متوسط گیر (آنوبار)، فشار کل و فشار دینامیکی را از نقاط مختلف الگوی رفتار سرعت اندازه گیری می کند و سرعت متوسط را بدست می آورد.

تیوب پیتوت متوسط گیر از دو تیوب یکی برای اندازه گیری فشار کل و دیگری برای اندازه فشار دینامیکی تشکیل شده است که چند سوراخ اندازه گیری فشار در طول هر یک پخش شده اند تا فشار متوسط از نقاط مختلف الگوی رفتار سرعت را بدست آورد.

Averaging Pitot Tube

کاربردهای تیوب پیتوت

تیوب پیتوت ساده، ارزان و دارای افت فشار بسیار کمی است اما دارای معایب دقت کم و گستره اندازه گیری کم است.

Pitot Tube Applications

تیوب پیتوت برای اندازه گیری جریان سیال خطوط لوله و داکت های بزرگ که استفاده از دیگر فلومتر ها بسیار گران است، مناسب است.

از آن در اندازه گیری سرعت هوا در هواپیماها و خودروهای مسابقه ای استفاده می شود.

تیوب پیتوت برای سرویسهای گاز با سرعت کم یا متوسط درصورتی که دقت کم آن برای آن سرویس قابل پذیرش است، نیز استفاده می شود.

عیب دیگر تیوب پیتوت این است که باید تنها برای مایعات و گازهای تمیز استفاده شود، زیرا ذرات کثیف ، چسبنده و جامد ممکن است سوراخهای اندازه گیری فشار را مسدود کنند.


نصب تیوب پیتوت

لوله صاف در بالادست و پایین دست تیوب پیتوت برای داشتن حداکثر دقت ضروری است.

نصب تیوب پیتوت می تواند بصورت دائمی با استفاده از رزوه یا فلنج باشد یا می تواند با استفاده از تجهیزات پروبهای قابل برداشت بصورت خط-گرم (بدون نیاز به قطع سرویس) از داخل شیر جدا کننده انجام شود.

Hot Tap Pitot Tube

نصب خط-گرم این توانایی را می دهد که بدون قطع فرآیند خط لوله، بتوان تیوب پیتوت را از خط لوله خارج کرد.

وقتی که سیال داخل لوله از تیوب پیتوت عبور می کند، جریانهای حلقوی (موجهای فون کارمن) بوجود می آورد که باعث ایجاد لرزش در تیوب پیتوت می شود و متناسب با قطر تیوب و سرعت سیال است و ممکن است باعث شکستن تیوب پیتوت شوند.

بنابراین سازنده موظف به محاسبه کمترین و بیشترین محدودیت سرعت سیال و محاسبه قطر تیوب پیتوت به نحوی که عملکرد ایمن تیوب پیتوت را تضمین کند، می باشد.


دقت اندازه گیری تیوب پیتوت

دقت اندازه گیری تیوب پیتوت از 0.5% تا 5% بازه اندازه گیری است که به کالیبراسیون و نوع تیوب پیتوت بستگی دارد.

بدیهی است که دقت اندازه گیری 0.1% بازه اندازه گیری مربوط به ترانسمیتر اختلاف فشار باید به مقدار فوق اضافه گردد تا دقت کلی مجموعه اندازه گیری جریان سیال بدست آید.


گستره اندازه گیری تیوب پیتوت

گستره اندازه گیری نسبت بیشترین به کمترین مقدار جریان سیال قابل اندازه گیری با دقت معین است.

گستره اندازه گیری تیوب پیتوت مانند دیگر فلومتر های اختلاف فشار 3:1 ( سه به 1) است.


سطح مقطع متغیر (روتامتر)

در سال 1909، دویتچه روتاورک، یک شرکت آلمانی، فلومتر سطح مقطع متغیر اختراع شده توسط کارل کوپر که دارای شناور چرخنده بود را ارتقا دارد و با نام تجاری روتامتر ارائه کرد.

خیلی زود روتامتر، عبارت معادل فلومتر سطح مقطع متغییر شد.

Rotameter

فلومتر سطح مقطع متغییر از یک تیوب باریک شونده عمودی و یک شناور در داخل آن تشکیل شده است.

چگالی شناور باید از چگالی سیال بیشتر باشد به این معنی که باید به قدری سنگین باشد که اگر تیوب پر از سیال بدون جریان ( بدون فلو) باشد نیروی ارشمیدس برای شناور کردن آن کافی نباشد.

در سرویسهای گاز نیروی ارشمیدس قابل چشم پوشی است.

شناور با نیروی فشار ناشی از سرعت جریان داخل لوله بالا می رود و در نقطه پایداری که در آن نیروهای فشار ناشی از سرعت جریان ، ارشمیدس، گرانش و اصطکاک در تعادل هستند، می ایستد.

در این نقطه تعادل دینامیکی، جریان سیال متناسب با مساحت بین شناور و لوله باریک شونده است که این جریان برروی صفحه مدرج کنار تیوب نمایش داده می شود.

Variable Area Flowmeter (Rotameter)

همانطور که شناور در داخل لوله بالا می رود، مساحت حلقوی بین شناور و لوله باریک شونده زیاد می شود و اختلاف فشار دو سر شناور کاهش می یابد، در نتیجه اگر شناور بخواهد بالاتر رود نیاز به نیروی ناشی از سرعت سیال بیشتر یا به عبارت دیگر جریان سیال بیشتری دارد.

هرچه جریان سیال بیشتر باشد، شناور بالاتر می رود.

روتامتر یک فلومتر ارزان است بنابراین در صنایع، به وفور و اکثرا به عنوان نمایش دهنده محلی جریان سیال و در بعضی موارد به عنوان ترانسمیتر جریان سیال یا سوییچ جریان سیال استفاده می شود.

روتامتر های با تیوب شیشه ای به دلیل محدودیت های فشار و دمای شیشه و احتمال شکستگی شیشه در حین کار یا تعمیرات واحد صنعتی، برای کاربرد های صنعتی مناسب نیستند.

برای کاربردهای صنعتی در محیط های خارج از ساختمان، روتامتر های تیوب فلزی ترجیح داده می شوند.

تیوب فلزی باید از جنس فولاد ضد زنگ غیر پایه آهنی باشد که بتواند میدان مغناطیسی شناور داخل تیوب را به صفحه مدرج خارج تیوب عبور دهد تا نشانگر صفحه مدرج با حرکت شناور حرکت کند ( کوپلینگ مغناطیسی).

دمای بالا ممکن است روی مواد مغناطیسی کار شده در شناور تاثیر گذاشته و باعث کاهش میدان مغناطیسی آن شود، بنابراین بازه دمایی کارکرد اعلام شده از سوی سازنده باید مورد توجه قرارگیرد.

روتامتر با تیوب پلاستیکی برای سرویسهای خورنده موجود است اما باید فشار و دمای طراحی خط لوله را برآورده سازد.

چیدمان تجهیزات لوله کشی در بالادست، روی دقت روتامتر تاثیری ندارد بنابراین نیاز به لوله صاف در بالادست روتاتمتر نیست.


نصب فلومتر سطح مقطع متغیر

فلومتر سطح مقطع متغیر (روتامتر) باید بصورت عمودی نصب گردد و جریان سیال از پایین آن وارد شود، زیرا نیروی گرانش نقش مهمی در این فلومتر دارد.

یک نوع از فلومتر سطح مقطع متغیر وجود دارد که بجای تیوب باریک شونده یک سیلندر و بجای شناور یک پیستون دارد و یک فنر نقش نیروی گرانش را بازی می کند.

این فلومتر پیستونی می تواند بصورت افقی نصب گردد.

فنر و پیستون ممکن است بعد از استفاده مداوم نیاز به تنظیم و تعمیرات داشته باشند.

Rotameter Installation

باید دقت شود تا روتامتر های تیوب فلزی نزدیک تجهیزاتی که میدان مغناطیسی قوی اطراف خود ایجاد می کنند نصب نشود، از جمله ترانسفورماتورهای قدرت یا موتورهای ولتاژ متوسط، زیرا میدان مغناطیسی قوی خاصیت مغناطیسی شناور را تحت تاثیر قرارمی دهد.

محاسبات فلومتر سطح مقطع متغیر

برای هر فلومتر سطح مقطع متغیر (روتامتر) باید بصورت جداگانه توسط سازنده محاسبات ارائه گردد به نحوی که جریان سیال حداکثر فرآیندی در محدوده 90 تا 95 درصد بازه اندازه گیری روتامتر قرارگیرد.

هدف محاسبات بدست آوردن اندازه روتامتر با بیشترین دقت و کمترین افت فشار است.

اندازه روتامتر می تواند هم اندازه یا کمتر از اندازه خط لوله باشد.

در اکثر موارد نتیجه محاسبات، روتامتری با اندازه کمتر از اندازه خط لوله است تا دقت اندازه گیری حفظ شود.

با کاهش اندازه روتامتر، افت فشار افزایش می یابد.

مهم ترین نکته محاسبات انتخاب اندازه ای با افت فشار کمتر از حداکثر افت فشار مجاز که توسط بخش فرآیند در دیتاشیت روتامتر ذکر شده است، می باشد.

استاندارد VDI VDE 3513-1 روشهای محاسبات برای فلومترهای سطح مقطع متغیر را ارائه کرده است.


متریال فلومتر سطح مقطع متغیر

روتامتر های با تیوب شیشه ای به دلیل محدودیت های فشار و دمای شیشه و احتمال شکستگی شیشه در حین کار یا تعمیرات واحد صنعتی، برای کاربرد های صنعتی مناسب نیستند.

روتامترهای تیوب فلزی ترجیح داده می شوند.

در روتامترهای فلزی اغلب، متریال تیوب و شناور یکسان است.

فولاد ضد زنگ AISI 316 / 316L / 316Ti ، بهترین متریال برای بیوب، شناور و هر قطعه ای که با سیال در تماس است، می باشد زیرا دارای مقاوت خوردگی مناسب در برابر سرویس های خورنده و مشخصات مکانیکی قابل قبول در بازه دمایی منفی 254 تا مثبت 816 درجه سانتی گراد است.

همچنین AISI 316 / 316L / 316Ti فولاد ضد زنگ غیر آهنی هستند که می توانند میدان مغناطیسی شناور را به نشانگر صفحه مدرج بیرونی عبور دهند که برای عملکرد روتامتر ضروری است.

برای فرآیندهایی که دارای یونهای مهاجم مانند کلراید ( -CL) هستند مانند آب دریا، فولادهای ضد زنگ آستنیتیک (316SS, 304SS, 321SS …) قابل استفاده نیستند.

برای این سرویسها آلیاژهایی که دارای نمره معادل مقاومت خوردگی پوک شوندگی (PREN) بیشتر از 40 هستند، پیشنهاد می گردند.

آلیاژهای پایه نیکل مانند مونل، اینکونل و هستلوی که مقادیر بالایی از عناصر کروم و مولیبدن در ترکیب خود دارند بهترین انتخاب متریال برای آب دریا و سرویسهای دارای کلراید هستند اما قیمت آنها قابل ملاحظه است.


دقت اندازه گیری فلومتر سطح مقطع متغیر

دقت اندازه گیری فلومتر سطح مقطع متغیر ( روتامتر ) برابر با 1 تا 10 درصد بازه اندازه گیری است.

برخی از سازندگان دقت روتامتر را بر اساس روش تشریح شده در استاندارد VDI/VDE 3513 بیان می کنند.

به عنوان مثال : G=4% qG= 50%

که G درصد خطای ثابت در جریان سیال واقعی بالاتر از qG است.

و qG درصدی از بازه اندازه گیری است معمولا 50 درصد.

عبارت G=4% qG= 50% به این معنی است که خطای ثابت برای مقادیر فلو از 50 تا 100 درصد بازه اندازه گیری روتامتر برابر با 4 درصد است.

دقت اندازه گیری فلومتر سطح مقطع متغیر برای لوپ های کنترلی دقیق قابل قبول نیست، بنابراین فلومتر سطح مقطع متغیر با سیگنال خروجی 4~20 mA فقط برای نمایش مقدار در سیستم کنترل علاوه بر نمایش محلی استفاده می شود.

و دقیقا به همان دلیل استفاده از فلومتر سطح مقطع متغیر با یک کنتاکت برای سیگنال خروجی دیجیتال، به عنوان سوییچ فلو، برای لاجیکهای کنترلی مهم پیشنهاد نمی گردد.

قابل اطمینان ترین کاربرد روتامتر، به عنوان نمایشگر محلی برای اپراتورها در محوطه های صنعتی است.


گستره اندازه گیری فلومتر سطح مقطع متغیر

گستره اندازه گیری نسبت بیشترین به کمترین مقدار جریان سیال قابل اندازه گیری با دقت معین است.

گستره اندازه گیری فلومتر سطح مقطع متغیر ( روتامتر) 10:1 ( ده به یک) است.


مزایای فلومتر سطح مقطع متغییر

  • ارزان بودن
  • سادگی
  • گستره اندازه گیری بالا (10:1)
  • افت فشار کم
  • غیر حساس به گرانروی (ویسکوزیته)
  • عدم تاثیر چیدمان خط لوله بالادستی
  • عدم نیاز به سرویس و نگهداری

محدودیتهای فلومتر سطح مقطع متغیر

  • دقت پایین
  • نصب بصورت عمودی ( به استثنای نوع پیستونی)
  • تجمع ذرات دارای خاصیت مغناطیسی روی شناور

فلومترهای جرمی

در بسیاری از فرآیندهای صنعتی برای کنترل دقیق نیاز به جریان جرمی سیال است، هر چند اکثر فلومتر ها جریان حجمی سیال را اندازه گیری می کنند که لازم است مقدار آن در چگالی سیال ضرب گردد تا جریان جرمی سیال بدست آید.

چگالی با تغییرات دما و فشار تغییر می کند که باعث محاسبه غیر دقیق جریان جرمی سیال می شود.

تغییرات چگالی برای مایعات می تواند قابل چشم پوشی باشد اما برای گازها قابل ملاحظه است.

جبران سازی فشار و دما که چگالی را با مقادیر فشار و دمایی که در همان لحظه اندازه گیری فلوی حجمی اندازه گرفته شده اند، محاسبه می کند، دقت محاسبه فلوی جرمی را بالا می برد اما می تواند عدم دقت اندازه گیری فشار و دما را نیز به سیستم اضافه کند.

فلومترهای جرمی این مشکل را با اندازه گیری مستقیم جریان جرمی سیال (فلوی جرمی) بر طرف می کنند.


انواع فلومتر جرمی

متداول ترین فلومتر های جرمی مورد استفاده در صنایع مختلف عبارتند از:

  • کوریولیس
  • جرم حرارتی
  • تششعی

انواع دیگری از فلومترهای جرمی مانند، حرکت زاویه ای، ژیروسکوپی و ... وجود دارند، اما به ندرت در صنایع امروزی استفاده می شوند.


فلومتر کوریولیس

فلومتر کوریولیس بر اساس اثر کوریولیس کار می کند.

در 1835، دانشمند فرانسوی ،گاسپارد گوستاو دو کوریولیس، در مقاله ای دخالت نیروی اینرسی در قوانین نیوتن در یک جسم در حال حرکت در مسیر چرخش مرجع را شرح داد که به آن اثر کوریولیس می گویند.

اگر ما توپی را از مرکز یک صفحه گرد ثابت به طرف فردی در خارج از صفحه گرد پرتاب کنیم، توپ در یک مسیر مستقیم حرکت می کند تا آن فرد آنرا بگیرد.

اما اگر توپ را در حالی که صفحه گرد در حال چرخش است پرتاب کنیم، آنگاه نیروی کوریولیس و نیروی گریز از مرکز ظاهر شده و توپ را در یک مسیر منحنی به سوی دیگری منحرف می کنند.

این اثر کوریولیس است.

Coriolis Effect

سیاره ما، زمین، حول محور خود می چرخد، بنابراین یک کره در حال چرخش است.

هر جسمی روی زمین وقتی که حرکت می کند، به دلیل اثر کوریولیس منحرف می شود.

اهمیتی ندارد که جسم در چه جهتی حرکت می کند.

اثر کوریولیس همواره می خواهد که جسم را با انحراف ثابت عمود به جهت حرکت آن به نقطه اولیه خود بازگرداند.

قطارها نیز تحت تاثیرنیروی کوریولیس قرار میگیرند و فشار بیشتری روی یکی از ریلها وارد می کنند که می تواند باعث سایش یکی از ریل های خط آهن شود.

اثر کوریولیس نقش بزرگی در حرکت سیستم های جوی در سراسر زمین دارد.

اثر کوریولیس اجسام متحرک را در کره شمالی به سمت راست و در کره شمالی به سمت چپ منحرف می کند.

فلومتر کوریولیس فلوی جرمی را از اندازه گیری نیروی کوریولیس که رابطه مستقیم با جرم جسم متحرک و سرعت زاویه ای و خطی آن دارد، بدست می آورد.

Coriolis Force

اساس کارکرد فلومتر کوریولیس

فلومتر کوریولیس از دو تیوب با قطر یکسان و طول مساوی بصورت موازی از ورودی تا خروجی فلومتر تشکیل شده است.

Coriolis Working Principle

یک لرزاننده در وسط تیوب ها، با فرکانس مشخصی تیوبها را نوسان می دهد.

نوسان تیوبها توسط دو حسگر مغناطیسی که در دو طرف تیوبها نصب شده اند ثبت می شوند.

در زمانی که جریان سیال وجود ندارد، فرکانس ثبت شده توسط حسگرهای 1 و 2 مانند هم و کاملا برابر با فرکانس لرزاننده است.

در این حالت ( نبودن جریان) سیگنال خروجی سنسورها دو موج سینوسی است که با یکدیگر هم فاز هستند.

Coriolis no flow condition

وقتی که سیال به داخل تیوبها حرکت می کند، نیروی های کوریولیس ظاهر می شوند و به دوطرف تیوبها اجازه نمی دهند که با فرکانس لرزاننده نوسان کنند و باعث می شوند تیوبها نسبت به هم تاب بردارند و بپیچند.

در این شرایط سیگنال خروجی حسگرها دو موج سینوسی است که باهم غیر هم فاز هستند و یک اختلاف زمانی بین دو موج وجود دارد.

این اختلاف زمانی (ΔT) مستقیما متناسب با فلوی جرمی است.


متریال فلومتر کوریولیس

ضخامت دیواره های تیوبهای جریان باید حتی المقدور نازک باشند، تا از حساسیت تجهیز به نیروهای کوریولیس کاسته نشود.

بنابراین باید در انتخاب متریال تیوبها دقت ویژه ای شود و خوردگی، سایش و فشار فرآیندی در نظر گرفته شود.

دمای فرآیندی نیز به دلیل انبساط حرارتی تیوبها نقش بزرگی در ساختار و انتخاب متریال تیوبهای جریان دارد.

دماهای فرآیندی بالا باعث انبساط تیوبها می شود در حالیکه تکیه گاهها و محفظه فلومتر در دو طرف تیوبها به دلیل اختلاف دما زیاد کمتر منبسط می شوند، که این امر باعث افزایش نیروهای محوری تیوبها می شود.

در نتیجه ضروری است، تیوبهایی از جنس فولاد ضد زنگ با انبساط حرارتی بالا، شکل منحنی و خمیده داشته باشند تا کشش ها و فشار های محوری را کاهش دهند.

Coriolis curved flow tube

برای تیوبهای مستقیم استفاده از موادی با انبساط حرارتی کم مانند تیتانیوم یا زیرکونیوم ممکن است مشکل فشار های محوری را حل کند.

فولاد ضد زنگ AISI 316 / 316L / 316Ti ، متداول ترین متریال برای تیوب و هر قطعه ای که با سیال در تماس است، در بازه دمایی منفی 254 تا مثبت 816 می باشد.

برای فرآیندهایی که دارای یونهای مهاجم مانند کلراید ( -CL) هستند مانند آب دریا، آلیاژهای پایه نیکل ( اینکونل، هستلوی و...) که دارای نمره معادل مقاومت خوردگی پوک شوندگی (PREN) بیشتر از 40 هستند، پیشنهاد می گردند.


دقت اندازه گیری فلومتر کوریولیس

فلومتر کوریولیس دقیق ترین فلومتر است.

دقت اندازه گیری آن با درنظر گرفتن سازندگان مختلف می تواند به شرح زیر باشد:

  • برای مایعات 0.05% تا 0.15% بازه اندازه گیری
  • برای گازهای 0.25% تا 0.5% بازه اندازه گیری
  • برای اندازه گیری چگالی مایعات 0.002 گرم بر سانتی متر مکعب تا 0.00025 گرم بر سانتی متر مکعب

گستره اندازه گیری فلومترهای کوریولیس

گستره اندازه گیری نسبت بیشترین به کمترین مقدار جریان سیال قابل اندازه گیری با دقت معین است.

یکی از مزایای مهم فلومتر کوریولیس گستره اندازه گیری بالا است.

گستره اندازه گیری فلومتر کوریولیس 20:1 تا 100:1 است.


مزایای فلومتر کوریولیس

  • اندازه گیری مستقیم فلوی جرمی
  • دقت بسیار بالا
  • گستره اندازه گیری بسیار بالا
  • عدم حساسیت به رفتار جریان و سرعت سیال ( به لوله صاف در بالادست و پایین دست نیاز ندارد.)
  • عدم محدودیت عدد رینولدز
  • می تواند برای جریانهای نوسانی استفاده شود
  • اندازه گیری جریان سیال رفت و برگشت
  • نیاز به سرویس و نگهداری خاصی ندارد

محدودیت های فلومتر کوریولیس

  • قیمت بالا
  • برای خطوط لوله بزرگ مناسب نیست
  • برای گازهای فشار پایین مناسب نیست ( برای این کاربردها فلومتر جرم حرارتی پیشنهاد می گردد.)
  • حساسیت به لرزشهای خط لوله ( این مشکل توسط برخی از سازندگان حل شده است)
  • برای سرویسهایی با دمای بالا مناسب نیست
  • برای سرویسهای پلیمری شونده مناسب نیست

موارد استفاده فلومتر های کوریولیس

فلومتر کوریولیس برای اکثر سرویسهای مایع، گاز و دوغابی می تواند استفاده شود.

فلومتر کوریولیس وقتی استفاده می شود که:

  • اندازه گیری فلوی جرمی مورد نیاز است
  • دقت بالا مورد نیاز است
  • گستره اندازه گیری بالا مورد نیاز است
  • اندازه گیری چگالی مورد نیاز است
  • اندازه گیری بسیار دقیق در پایانه های فروش مورد نیاز است
  • فضای کافی برای لوله صاف در بالادستی فلومتر وجود ندارد

محاسبات فلومتر کوریولیس

همانطور که پیش تر گفته شد، فلومتر کوریولیس گستره اندازه گیری بالایی دارد بنابراین در حین محاسبات دو یا بیشتر اندازه فلومتر خواهد توانست بازه جریان را پوشش دهد.

تفاوت بین این اندازه های بدست آمده، افت فشار و دقت اندازه گیری در جریانهای سیال کم است.

انتخاب اندازه کوچکتر قیمت را کاهش می دهد اما سرعت سیال، سایش و افت فشار را افزایش می دهد.

انتخاب اندازه بزرگتر افت فشار را کاهش می دهد اما عدم دقت اندازه گیری را در مقادیر کم جریان سیال افزایش می دهد.

سازندگان برای محاسبات فلومتر کوریولیس از نرم افزار استفاده می کنند که برگه محاسباتی شامل اندازه های مختلف فلومتر و مقادیر سرعت سیال، افت فشار و دقت اندازه گیری در جریانهای مینیمم، نرمال و ماکزیمم ارایه می دهد.

این نرم افزار می تواند وقوع کویتیشن و فلشینگ را برای هر مورد محاسبه کند.

در نهایت انتخاب اندازه مناسب فلومتر جمع بندی ملاحضات مربوط به قیمت، افت فشار، سرعت سیال، سایش، خوردگی و دقت است.


نصب فلومتر کوریولیس

برای سرویسهای مایع، تیوبهای جریان باید کاملا پر از سیال باشند.

از مخلوط شدن مایع و گاز باید جلوگیری شود.

برای سرویسهای گاز، تیوبهای جریان باید کاملا از گاز پر باشند، بدون هیچگونه میعان یا قطره ای.

ترجیح بر نصب عمودی با جهت جریان بالارونده است، اما نصب افقی قابل قبول و بسیار متداول است.

در نصب عمودی ذرات جامد به علت نیروی گرانش در پایین خط لوله باقی مانده و وارد تیوبهای جریان نمی شوند، همچنین گازها میتوانند به بالا حرکت کنند و در تیوبهای جریان جمع نمی شوند.

اما معمولا به دلیل محدودیت های طراحی خطوط لوله، نصب افقی برای فلومترهای کوریولیس در نظر گرفته می شود.

در نصب افقی باید دقت شود که فلومتر کوریولیس در سرویسهای مایع در نقطه بالایی سیستم نصب نگردد تا از تجمع گاز در آن جلوگیری شود.

برای سرویسهای مایع قسمت انحنای تیوبهای جریان باید در پایین قرارگیرد تا از تجمع گاز در شرایط نبود جریان سیال جلوگیری شود.

برای سرویسهای گاز قسمت انحنای تیوبهای جریان باید در بالا قرارگیرد تا از تجمع مایعات در شرایط نبود جریان سیال جلوگیری شود.

Coriolis Installation

لرزشها و تکانه های خطوط لوله برای فلومتر های کوریولیس مدرن امروزی مشکل جدی نیست، اما می تواند برای دیگر تجهیزات ابزاردقیق و حساس مخرب باشد، بنابراین باید با طراحی مناسب ساپورتها و پایه های خطوط لوله، میرا و حذف گردند.

همانطور که پیش تر عنوان شد، فلومتر کوریولیس به رفتار جریان و عدد رینولدز حساس نیست، بنابراین نیازی به خط لوله صاف در بالادست و پایین دست ندارد.


فلومتر جرم حرارتی

فلومتر جرم حرارتی می تواند مستقیما جریان جرمی سیال را برای سرویسهای مایع، گاز و دوغابی اندازه گیری کند، اما معمولا برای اندازه گیری جریانهای کم گاز استفاده می شود.

دو روش اندازه گیری برای فلومتر جرم حرارتی وجود دارد:

توان ثابت
تغییرات دمای سیال را بعد از عبور از اطراف یک جسم گرم شده با توان حرارتی مشخص (توان ثابت) اندازه گیری می کند.
دمای ثابت
توان از دست داده شده در اثر عبور سیال از اطراف یک جسم گرم شده که دمای آن ثابت نگه (دمای ثابت) داشته شده است، را اندازه گیری می کند.

روش دمای ثابت پاسخ زمانی سریعتری دارد.


انواع فلومتر های جرم حرارتی

متداول ترین فلومترهای جرم حرارتی عبارتند از:

  • انتقال حرارت
    • تیوب گرم شده
    • طرح مسیر فرعی (بای پس)
  • سیم داغ

فلومتر انتقال حرارت

این فلومتر از دو حسگر دما در پایین دست و بالادست یک منبع حرارت (هیتر) تشکیل شده است.

Heat Transfer Flowmeter

حرارت از یک گرم کننده الکتریکی به سیال منتقل می شود و مقدار آن با مصرف الکتریکی گرم کننده برابر است.

حسگر دمای بالادستی دمای سیال را قبل از انتقال حرارت به آن اندازه گیری می کند و آن دمای مرجع است.

حسگر دمای پایین دستی دمای سیال گرم شده را اندازه گیری می کند.

بر اساس معادله انتقال حرارت، افزایش دمای سیال متناسب با انرژی گرمایی دریافتی و جرم سیال است.

Heat Transfer Equation

به سادگی جریان جرمی سیال از معادله زیر بدست می آید:

Mass Flowrate Equation

فلومتر تیوب گرم شده

به منظور حفاظت از گرم کننده و حسگرهای دما در برابرخوردگی و سایش، فلومتر تیوب گرم شده طوری طراحی شده است که گرم کننده و حسگرهای دما خارج از خط لوله قرار دارند.

Heated Tube Flowmeter

این طراحی انتقال حرارت به سیال و توزیع حرارت در آنرا پیچیده می کند علاوه بر آن رابطه جریان جرمی سیال و اختلاف دما غیر خطی می شود.

Heated Tube Flowmeter Operation

حسگر دمای بالادستی دمای سیال را از پشت دیواره لوله قبل از گرم شدن اندازه گیری می کند.

این حسگر باید در فاصله ای از گرم کننده باشد که گرما با هدایت حرارتی از طریق دیواره لوله به حسگر منتقل نشود.

حسگر دمای پایین دستی باید نزدیک گرم کننده باشد که دمای دیواره لوله که همان دمای سیال حرارت دیده و متناسب با جریان جرمی سیال است را اندازه گیری کند.

در این فلومتر رابطه جریان جرمی سیال و اختلاف دما غیر خطی است.

هر دو روش اندازه گیری توان ثابت و دمای ثابت که قبلا شرح داده شد برای این فلومتر امکان پذیر است.


فلومتر مسیر فرعی ( بای پس)

فلومتر جرمی مسیر فرعی نوع دیگری از فلومتر انتقال حرارت است.

این فلومتر شامل یک مسیر فرعی روی مسیر اصلی لوله است که یک لوله نازک به همراه گرم کننده و دو سنسور دما است.

برای اندازه گیری جریانهای زیاد، یک تجهیز مسدود کننده برای هدایت جریان به مسیر فرعی لازم است.

Bypass Type Flowmeter

روش اندازه گیری دقیقا همان روشی است که برای فلومتر انتقال حرارت شرح داده شد.

جریان مسیر فرعی باید لمینار (آرام) باشد، بنابراین در برخی از مدلها یک تجهیز ایجاد جریان لمینار در تیوب اصلی در نظر گرفته میشود که هم جریان لمینار داخل مسیر فرعی را تامین کند و هم نقش تجهیز مسدود کننده را داشته باشد.


فلومتر سیم داغ

این فلومتر از دو سنسور دما که در یک پل وتستون قرار دارند تشکیل شده است.

یکی از سنسورها دمای گاز را به عنوان دمای مرجع اندازه گیری می کند.

سنسور دیگر بصورت مداوم گرما داده می شود و به محض اینکه جریان سیال آغاز می شود، حرارت به سیال منتقل می شود.

اختلاف دمای بین سنسورهای دما ثابت نگه داشته می شود. ( روش دمای ثابت)

سیال که سنسور گرم شده را خنک می کند، پل وتستون جریان الکتریکی گرم کننده را افزایش می دهد تا اختلاف دمای بین دو سنسور ثابت نگه داشته شود.

Hot Wire Flowmeter

این تغییر جریان الکتریکی متناسب با جریان جرمی سیال است.

افزایش جریان سیال، خنک شدن سنسور گرم شونده را افزایش می دهد که باعث افزایش جریان الکتریکی گرم کننده می شود.


دقت اندازه گیری فلومتر جرمی انتقال حرارت

دقت اندازه گیری فلومتر جرمی انتقال حرارت 1 تا 2 درصد بازه اندازه گیری است.


گستره اندازه گیری فلومتر انتقال حرارت

گستره اندازه گیری نسبت بیشترین به کمترین مقدار جریان سیال قابل اندازه گیری با دقت معین است.

گستره اندازه گیری فلومتر انتقال حرارت 10:1 تا 100:1 است.


فلومتر جرمی تششعی

فلومتر جرمی تششعی از دو قسمت اندازه گیری تشکیل شده است.

قسمت اول با استفاده از اشعه گاما چگالی و قسمت دیگر فلوی حجمی را اندازه گیری می کند سپس یک کامپیوتر محاسبه جریان سیال، از این دو مقدار بدست آمده استفاده کرده و فلوی جرمی را محاسبه می کند.

Radiation Mass Flowmeter

قسمت اندازه گیری چگالی، یک منبع اشعه گاما دارد که اشعه گامای ساطع شده از مواد رادیواکتیو مانند ایزوتوپ کوبالت-60 را متمرکز کرده و به یک گیرنده ارسال می کند.

حسگر گیرنده مقدار و شدت اشعه دریافت شده را به سیگنالی که نشان دهنده چگالی است تبدیل می کند.

این نوع از فلومتر معمولا برای سیالات نامتعارف و مشکل مانند دوغابهای واحدهای فرآیندی معدن جهت اندازه گیری چگالی که نقش اساسی در سیکل های بازیابی کنسانتره دارد، استفاده می شود.

در چنین شرایطی اندازه گیری بدون تماس با مواد یکی از مزایای این فلومتر است.

فلومتر جرمی تششعی همچنین برای بخش انتقال مواد صنایع معدنی برای اندازه گیری فلوی جرمی مواد جامد روی نوارنقاله ها استفاده می شود.

 Conveyor Radiation Mass Flowmeter

فلومتر های حجمی

فلومتر های حجمی اغلب سرعت سیال را که با جریان حجمی سیال متناسب است، اندازه گیری می کنند.

برخی دیگر طراحی مکانیکی خاصی دارند که در هر حرکت حجم مشخصی از سیال را عبور می دهند، بنابراین تعداد حرکت در بازه زمانی مشخص، جریان حجمی سیال را بدست می دهد.

متداول ترین فلومترهای حجمی عبارتند از :

  • مغناطیسی
  • فراصوتی
  • توربینی
  • گردابی (ورتکس)
  • جریان چرخشی
  • جابجایی مثبت (پیمانه ای)
  • صفحه هدف (دیسکی)

فلومتر مغناطیسی

فلومتر مغناطیسی بر اساس قانون فارادی کار می کند.

 Magnetic Flowmeter

قانون فارادی

قانون فارادی بیان می کند که وقتی یک رسانا با طول مشخص در یک مدار الکتریکی بسته، داخل یک میدان مغناطیسی با شار مشخص حرکت کند، ولتاژی دو سر آن رسانا تولید می شود که می تواند با معادله زیر بیان شود:

 Faraday's Law

جهت حرکت رسانا، میدان مغناطیسی و جریان القایی بر هم عمود هستند.

فلومتر مغناطیسی از قانون فارادی برای اندازه گیری فلوی حجمی مایعاتی که رسانایی الکتریکی دارن استفاده می کند.

این فلومتر از یک لوله یا تیوب غیر مغناطیسی، یک جفت الکترود که با سیال رسانا در ارتباط هستند و یک جفت سیم پیچ بیرون از لوله یا تیوب جهت تولید میدان مغناطیسی در طول لوله یا تیوب، تشکیل شده است.

به محض اینکه سیال که نقش رسانا را دارد، داخل میدان مغناطیس جریان پیدا می کند، ولتاژی دو سر الکترودها القا می شود.

 Magnetic Flowmeter Operation

از آنجایی که سرعت متوسط سیال با فلوی سیال متناسب است، با اندازه گیری ولتاژ القا شده، فلوی حجمی می تواند به صورت زیر بدست آید:

 Magnetic Flowmeter Flow Equation

بر اساس معادله بالا یک تناسب خطی بین جریان سیال و ولتاژ القایی وجود دارد.

افزایش جریان سیال باعث افزایش ولتاژ القایی می شود.

همانطور که پیش تر گفته شد، در اندازه گیری جریان طبق قانون فارادی سیال نقش رسانا را بازی می کند، بنابراین این فلومتر تنها برای مایعات دارای رسانایی الکتریکی مناسب بوده و برای هیدروکربنها و مواد آلی قابل استفاده نیست.

حداقل رسانایی مورد نیاز سیال 5 میکروزیمنس بر سانتی متر است.

برای برخی از سیالات مانند آب کانی زدایی شده، رسانایی بیشتری حدود 20 میکرو زیمنس بر سانتی متر نیاز است.

فلومتر مغناطیسی تغذیه شونده از لوپ کنترلی ( بدون تغذیه جداگانه) نیز وجود دارد که می تواند برای سیستمهای ایمن ذاتی استفاده شود.

در این فلومترهای ایمن ذاتی، میدان مغناطیسی با توان الکتریکی بسیار کم تولید شده است، بنابراین حداقل رسانایی سیال برای این فلومترها 50 میکرو زیمنس بر سانتی متر است.


انواع فلومتر مغناطیسی

فلوتر مغناطیسی بر اساس نحوه تحریک سیم پیچهای تولید کننده میدان مغناطیسی دسته بندی می شود.

اولین نوع، تحریک متناوب (AC) است که از ولتاژ متناوب برای تولید میدان مغناطیسی استفاده می کند.

نوع تحریک متناوب کمتر تحت تاثیر رفتار جریان قرار می گیرد اما به دلیل نویزهای ایجاد شده توسط میدان مغناطیسی متناوب قوی در مدار اندازه گیری، نیاز به تنظیم دوره ای خروجی صفر در سرعت سیال صفر دارد.

همچنین میدان مغناطیسی در اثر نوسانات ولتاژ یا فرکانس تغییر می کند که می تواند روی دقت تاثیر داشته باشد.

فلومتر مغناطیسی به نوع تحریک مستقیم (DC) ارتقا یافت که به تنظیم صفر نیازی ندارد و مشکل نویز نیز در آن حل شده است.

در این طراحی سیم پیچها بصورت بازه ای توسط پالس های DC برقدار می شوند.

ولتاژ القا شده یکبار زمانی که سیم پیچ ها برقدار شده اند و بار دیگر زمانی که برقدار نیستند اندازه گیری می شود.

ولتاژ اندازه گیری شده زمانی که سیم پیچها برقدار نیستند بطور کامل نویز است.

اکنون با کم کردن نویز از مقدار اندازه گیری شده در زمان برقدار بودن سیم پیچ ها سیگنال خالص بدست می آید.

عیب نوع تحریک مستقیم سرعت پاسخ کم و نویز در سیالها با رسانایی کم است.

فلومتر مغناطیسی تحریک دو فرکانسه به عنوان نوع ارتقا یافته که مزایای هر دو نوع متناوب و مستقیم را دارا بوده و محدودیت های آنها را حذف کرده است، طراحی شد.

این نوع از موج جریان ترکیبی برای تحریک سیم پیچ ها استفاده می کند.

موج ترکیبی بصورت شکل زیر از یک موج فرکانس بالا که روی یک موج فرکانس پایین سوار شده، تشکیل شده است:

 Dual-Frequency excitation magnetic flowmeter

با روش تحریک دو فرکانسه، فلومتر مغناطیسی دارای سرعت پاسخ بالا، حذف نویز خوب و پایداری سرعت صفر می باشد همچنین برای سیالها با رسانایی الکتریکی کم مناسب است.


دقت اندازه گیری فلومتر مغناطیسی

دقت اندازه گیری فلومتر مغناطیسی 0.15 تا 0.5 درصد بازه اندازه گیری است.


گستره اندازه گیری فلومتر مغناطیسی

گستره اندازه گیری نسبت بیشترین به کمترین مقدار جریان سیال قابل اندازه گیری با دقت معین است.

گستره اندازه گیری فلومتر مغناطیسی 30:1 تا 100:1 است.

برخی از سازندگان به گستره اندازه گیری 1000:1 برای مدلهای بسیار دقیق برای خطوط لوله کوچک دست یافته اند.


انتخاب اندازه فلومتر مغناطیسی

مهم ترین نکته برای انتخاب اندازه فلومتر مغناطیسی این است که سرعت سیال باید در بازه اندازه گیری حسگر باشد.

سرعت سیال می تواند از مقادیر جریان سیال فرآیندی و اندازه خط لوله بدست آید.

در نرم افزار محاسبات سازندگان، با وارد کردن رسانایی حسگر با توجه به حساسیت و دقت آن انتخاب می گردد.

سپس نرم افزار سرعت سیال محاسبه شده را با بازه اندازه گیری حسگر مقایسه می کند.

اگر سرعت سیال بالاتر از بازه سرعت حسگر باشد، نرم افزار به فلومتری بزرگتر از اندازه خط لوله انتخاب می کند.

اگر سرعت کمتر از بازه سرعت حسگر باشد، نرم افزار فلومتری کوچکتر از اندازه خط لوله انتخاب می کند که نیاز به محاسبه افت فشار دارد.

مشخصات فیزیکی سیال در انتخاب بازه سرعت حسگر توسط نرم افزار در نظر گرفته شده است.

به عنوان نمونه بازه سرعت حسگر برای سرویس معمولی مایعات با بازه سرعت حسگر برای سرویس دوغابی یا دوغابی ساینده متفاوت است و هر سازندای رهنمودهای خاص خود را برای بازه سرعت حسگر دارد.


اتصال زمین فلومتر مغناطیسی

اتصال تیوب فلومتر مغناطیسی به زمین نه تنها به دلایل ایمنی بلکه برای عملکرد مناسب فلومتر ضروری است.

خطوط لوله فلزی رساناهای الکتریکی کم مقاومت هستند و ترانسفورماتورها، سیم پیچ موتورها و تجهیزات ولتاژ متوسط داخل واحد صنعتی ممکن است جریان الکتریکی سرگردان در طول خطوط لوله ایجاد کنند. .

الکترودهای فلومتر مغناطیسی یک مسیر احتمالی به سمت زمین برای این جریانهای الکتریکی سرگردان هستند و اختلاف پتانسیل بیش از حد اتصال زمین می تواند باعث خرابی فلومتر شود یا در کارکرد آن تاثیر بگذارد.

به همین دلیل پیچ هایی روی تیوب فلومتر برای اتصال به زمین تعبیه شده اند.


تمیز کاری خودکار فلومتر مغناطیسی

برای کارکرد فلومتر بسیار مهم است که الکترودها تمیز نگه داشته شوند و همیشه با سیال رسانا در تماس باشند.

برای کارکرد مناسب فلومتر باید هرگونه رسوب یا کثیفی از روی الکترود ها پاک شود.

راه حل قدیمی و منسوخ شده، استفاده از الکترودهای قابل برداشت است که خارج کردن آنها برای تمیز کاری یا جایگزینی بدون قطع کردن فرآیند امکان پذیر باشد.

راه حل جدید، استفاده از سیستم خودکار فراصوتی تمیز کاری است که یک موج قوی فراصوتی به محور هر الکترود گسیل می کند که باعث ایجاد لرزش در انتهای الکترودها شده و رسوب یا کثیفی را پاک می کند.

اکثر فلومترهای مغناطیسی امروزی گزینه سیستم خودکار فراصوتی تمیزکاری را دارند.


موارد استفاده از فلومتر مغناطیسی

فلومترهای مغناطیسی تنها برای سیالهایی که داراه رسانایی الکتریکی هستند مناسب است و برای هیدورکربنها و مواد آلی قابل استفاده نیست.

فلومترهای مغناطیسی اولین انتخاب برای سرویسهای بسیار خورنده هستند.

آنها برای سیالهای غیر معمول مانند دوغابهای ساینده مناسبند.

اندازه آنها بطور معمول، به اندازه خط لوله است بنابراین در کاربردهایی که افت فشار کم ضروری است، می توانند راه حل خوبی باشند.

فلومترهای مغناطیسی تحت تاثیر گرانروی، عدد رینولدز و رفتار سرعت سیال قرار نمی گیرند، بنابراین برای سیالهای غیر نیوتنی مانند خمیر کاغذ یا صنایع خوراکی مناسب هستند.


نصب فلومتر مغناطیسی

فلومتر مغناطیسی همواره باید از سیال مایع پر باشد.

به همین دلیل نصب ایدآل برای فلومتر مغناطیسی، نصب عمودی با جریان سیال بالارونده است.

همچنین اگر سیال دارای ذرات جامد باشد، نصب عمود با جریان بالارونده از پوشش داخلی محافظت می کند.

به دلیل محدودیت های فضا و لوله کشی، نصب افقی بسیار متداول است و در صورتی که محور الکترودها بصورت قائم نباشد، قابل قبول است.

نصب فلومتر در بالاترین نقطه لوله، ریسک تجمع گاز یا بخار را افزایش می دهد و باید از آن اجتناب شود.

از نصب در پایین ترین نقطه نیز باید اجتناب شود، زیرا ریسک تجمع ذرات جامد را افزایش می دهد مگر اینکه امکانات تمیز کاری مانند شیر تمیز کاری در نظر گرفته شود اما پیشنهاد نمی شود.

فلومتر مغناطیس نباید در طرف مکش پمپ ها قرارگیرد تا از پوش داخلی آن در برابر شرایط خلاء و فشارکم محافظت شود.

یکی از مهم ترین مزایای فلومتر مغناطیسی نسبت به دیگر فلومترها این است که رفتار سرعت روی دقت آن تاثیری ندارد، اما چرخشها و حرکات گردابی سیال ممکن است باعث شود که جهت سرعت سیال به شار میدان مغناطیسی عمود نباشد.

بنابراین پیشنهاد سازندگان طول لوله صاف به اندازه 5 برابر قطر لوله در بالادست و 2 برابر قطر لوله در پایین دست فلومتر مغناطیسی می باشد.


مزایای فلومتر مغناطیسی

  • دقت اندازه گیری بالا
  • گستره اندازه گیری بالا
  • افت فشار کم
  • نداشتن قطعه متحرک و در نتیجه سرویس و نگهداری کم
  • قابلیت اندازه گیری جریان در دو جهت
  • تحت تاثیر گرانروی، عدد رینولدز و رفتار سرعت سیال نیست
  • در دسترس بودن برای اندازه های مختلف خط لوله

محدودیت های فلومتر مغناطیسی

  • تنها برای سیالهای رسانا مناسب است و برای هیدروکربنها و مواد آلی قابل استفاده نیست
  • پوشش داخلی با متریال ویژه برای سرویسهای فرساینده، مکنده و دمای بالا لازم دارد
  • کمترین رسانایی الکتریکی مورد نیاز سیال برای فلومتر ایمن ذاتی 50 میکرو زیمنس بر سانتی متر است
  • برای سرویسهای با دمای بسیار بالا مناسب نیست

متریال فلومتر مغناطیسی

همانطور که پیش تر گفته شد، تیوب باید از جنس مواد غیر مغناطیسی باشد.

بنابراین فلزات آهنی نمی توانند برای متریال تیوب مورد استفاده قرارگیرند.

فولاد ضد زنگ AISI 316 / 316L / 316Ti ، بهترین و متداول ترین متریال برای تیوب است زیرا دارای مقاوت خوردگی مناسب در برابر سرویس های خورنده و مشخصات مکانیکی قابل قبول در بازه دمایی منفی 254 تا مثبت 816 درجه سانتی گراد است.

فولاد های ضد زنگ آستنیتیک (316SS, 304SS …)، فولادهای غیر آهنی هستند و می توانند میدان مغناطیسی را از خود عبور دهند.

پیشنهاد می گردد علی رغم این حقیقت که پوشش داخلی از تماس تیوب با سیال جلوگیری می کند، تیوب به عنوان قسمتی که بطور دائمی با سیال در تماس قراردارد، در نظر گرفته شود،.

برای انتخاب متریال پوشش داخلی، خصوصیات فیزیکی و شمیایی سیال علاوه بر دمای آن باید در نظر گرفته شوند.

مواد PTFE (پولی تترا فلورو اتیلن) و PFA (پرفلورو آلکوکسی آلکانس)، متداول ترین مواد برای متریال پوشش داخلی می باشند.

هر دو دارای مقاومت در برابر خوردگی خوبی هستند.

ماده PFA انعطاف بیشتر ولی مقاومت در برابر حرارت کمتری نسبت به PTFE دارد.

نقطه ضعف این مواد فرسایش و دمای فرآیندی بالا است.

در سرویسهای با دمای فرآیندی بالا ( بالاتر از 200 درجه سانتی گراد) و فرساینده، مواد سرامیکی مانند AL2O3 برای متریال پوشش داخلی استفاده می شود.

سرامیک بسیار محکم و مقاوم در برابر سایش است اما در معرض تنش یا خمش و افت ناگهانی دما، شکننده است.

پوشش داخلی سرامیکی برای سرویسهای بسیار مهاجم و خورنده مناسب نیست.

برای سرویسهای بسیار مهاجم و خورنده مواد لاستیکی سخت (هارد رابر) برای پوشش داخلی در دسترس هستند.

بسیار مهم است که سازنده را در مورد متریال واشر (گسکت) که منطبق بر مدرک خصوصیات متریال خطوط لوله پروژه (PMS) می باشد، مطلع سازید تا آنرا در انتخاب متریال پوشش داخلی درنظر گیرد.

متریال الکترود باید از فولاد ضد زنگ غیر آهنی باشد و می تواند 316SS، 316L SS، هستلوی سی، پلاتین، تیتانیوم، و تانتالوم باشد.

برای فرآیندهایی که دارای یونهای مهاجم مانند کلراید ( -CL) هستند مثل آب دریا، 316SS یا 316L SS نمی توانند استفاده شوند و هستلوی سی (Hastelloy C) که یک آلیاژ پایه نیکل با نمره معادل مقاومت خوردگی پوک شوندگی (PREN) بیشتر از 40 است، پیشنهاد می گردد.

در صورت استفاده از پوشش داخلی سرامیکی، ماده سرامیک فلزی پلاتین-آلومینیوم برای متریال الکترودها پیشنهاد می گردد.


فلومتر فراصوتی

فلومتر فراصوتی یک فلومتر حجمی برای سرویسهای مایع، گاز و بخار است.

فراصوت یک موج صوتی با فرکانس بالاتر از بازه شنیداری انسان که 20 هرتز تا 20 کیلوهرتز است، می باشد.

سرعت موج صدا در یک محیط به چگالی آن محیط بستگی دارد.

سرعت صوت در محیطی با چگالی ثابت، یکنواخت و ثابت است.

وقتی محیط در حال حرکت باشد سرعت کل حرکت برابر است با جمع سرعت صوت و سرعت محیط.

بنابراین با اندازه گیری زمان حرکت موج فراصوتی از نقطه A به نقطه B در یک سیال، می توانیم سرعت سیال را که ما را به میزان جریان سیال می رساند، اندازه گیری کنیم.


انواع فلومتر فراصوتی

Tدو نوع فلومتر فراصوتی وجود دارد:

  • زمان انتقال
  • داپلر
 Ultrasonic Flowmeter Types

فلومتر فراصوتی زمان انتقال

اگر یک پالس صدا در جهت جریان سیال در یک سیال با چگالی ثابت از نقطه A به نقطه B ارسال کنیم، مسافت بین دونقطه را در مدت زمانی که اندازه گیری می شود طی می کند.

سرعت این پالس صدا برابر با مجموع سرعت صوت و سرعت سیال است.

 Transit-Time Method

سپس اگر این پالس صدا را از نقطه B به نقطه A برگشت دهیم، مدت زمان طی شده متفاوت خواهد بود و سرعت پالس صدا برابر با تفریق سرعت سیال از سرعت صوت است.

به عبارت دیگر پالس صدا در جهت جریان سیال سرعت می گیرد و در جهت مخالف جریان سیال، کند می شود.

با اندازه گیری مدت زمان طی شده، سرعت سیال و سپس جریان حجمی سیال می تواند طبق معادله زیر محاسبه شود:

 Transit-Time Flowmeter Equation

در فلومتر فراصوتی زمان انتقال، مسیر ارسال پالس نسبت به خط مرکزی لوله دارای زاویه است.

 Transit-Time Flowmeter

سرعت پالس صدا و سرعت سیال در مسیر یکسانی نیستند، بنابراین معادله های بالا به صورت زیر خواهند بود:

 Transit-Time Flowmeter Flow Equation

لطفا توجه فرمایید که چگالی با تغییر پارامتر های فیزیکی مانند فشار یا دما تغییر خواهد کرد بنابراین سرعت صوت نمی تواند در طول اندازه گیری ثابت باشد و دقت را تحت تاثیر قرار می دهد، به همین دلیل جبران سازی مناسب بدین منظور ضروری است.

فلومتر های زمان انتقال برای محیطها و سیال های تمیز و دارای شفافیت صوتی استفاده می شوند، بدین معنی که ذرات جامد یا حباب ها ی محیط باید بسیار اندک باشند.


فلومتر داپلر

فلومتر فراصوت داپلر بر اساس اثر داپلر کار می کند.

در سال 1842 یک دانشمند اتریشی به نام کریستین داپلر، تغییر فرکانس یک موج در حالی که منبع موج نسبت به ناظر در حال حرکت است را شرح داد.

وقتی فاصله کم می شود، فرکانس موج دریافتی بالاتر از منبع موج است.

و وقتی فاصله در حال افزایش است، فرکانس موج دریافتی کمتر از منبع موج خواهد بود.

 Doppler Flowmeter

فلومتر فراصوت داپلر از ذرات جامد یا حبابهای گاز داخل محیط در برای انعکاس موج فراصوت که با سرعتی برابر با سرعت محیط در حال حرکت هستند، استفاده می کند.

سپس تغییر فرکانس موج انعکاسی که تابعی از سرعت محیط است را طبق اصل داپلر اندازه گیری می کند.

 Doppler Flowmeter Flow Equation

ظاهرا ناخالصی ها، ذرات جامد یا حبابهای گاز برای اندازه گیری جریان سیال با فلومتر فراصوت داپلر برعکس فلومتر فراصوت زمان انتقال، ضروری است.

برای اندازه گیری مناسب جریان سیال توسط فلومتر داپلر، لازم است مایع حداقل دارای 100 پی پی ام ذرات جامد معلق یا حباب با حداقل اندازه 100 میکرون باشد.


طراحی چند مسیره

اندازه گیری فلومتر فرا صوت تحت تاثیر رفتار سرعت محیط (سیال) قراردارد.

فلومتر فراصوت تک شعاع صوتی ( یک مسیره) می تواند به اندازه کافی دقیق باشد، اگر رفتار جریان سیال متقارن و یکنواخت باشد و گردابها و اثر ادوات خط لوله با فراهم کردن طول لوله صاف کافی، کنترل شده باشند.

 Multi-Path Ultrasonic Flowmeter

به منظور کاهش اثر تغییرات رفتار سرعت روی دقت اندازه گیری فلومتر فراصوت، دو یا چند شعاع صوتی ( چند مسیر) دور خط لوله استفاده می شود.

بنابراین در کاربردهایی که دقت بحرانی و حیاتی است، مانند سیستم های پایانه فروش، فقط فلومتر های فراصوت چند مسیره قابل قبول هستند.


نصب فلومتر فراصوت

فلومتر فراصوت در دو طرح برای نصب در دسترس است:

  • داخل خط لوله
  • بست کمربندی

در فلومتر داخل خط لوله، فرستنده های فراصوتی توسط سازنده با دقت و ظرافت بالا روی یک تکه از لوله با اتصال فلنجی نصب شده اند که بصورت مستقیم در خط لوله نصب می شود.

 Inline Ultrasonic Flowmeter

در این طراحی فرستنده ها در تماس مستقیم با سیال هستند و پالس فراصوتی را داخل خط لوله ارسال می کنند.

در طراحی بست کمربندی، فرستنده های فراصوتی بیرون از خط لوله نصب می شوند و فرستنده ها با سیال تماس ندارند.( طراحی بدون تماس)

در این طراحی، موج فراصوتی باید دوبار از ضخامت لوله عبور کرده تا به دریافت کننده برسد که باعث کاهش حساسیت دستگاه و افزایش مقاومت صوتی می شود.

 Clamp-on Ultrasonic Flowmeter

از آنجایی که فلومتر فراصوتی بست کمربندی یک فلومتر بدون تماس است، می تواند راه حل مناسبی برای استفاده در سرویسهای خورنده، ساینده و سمی باشد.

همچنین برای خطوط لوله بسیار بزرگ، فلومتر فراصوت بست کمربندی یه گزینه دقیق و اقتصادی است.

فلومتر فراصوت بست کمربندی، مزیت نصب و خارج شدن از سرویس بدون قطع فرآیند را دارا می باشد.

نصب فلومتر فراصوتی بست کمربندی پیچیده نیست، اما انعکاس و انکسار امواج باید در حین نصب و تنظیم مورد توجه قرارگیرد.

از آنجایی که فلومترهای فراصوت داخل خط لوله، تلفات عبور از ضخامت لوله و نویز انعکاس سطح لوله را ندارند، دارای توان صوتی و نرخ سیگنال به نویز بالاتری نسبت به فلومترهای فراصوتی بست کمربندی هستند.

فلومتر های فراصوتی می توانند روی خطوط عمودی و افقی نصب شوند.


لوله صاف مورد نیاز فلومتر فراصوتی

خط لوله صاف مورد نیاز برای فلومترهای فراصوتی تک مسیره، مشابه صفحات اوریفیس است.

برای فلومترهای فراصوتی چند مسیره، خط لوله صاف مورد نیاز در حدود 10 برابر قطر لوله در بالادست و 3 برابر قطر خط لوله در پایین دست است.

استفاده از ثابت کننده جریان قبل از فلومتر فراصوت داخل لوله می تواند طول خط لوله صاف مورد نیاز بالادستی را بشکل قابل ملاحظه ای کاهش دهد.


دقت فلومتر فراصوتی

دقت فلومتر فراصوتی به اندازه و بازه سرعت بستگی دارد.

هرچه اندازه کوچکتر و سرعت کمتر باشد، دقت بالاتر است.

دقت اندازه گیری فلومتر فراصوتی داخل لوله معمولا از 0.1 تا 0.5 درصد فلوی اندازه گیری شده توسط فلومتر چند مسیره برای کاربردهای پایانه های فروش و 0.3تا 1 درصد فلوی اندازه گیری شده توسط فلومتر تک مسیره برای کاربردهای متداول است.

دقت اندازه گیری فلومتر فراصوتی بست کمربندی از 1 تا 3 درصد فلوی اندازه گیری شده است، اگر به دقت و با در نظر گرفتن انعکاس و انکسار، نصب و تنظیم شده باشد.


گستره اندازه گیری فلومتر فراصوتی

گستره اندازه گیری نسبت بیشترین به کمترین مقدار جریان سیال قابل اندازه گیری با دقت معین است.

گستره اندازه گیری فلومتر فراصوتی زمان انتقال، می تواند 30:1 تا 100:1 باشد.

گستره اندازه گیری فلومتر فراصوتی داپلر، می تواند 20:1 تا 100:1 باشد.


مزایای فلومتر فراصوتی

  • دقت بالا
  • گستره اندازه گیر بالا تا 100:1
  • طرح چند مسیره برای کاربردهای پایانه فروش در دسترس است
  • مناسب بودن برای جریان های کم سیال
  • مناسب بودن برای سرویسهای خورنده، فرساینده و سمی
  • مناسب برای سرویسهای بسیار سرد
  • در دسترس بودن برای خطوط لوله بسیار بزرگ
  • قابلیت اندازه گیری جریان در دو جهت
  • مناسب برای سرویسهای با دما و فشار بالا
  • نداشتن قطعه متحرکر
  • نداشتن افت فشار
  • نوع بست کمربندی برای اندازه گیری های موقت و بدون تماس مناسب است

محدودیت های فلومتر فراصوتی

  • قیمت بالا
  • انعکاس و انکسار باید برای نوع بست کمربندی در نظر گرفته شوند
  • ذرات جامد یا حباب ها عملکرد نوع زمان انتقال را تحت تاثیر قرار می دهد
  • نیاز به خط لوله صاف به طول 10 قطر لوله در بالادست و 3 قطر لوله در پایین دست برای نوع چند مسیره و مقدار بیشتر برای تک مسیره
  • مناسب نبودن برای سرویسهای دو فازه

فلومتر توربینی

مهندس آلمانی، رینهارد ولتمن، اولین فلومتر توربینی را در سال 1970 ابداع کرد.

فلومتر توربینی عموما از یک توربین چرخنده و حداقل یک سیم پیچ دریافت کننده است.

توربین یک روتور پره دار است که می تواند آزادانه روی یک یاتاقان حول یک محور هم مرکز با خط مرکزی لوله داخل سیال بچرخد.

جریان سیال به پره های توربین فشار آورده و باعث چرخش توربین می شود.

یک سیم پیچ دریافت کننده، گردش توربین را با شماردن عبور پره های توربین سنجش می کند.

 Turbine Flowmeter

سرعت زاویه ای چرخش توربین متناسب با سرعت سیال است.

سیم پیچ دریافت کننده، پالسهایی را به عنوان خروجی با فرکانسی متناسب با سرعت زاویه ای توربین در نتیجه سرعت سیال تولید می کند.

فلومتر توربینی، سرعت سیال را از فرکانس خروجی سیم پیچ دریافت کننده و در نهایت جریان حجمی را از سرعت سیال محاسبه می کند.


روشهای عملکرد سیم پیچ دریافت کننده

سه روش وجود دارد که می تواند برای پایش چرخش توربین توسط سیم پیچ دریافت کننده مورد استفاده قرار گیرد:

روش 1
یک آهن ربای دائمی داخل یکی از پره های توربین با هر پرخش توربین ولتاژی در سیم پیچ دریافت کننده القا می کند.
فرکانس پالسهای ولتاژ القایی معرف سرعت سیال است.
روش 2
سیم پیچ دریافت کننده یک میدان مغناطیسی ایجاد می کند که پره های توربین که از مواد فرومغناطیسی درست شده اند در آن اعوجاج بوجود می آورند.
اعوجاج در این میدان مغناطیسی پالسهای ولتاژ با فرکانسی متناسب با سرعت زاویه ای توربین تولید می کند.
روش 3
یک ولتاژ متناوب به سیم پیچ دریافت کننده اعمال می شود که دامنه آن با عبور پره های فرومغناطیسی توربین تغییر می کند.
خروجی، فرکانسی است که روی موج ولتاژ متناوب (فرکانس حامل) سوار شده است.
فرکانس سوار شده روی موج ولتاژ، متناسب با سرعت زاویه ای توربین است.

طراحی های ویژه فلومتر توربینی

فلومتر های عادی و متداول ترین آنها در صنایع مختلف پیش تر شرح داده شد، اما طراحی های مبتکرانه ای برای کاربردهای خاص وجود دارند که قابلیت اطمینان و دقت بالاتری دارند یا هزینه را کاهش می دهند که در ادامه توضیح داده خواهند شد.


فلومتر توربینی دوقلو

اولین بار فلومتر توربینی دوقلو برای صنایع فضایی جهت فرآهم آوردن قابلیت اطمینان بیشتر، دقت و گستره اندازه گیری بالاتر، همچنین برای کاهش سایش یاتاقانها طراحی شد.

در این طراحی دو توربین وجود دارد، یکی در بالادست و دیگری در پایین دست فلومتر.

 Twin-Turbine Flowmeter

توربین پایین دستی روی یک محور چرخشی ثابت شده است و آن محور را با فشار جریان سیال روی پره های خود می چرخاند.

توربین بالادستی وظیفه اصلی اندازه گیری جریان سیال را به عده دارد و روی مجور ثابت نشده است و میتواند با استفاده از یک یاتاقان حول محور بچرخد، این در حالی است که محور در همان جهت با سرعت کمی نسبت به چرخش توربین، خود در حال چرخش است.

این طراحی فرسایش و اصطکاک توربین بالادستی را کاهش داده و کمک می کند تا روتور با گشتاور کمتری ناشی از سرعت و جریان کمتری از سیال بچرخد که باعث افزایش گستره اندازه گیری برای سرویسهای مایع تا 200:1 و برای سرویسهای گاز تا 1000:1 می شود.

فلومتر های توربینی دوقلو بطور گسترده ای در صنایع هوافضا، نظامی و اندازه گیری های فیزیولوژیکی به دلیل دقت، قابلیت اطمینان و گستره اندازه گیری بالا استفاده می شود.


فلومتر دو توربینی

فلومتر های دو توربینی مانند فلومتر های توربینی دوقلو دارای دو توربین هستند اما زاویه پره های توربین بالادستی با توربین پایین دستی متفاوت است، همچنین هر توربین محور مستقل خود را دارد.

زاویه پره های توربین بالادستی از زاویه پره های توربین پایین دستی بیشتر است، بنابراین توربین بالادستی به سرعت زاویه ای کمتری می چرخد.

جریان سیال از تفاوت سرعت زاویه ای بین دو توربین محاسبه می شود.

 Dual-Turbine Flowmeter

اغلب زاویه توربین پایین دستی بصورتی طراحی شده است که در جهت مخالف و با سرعت بیشتری نسبت به توربین بالادستی می چرخد.

طراحی فلومتر دو توربینی با توجه به اینکه توربین پایین دستی با سرعت بیشتری در جریانهای کم سیال می چرخد، گستره اندازه گیری را تا 500:1 برای سرویسهای گاز افزایش می دهد.

از آنجایی که توربین پایین دستی بسیار سریع می چرخد، یاتاقان آن در معرض فرسایش قراردارد و نیاز به سرویس و نگهداری دوره ای یا تجهیزات روانکاری خودکار است.

فلومتر دو توربینی به دلیل بالاتر بودن ریسک فرسایش یاتاقان، نسبت به فلومترهای دوقلو قابلیت اطمینان کمتری دارند.

از فلومترهای دو توربینی بیشتر برای سرویسهای گازی تمیز و بطور مشخص در خطوط لوله گاز طبیعی برای اندازه گیری جریان استفاده می شود.


فلومتر توربینی پارویی

فلومتر توربینی پارویی به اندازه دیگر فلومترهای توربینی دقیق نیست، اما قیمت کم آن قابل ملاحظه است.

فلومتر توربینی پارویی معمولا برای اندازه گیری جریان سیال در خطوط لوله بزرگ و وقتی که دقت بحرانی و خیلی مهم نیست مورد استفاده قرار می گیرد.

 Paddle Turbine Flowmeter

به منظور برخورداری از دقت قابل قبول، فلومتر توربینی پارویی باید برای جریانهای توربیولنت (ناآرام) با عدد رینولدز بیشتر از 4000 که سرعت در مرکز خط لوله تقریبا با سرعت در نزدیک دیواره های لوله برابر است، استفاده شود.


متریال فلومتر توربینی

فولاد ضد زنگ AISI 316 / 316L / 316Ti ، بهترین و متداول ترین متریال برای بدنه، پره، یاتاقان و محور است زیرا دارای مقاوت خوردگی مناسب در برابر سرویس های خورنده و مشخصات مکانیکی قابل قبول در بازه دمایی منفی 254 تا مثبت 816 درجه سانتی گراد است.

برای فرآیندهایی که دارای یونهای مهاجم مانند کلراید ( -CL) هستند مثل آب دریا، 316SS یا 316L SS نمی توانند استفاده شوند و هستلوی سی (Hastelloy C) که یک آلیاژ پایه نیکل با نمره معادل مقاومت خوردگی پوک شوندگی (PREN) بیشتر از 40 است، پیشنهاد می گردد.

در مواردی که استحکام مکانیکی بیشتر با مقاومت در برابر خوردگی قابل قبول نیاز باشد، فولادهای سخت شده به روش رسوبی مانند 17-4PH ، می تواند انتخاب مناسبی برای پره ها و محور باشند.

در سرویسهای با سرعت سیال بالا، کاربید تنگستن که یک ماده سرامیکی با خصوصیات دمایی بالا و مقاوم در برابر سایش است، می تواند برای متریال یاتاقان مناسب باشد.


دقت اندازه گیری فلومتر توربینی

دقت اندازه گیری فلومتر توربینی ساده 0.25% تا 1% مقدار خوانده شده است.

دقت اندازه گیری فلومتر توربینی دوقلو، 0.1% تا 0.5% مقدار خوانده شده است.

دقت اندازه گیری فلومتر دو توربینی، 0.25% تا 0.5% بازه اندازه گیری است و برای سیستم های اندازه گیری دقیق پایانه های فروش گاز طبیعی مناسب است.

دقت اندازه گیری فلومتر توربینی پارویی 2% تا 5% مقدار خوانده شده است که کمترین دقت درمقایسه با دیگر فلومترهای توربینی است.


گستره اندازه گیری فلومتر توربینی

گستره اندازه گیری نسبت بیشترین به کمترین مقدار جریان سیال قابل اندازه گیری با دقت معین است.

گستره اندازه گیری فلومتر توربینی ساده تک توربینی، 10:1 تا 30:1 می باشد.

فلومتر های توربینی دوقلو و دوتوربینی گستره اندازه گیری فلومترهای توربینی را افزایش داده اند.

گستره اندازه گیری فلومتر دو توربینی، که اغلب برای سرویسهای گاز استفاده می شود تا 500:1 می باشد.

گستره اندازه گیری فلومتر توربینی دوقلو برای سرویسهای مایع 200:1 و برای سرویسهای گاز تا 1000:1 می باشد.


خط لوله صاف مورد نیاز فلومتر توربینی

خط لوله صاف مورد نیاز فلومتر توربینی حدود 20 برابر قطر لوله در بالادست و 5 برابر قطر لوله در پایین دست است.

استفاده از صاف کننده جریان سیال قبل از ورودی توربین می تواند طول لوله صاف در بالادست را به 10 برابر قطر لوله کاهش دهد.


کالیبره کردن و تنظیم UVC فلومتر توربینی

گرانروی جنبشی (ویسکوزیته سینماتیکی) روی فلومتر توربینی اثر می گذارد، بنابراین باید بر اساس گرانروی جنبشی فرآیندی کالیبره و تنظیم شود.

منحنی عمومی گرانروی ( UVC) یک روش بیان اطلاعات دستگاه بر اساس بازه گرانروی جنبشی است.

در تنظیم بر اساس منحنی عمومی گرانروی، فرکانس خروجی فلومتر در 10 نقطه مشخص برای یک بازه گرانروی جنبشی اندازه گیری می شود.

نتیجه، بدست آمدن ضریب K برای فلومتر توربینی است.

اگر نمودار K نسبت به f/v ( فرکانس خروجی بر گرانروی جنبشی) را برای تمام نقاط کالیبراسیون با ویسکوزیته های مختلف رسم کنیم ، متوجه منطقه ای از منحنی ها خواهیم شد که با یکدیگر هم پوشانی دارند بدین معنی که ضریب K در آن منطقه تقریبا ثابت مانده و یک خط صاف افقی را شکل داده است.

 Universal Viscosity Curve (UVC)

این ضریب K برای جبران سازی گرانروی در محاسبه جریان حجمی سیال استفاده می شود.

روش دیگری برای جبران سازی انبساط حرارتی فلومتر وجود دارد که روش اشتروهال به روشکو نامیده می شود.


موارد استفاده از فلومتر توربینی

فلومترهای توربینی به دلیل دقت بالا برای سیستم های اندازه گیری فروش مایع و گاز استفاده می شود.

فلومترهای توربینی ساده اغلب برای اندازه گیری فروش گاز طبیعی، بنزین و گازوییل در پمپ بنزینها همچنین کنتر های آب شهری استفاده می شوند.

 Turbine Flowmeter Applications

فلومتر های توربینی دوقلو بطور گسترده ای در صنایع هوافضا، نظامی و اندازه گیری های فیزیولوژیکی به دلیل دقت، قابلیت اطمینان و گستره اندازه گیری بالا استفاده می شود.

فلومترهای توربینی دوقلو معمولا برای سیستم های فروش گاز طبیعی استفاده می شوند.

فلومترهای توربینی پارویی به دلیل قیمت پایین در خطوط لوله بسیار بزرگ و مواردی که دقت مهم نیست استفاده می شوند.


مزایای فلومترهای توربینی

  • دقت بالا
  • مناسب برای سیستم های اندازه گیری فروش
  • افت فشار کم
  • گستره اندازه گیری بالا
  • اندازه گیری جریان در دو جهت

محدودیت های فلومترهای توربینی

  • قطعات متحرک در معرض سایش قرار دارند
  • قیمت بالا
  • برای سرویسهای دوغابی مناسب نیستند
  • نیاز به تنظیم مجدد هر چند سال یک بار دارند
  • صاف کننده جریان لازم دارند

فلومتر گردابی (ورتکس)

فلومتر گردابی ( ورتکس)، نوع دیگری از فلومترهای جریان حجمی سیال است که سرعت سیال را اندازه گیری می کند.

فلومتر گردابی بر اساس پدیده دنباله گردابی کارمن که به نام ریاضیدان ، فیزیکدان و مهندس هوا-فضای لهستانی- آمریکایی ، تئودور فون کارمن ، نامگذاری شده است، کار می کند.

بر اساس دنباله گردابی کارمن، وقتی جریان سیال از جسمی عبور می کند، گردابی در یک سمت جسم در پایین دست بوجود می آید.

سپس گرداب مشابهی در سمت دیگر جسم شکل می گیرد.

تناوب این گردابها در دور طرف جسم، یک جریان گردابی متناوب ایجاد می کند که به آن دنباله گردابی کارمن می گویند.

 Karman Vortex Street

وینسک اشتروها، فیزیکدان چک، کشف کرد که فرکانس این جریان گردابی متناوب تابعی از ابعاد هندسی جسم (مانع) و سرعت محیط یا سیال است.

 Frequency of Shedding Vortexes

ضریب تناسب در این معادله عدد اشتروهال نامیده می شود.

فلومتر گردابی، فرکانس این جریان گردابی متناوب را اندازه گیری کرده و سرعت سیال را طبق معادله بالا بدست می آورد ، سپس جریان حجمی سیال را محاسبه می کند.

وقتی هر یک از گردابها از جسم مانع عبور می کند توزیع فشار را تغییر می دهد.

بنابراین جریان گردابی متناوب، می تواند نیروی متناوب جانبی (عرضی) ایجاد کند.

روشهای زیادی برای اندازه گیری فرکانس گردابها وجود دارد، از جمله استفاده از حسگر فشار دیافراگمی، حسگر خازنی و حسگر کریستالی پیزو-الکتریکی.

یکی از روشهای اندازه گیری فرکانس گردابها، قراردادن یک پاروی نوسانی بعد از جسم مانع است که می تواند با نیروهای جانبی که بیان شد، حرکت نوسانی کند.

از آنجایی که پارو بعد از عبور گرداب به سمت کم فشار حرکت می کند، فرکانس نوسان آن با فرکانس جریان گردابی متناوب برابر است.

 Vortex Flowmeter

به عنوان یک گزینه، فلومتر گردابی می تواند مجهز به حسگر دما و ترانسمیتر فشار و یک کامپیوتر محاسبه جریان سیال برای جبرانسازی PT برای اصلاح چگالی یا محاسبه جریان جرمی سیال باشد.

کامپیوتر جریان روی فلومتر گردابی می تواند سیگنالهای ترانسمیتر های دما و فشار جداگانه و خارج از سیستم خود را برای محاسبات ذکر شده بپذیرد.

برای سرویسهای بخار حسگر دما می تواند برای محاسبه رطوبت بخار، و اعلان احتمال وقوع ضربه چکشی میعانات یا محاسبات حرارتی و انرژی بخار کمک کند.

برخی از سازندگان برای دقت بهتر و ایمنی در برابر لرزشها، خصوصا در شرایط جریان کم سیال، امکانات پردازش سیگنال و فیلتر کردن سیگنال را به فلومتر اضافه کرده اند.


انتخاب اندازه مناسب فلومتر گردابی (ورتکس)

برای سیالات با گرانروی بالا و رفتار جریان لمینار (آرام)، بعد از جسم مانع گردابی بوجود نمی آید، بنابراین فلومتر گردابی برای این سرویسها مناسب نیست.

برای بدست آوردن بهترین و دقیق ترین اندازه گیری جریان سیال بوسیله فلومتر گردابی، ضروری است تا عدد رینولدز سیال از 20000 کمتر نباشد.

در شرایط جریان کم سیال که سرعت بسیار کم است، اندازه فلومتر گردابی می تواند کوچکتر از اندازه خط لوله انتخاب شود تا از بهینه بودن دقت و گستره اندازه گیری اطمینان حاصل گردد.

هنگام کاهش اندازه فلومتر گردابیی، باید توجه ویژه شود تا کویتیشن در سرویسهای مایع و سرعت بالاتر از صوت در سرویسهای گازی بروز نکنند.

نرم افزار محاسبات سازندگان، با در نظر گرفتن گرانروی، عدد رینولدز، بازه سرعت، بهینه بودن دقت، شرایط بروز کویتاسیون و شرایط ایجاد سرعت فراتر از صوت، بهترین اندازه فلومتر گردابی (ورتکس) را انتخاب می کند.


متریال فلومتر گردابی (ورتکس)

فولاد ضد زنگ AISI 316 / 316L / 316Ti ، بهترین و متداول ترین متریال برای بدنه، جسم مانع، حسگر و هر قطعه ای که با سیال تماس دارد، است زیرا دارای مقاوت خوردگی مناسب در برابر سرویس های خورنده و مشخصات مکانیکی قابل قبول در بازه دمایی منفی 254 تا مثبت 816 درجه سانتی گراد است.

برای فرآیندهایی که دارای یونهای مهاجم مانند کلراید ( -CL) هستند مثل آب دریا، 316SS یا 316L SS نمی توانند استفاده شوند وآلیاژهای داپلکس و سوپر داپلکس و آلیاژهای پایه نیکل مانند هستلوی سی (Hastelloy C) که دارای نمره معادل مقاومت خوردگی پوک شوندگی (PREN) بیشتر از 40 هستند، پیشنهاد می گردند.


موارد استفاده فلومتر گردابی (ورتکس)

فلومتر گردابی بطور گسترده برای اندازه گیری جریان مایع، گاز و بخار زمانی که دقت و گستره اندازه گیری بالا مورد نیاز است، استفاده می شود.

فلومتر گردابی برای سرویسهایی که ذرات جامد دارند ،سرویسهای چند فازی یا برای جریانهای ضربانی مناسب نیستند.

فلومتر گردابی در سرویسهای بسیار چسبنده مانند، دوغابی نمی تواند کار کند زیرا دنباله گردابهای کارمن در این سرویسها تشکیل نمی شود.

به عبارت دیگر فلومتر گردابی در سیالاتی با عدد رینولدز کمتر از 20000 ، بصورت دقیق کار نخواهد کرد، مگر برای خطوط لوله زیر 4 اینج آن هم به شرط انجام محاسبات توسط سازنده و تایید آن.

فلومتر گردابی انتخاب خوبی برای بخار اشباع و بخار خیلی داغ برای اندازه گیری فلو و محاسبال انرژی حرارتی بخار با استفاده از یک ترانسمیتر دما روی خود فلومتر است.

زمانی که فلومتر های جرمی مقرون به صرفه نیستند، فلومتر گردابی یک انتخاب اقتصادی برای اندازه گیری جریان جرمی سیال و چگالی با دقت قابل قبول، با کمک جبران سازی فشار-دما است.

همچنین فلومتر گردابی می تواند برای اندازه گیری جریان سیال در سرویسهای بسیار سرد استفاده شود.


دقت اندازه گیری فلومتر گردابی (ورتکس)

برای مایعات: 0.5 تا 0.75 درصد بازه اندازه گیری

برای گازهای و بخار: 1 تا 1.5 درصد بازه اندازه گیری

توجه فرمایید که دقت اندازه گیری بیان شده، برای سرویسهایی با عدد رینولدز بیشتر از 20000 است.

برای عدد رینولدز پایین تر، دقت اندازه گیری به 2 درصد بازه اندازه گیری برای مایعات و 2.5 درصد بازه اندازه گیری برای گازها و بخار کاهش می یابد.


گستره اندازه گیری فلومتر گردابی (ورتکس)

گستره اندازه گیری نسبت بیشترین به کمترین مقدار جریان سیال قابل اندازه گیری با دقت معین است.

گستره اندازه گیری فلومتر گردابی عموما 10:1 است اما برای عدد رینولدز بیشتر از 20000 ، می تواند تا 20:1 افزایش یابد.


لوله صاف مورد نیاز برای فولمتر گردابی (ورتکس)

طول لوله صاف برای فلومتر گردابی، حداقل 15 برابر قطر لوله در بالادست و 5 برابر قطر لوله در پایین دست است.

اگر در بالادست فلومتر گردابی یک شیر یا دو زانویی متصل به هم قرار داشته باشند، طول لوله صاف مورد نیاز در بالادست به 20 برابر قطر لوله افزایش می یابد.


مزایای فلومتر گردابی (ورتکس)

  • دقت خوب
  • گستره اندازه گیری بالا برای جریان توربیولنت (ناآرام)
  • در دسترس بودن برای خطوط لوله بزرگ
  • اندازه گیری خطی
  • قیمت کم
  • پایداری بلند مدت تنظیم
  • سرویس و نگهداری کم و قابلیت اطمینان بالا
  • امکان پردازش دیجیتالی سیگنال و فیلتر کردن برای جبران لرزش
  • مناسب برای دماهای بالا
  • مناسب برای سرویسهای بسیار سرد
  • انتخاب اقتصادی برای اندازه گیری فلوی جرمی یا چگالی با دقت قابل قبول با کمک جبرانسازی فشار-دما
  • مناسب برای محاسبات انرژی با استفاده از حسگر دما روی خود دستگاه برای بخار اشباع یا بخار بسیار داغ

محدودیت های فلومتر گردابی (ورتکس)

  • برای سرویسهایی با عدد رینولدز پایین تر از 20000 مناسب نیست
  • برای سیالهای دوغابی استفاده نمی شود
  • برای سرویسهای دارای ذرات جامد ساینده مناسب نیست
  • برای سرویسهایی با جریان ضربانی مناسب نیست
  • افت فشار بالا ( به علت جسم مانع)
  • اندازه گیری جریان سیال فقط در یک جهت

فلومتر جریان چرخشی (Swirl)

فلومتر جریان چرخشی یک نوع دیگری از فلومترهای جریان حجمی است.

فلومتر جریان چرخشی، بسیار شبیه فلومتر گردابی (ورتکس) است اما بجای جسم مانع یک توربین دارد که با ورود سیال به آن می چرخد و باعث چرخش خود سیال می شود که این امر تولید جریان چرخشی بعد از توربین می کند.

 Swirl Flowmeter

فرکانس جریان چرخشی تولید شده دارای تناسب خطی با سرعت سیال و در نهایت جریان سیال دارد.

هرچه جریان سیال بیشتر باشد، فرکانس چرخش نیز بیشتر است.

این فرکانس با استفاده از همان سنسور مورد استفاده در فلومتر گردابی که معمولا کریستال پیزو الکتریکی است، اندازه گیری می شود.

بعد از حسگر، یک صاف کننده جریان داخل فلومتر جریان چرخشی را میرا و رفتار جریان سیال را اصلاح می کند تا دیگر تجهیزات را تحت تاثیر قرار ندهد.

فلومتر جریان چرخشی می تواند برای اندازه گیری جریان سیال برای مایعات، گازها و بخار استفاده شود.


لوله صاف مورد نیاز فلومتر جریان چرخشی

لوله صاف مورد نیاز برای فلومتر جریان چرخشی حداقل 3 برابر قطر لوله در بالادست و 1 برابر قطر لوله در پایین دست است که نسبت به فلومتر گردابی بطور قابل ملاحظه ای کمتر است.

اگر در بالادست فلومتر گردابی یک شیر یا دو زانویی متصل به هم قرار داشته باشند، طول لوله صاف مورد نیاز در بالادست به 5 برابر قطر لوله افزایش می یابد.


دقت اندازه گیری فلومتر جریان چرخشی

دقت اندازه گیری برای فلومتر جریان چرخشی 0.5 درصد بازه اندازه گیری برای مایعات، گازها و بخار است.


گستره اندازه گیری فلومتر جریان چرخشی

گستره اندازه گیری نسبت بیشترین به کمترین مقدار جریان سیال قابل اندازه گیری با دقت معین است.

گستره اندازه گیری فلومتر جریان چرخشی حدود 50:1 است که در مقایسه با فلومتر گردابی (ورتکس) پیشرفت قابل ملاحظه ای است.


مزایای فلومتر جریان چرخشی

فلومتر جریان چرخشی تمامی مزایای فلومتر گردابی (ورتکس) را دارا می باشد، اما مزیت های اضافه زیر را نیز دارد:

  • دقت اندازه گیری بالاتر ( 0.5 درصد بازه اندازه گیری برای مایعات، گازها و بخار)
  • گستره اندازه گیری بالاتر (50:1)
  • طول لوله صاف مورد نیاز بالادستی و پایین دستی بسیار کمتر

فلومتر جابجای مثبت (پیمانه ای)

فلومتر جابجایی مثبت (پیمانه ای) نوع دیگری از فلومترهای حجمی است که دارای قطعات متحرکی است که با هر حرکت، حجم مشخصی از سیال را انتقال می دهند.

اساس کار فلومتر های جابجایی مثبت، محبوس کردن و سپس آزاد سازی بسته های مشخصی از سیال است.

از آنجا که هر بسته دارای حجم مشخصی از سیال است، شمردن تعداد محبوس شدن و آزاد سازی این بسته ها در بازه زمانی مشخص بیانگر جریان حجمی سیال است.

فلومترهای جابجایی مثبت (پیمانه ای) برای اندازه گیری جریان مایعات و گازها مناسب است.

فلومترها جابجایی مثبت دقیق ترین فلومتر برای سیالهای تمیز و چسبنده هستند.

هرچه گرانروی ( ویسکوزیته) بالاتر باشد، دقت نیز بالاتر است.

گرانروی بالا دقت را افزایش می دهد، اما لغزش سیال و بازه اندازه گیری را کاهش می دهد، همچنین افت فشار را افزایش می دهد.


انواع فلومتر جابجایی مثبت (پیمانه ای)

انواع مختلفی از فلومتر جابجایی مثبت وجود دارد اما پر کاربردترین آنها در صنایع عبارتند از:

  • صفحه لغزان
  • چرخ دنده بیضوی
  • پروانه مفصل دار
  • پیستون چرخنده

فلومتر صفحه لغزان

فلومتر صفحه لغزان از یک صفحه در مرکز یک توپ کروی داخل یک محفظه تشکیل شده است.

جریان سیال دیسک را به پایین فشار می دهد و توپ کروی لق می خورد، سپس با اضافه شدن نیروی جریان سیال و چرخش توپ کروی، سیال محبوس شده آزاد می گردد.

با هر چرخش و لق خوردن صفحه و توپ کروی، حجم مشخصی از سیال به خروجی فلومتر منتقل می شود.

Nutating Disc PD Flowmeter

فلومتر صفحه لغزان اغلب به عنوان کنتر آب شهری استفاده می شود.


فلومتر چرخ دنده بیضوی

فلومتر پیمانه ای چرخ دنده بیضوی از دو چرخ دنده بیضوی شکل دندانه دار که روی یکدیگر می چرخند تشکیل شده است.

فلومتر چرخ دنده بیضوی برای اندازه گیری جریان مایعات استفاده می شود.

جریان سیال گشتاور مورد نیاز برای گردش چرخ دنده ها را فراهم می کند و آنها را وادار می کند تا در خلاف جهت یکدیگر بگردند.

Oval Gear PD Flowmeter

هر گردش جفت چرخ دنده بیضوی، حجم مشخصی از سیال را محبوس و سپس آزاد می کند.

تعداد گردش مقدار دقیق سیال عبور کرده از فلومتر است.

چرخ دنده ها و یاتاقانهای فلومتر چرخ دنده بیضوی در معرض فرسایش مکانیکی قرار دارند، بنابراین استفاد از این فلومتر برای مایعاتی که دارای خواص روان کنندگی دارند، فرسایش را کاهش می دهد.

فلومتر چرخ دنده بیضوی برای اندازه گیری دقیق جریان مایعات بسیار چسبنده که دیگر فلومتر ها با مشکل مواجه هستند استفاده می شود.

دقت اندازه گیری آن با افزایش گرانروی ( ویسکوزیته) افزایش می یابد.


فلومتر پروانه مفصل دار

فلومتر جابجایی پروانه مفصل دار بسیار شبیه فلومتر چرخ دنده بیضوی است اما برای گازها.

این فلومتر از دو پروانه دارای تورفتگی با طرح برش مقطعی به شکل عدد هشت تشکیل شده است.

گاز به پروانه ها فشار آورده و باعث چرخش آنها درجهت مخالف یکدیگر می شود.

برای هماهنگ کردن چرخش پروانه ها، یک چرخ دنده در خارج محفظه در نظر گرفته شده است.

Lobed Impeller PD Flowmeter

یک مقدار نشتی از فاصله بین پروانه ها وجود دارد که جریان سیالی است که اندازه گیری نمی شود، اما می تواند جبران سازی شود.

گرانروی گازها در دمای بالا افزایش می یابد که باعث کاهش نشتی و جریان اندازه گیری نشده می شود.

چرخه محبوس و سپس آزاد سازی گاز، باعث جریان ضربانی و لرزش یا نویز و صدا در سیستم خط لوله می شود.


فلومتر پیستون چرخنده

فلومتر جابجای مثبت پیستون چرخنده از یک محفظه سیلندر با دو دریچه و یک پیستون چرخنده که بصورت غیر هم مرکز داخل سیلندر می چرخد، تشکیل شده است.

Oscillating Piston PD Flowmeter

محفظه سیلندر دارای یک دیواره جدا کننده بین دو دریچه است.

یک دریچه، ورودی و برای پر کردن محفظه سیلندر و دیگری، خروجی و برای تخلیه محفظه سیلندر است.

دیواره های جداکننده و چرخش پیستون دو قسمت با ظرفیت گنجایش حجم متفاوت از سیال را بوجود می آورد.

قسمت حجمی اول (حجم 1) بین دیواره جداکننده و داخل پیستون است.

قسمت حجمی دوم ( حجم 2) بین دیواره جداکننده و بیرون پیستون است.

Oscillating Piston PD Flowmeter Parts

در طی هر چرخش پیستون، حجم 1 و حجم 2 به ترتیب با دریچه ورودی پر و سپس با دریچه خروجی، تخلیه می شوند.

Oscillating Piston PD Flowmeter operation A

در شکل (a) پیستون در موقعیتی است که دریچه ورودی قسمتی بین دیواره جداکننده و داخل پیستون را که معادل نصف ظرفیت حجم 1 است، پر می کند.

در شکل (b) بیشتر ظرفیت حجم 1 پر شده است و به محض عبور پیستون از دریچه ورودی، قسمت بین دیواره جداکننده و بیرون پیستون شروع به پر شدن می کند که قسمتی از حجم 2 است.

Oscillating Piston PD Flowmeter operation B

در شکل (c)، حجم 1 بطور کامل و نصف ظرفیت حجم 2 نیز از سیال پر شده اند.

در وصعیت (d)، پیستون چرخنده بر روی دریچه خروجی حرکت می کند و حجم 1 شروع به تخله می کند در حالی که حجم 2 هنوز در حال پر شدن است.

Oscillating Piston PD Flowmeter operation C

در شکل(e)، حجم 2 بطور کامل پرشده و اولین ظرفیت حجم 1 بطور کامل تخلیه شده است.

اما نصف پیستون دوباره روی دریچه ورودی قرار گرفته است، بنابراین نصف دیگر حجم 1 برای بار دوم شروع به پر شدن می کند.

در شکل (f)، حجم 2 شروع به تخلیه شدن می کند در حالی که در طرف دیگر دیواره جداکننده، قسمتی از حجم 2 برای بار دوم شروع به پر شدن کرده است.

در حرکت بعدی مانند شکل (c)، دور دوم حجم 1 بطور کامل و نصف حجم 2 نیز دوباره پر شده اند.

با هر چرخش پیستون حجم 1 و حجم 2، یک بار پر و خالی می شوند.

به عبارت دیگر در هر چرخش، فلومتر حجمی معادل مجموع حجم 1 و حجم 2 را عبور داده است.

بنابراین شمارش دورهای چرخش پیستون در مدت زمان مشخص ما را به جریان حجمی سیال می رساند.

فلومترهای پیستون چرخنده بطور خاص برای اندازه گیری جریان سیال سرویسهای آب و روغن استفاده می شود.

اجزاء این فلومتر در معرض فرسایش قراردارند، بنابراین باید در انتخاب متریال این فلومتر دقت شود، همچنین باید در سرویسهای سیالاتی که خاصیت روانکاری دارند استفاده شود.

مانند دیگر فلومتر های جابجایی مثبت (پیمانه ای)، دقت اندازه گیری فلومتر پیستون چرخنده با افزایش گرانروی ( ویسکوزیته) بالا می رود.


موارد استفاده از فلومتر جابجایی مثبت (پیمانه ای)

فلومترهای جابجایی مثبت (پیمانه ای) برای اندازه گیری جریان مایعات و گازها مناسب هستند.

در سرویسهای گاز و مایع با گرانروی بالا، سُر خوردن و لغزش سیال کاهش می یابد بنابراین دقت اندازه گیری فلومتر جابجایی مثبت افزایش می یابد.

بنابراین، فلومترهای جابجایی مثبت دقیق ترین فلومتر برای سرویسهای تمیز و چسبنده (ویسکوز) هستند.

فلومترهای صفحه لغزنده، چرخ دنده بیضوی و پیستون چرخنده برای اندازه گیری جریان مایعات استفاده می شوند و فلومتر پروانه مفصل دار برای اندازه گیری جریان گازها مناسب است.

فلومترهای جابجایی مثبت در معرض فرسایش قرار دارند، بنابراین باید برای سرویسهایی استفاده شوند که دارای خصوصیات روانکاری دارند.

این فلومتر ها بطور اختصاصی برای سرویسهای اندازه گیری فروش آب و روغن استفاده می شوند.

امروزه از آنها در صنایع پتروشیمی و پالایشگاهی به ندرت استفاده می شود.

با این حال هنوز در اندازه گیری آب شهری، پمپ بنزینها و فروش روغن استفاده می شوند.


دقت اندازه گیری فلومتر جابجایی مثبت (پیمانه ای)

دقت اندازه گیری فلومتر جابجایی مثبت (پیمانه ای) 0.1 تا 0.5 درصد بازه اندازه گیری برای مایعات و 1 درصد بازه اندازه گیری برای گازهای است.

هرچه گرانروی (ویسکوزیته) بیشتر باشد، دقت اندازه گیری بالاتر است.


گستره اندازه گیری فلومتر جابجای مثبت (پیمانه ای)

گستره اندازه گیری نسبت بیشترین به کمترین مقدار جریان سیال قابل اندازه گیری با دقت معین است.

گستره اندازه گیری فلومترهای جابجایی مثبت (پیمانه ای) 30:1 تا 100:1 است.


مزایای فلومتر های جابجایی مثبت (پیمانه ای)

  • مناسب برای سرویسهای چسبنده (ویسکوز)
  • دقت بالا
  • گستره اندازه گیری بالا
  • عدم نیاز به لوله صاف بالادستی
  • عدم نیاز به منبع تغذیه

محدودیت های فلومتر جابجای مثبت (پیمانه ای)

  • قطعات متحرک در معرض فرسایش قراردارند
  • تولید جریان ضربانی و لرزش در پایین دست
  • نیاز به سرویس و نگهداری زیاد
  • عدم ماندگاری تنظیم به علت فرسایش
  • دقت اندازه گیری پایین برای سیالات با گرانروی پایین

فلومتر صفحه هدف (دیسکی)

فلومتر صفحه هدف نوع دیگری از فلومترهای جریان حجمی سیال است.

این فلومتر نیروهای وارده توسط ضربه جریان سیال روی یک صفحه معلق در مرکز خط لوله را اندازه گیری می کند که متناسب با سرعت سیال است.

Target Flowmeter

نیروی ضربه جریان سیال توسط یک مدار پل الکتریکی دارای حسگر های کشش به سیگنال ولتاژ تبدیل می شود که با ریشه دوم جریان سیال متناسب است.

Target Flowmeter Equation

فلومتر صفحه هدف برای اندازه گیری جریان مایعات، بخار مایعات و گازها استفاده می شود.

فلومتر صفحه هدف اغلب برای سیالات دوغابی و گاز به همراه میعانات یا سرویسهای مشکل دیگر که صفحه های اوریفیس برای اندازه گیری جریان آنها با مشکل مواجه هستند، استفاده می شود.

فلومتر صفحه هدف بطور گسترده به عنوان سویچ جریان سیال برای حفاظت پمپ ها از جریان سیال کم، استفاده می شوند.


دقت اندازه گیری فلومتر صفحه هدف

دقت اندازه گیری فلومتر صفحه هدف 1 تا 3 درصد بازه اندازه گیری است.


گستره اندازه گیری فلومتر صفحه هدف

گستره اندازه گیری نسبت بیشترین به کمترین مقدار جریان سیال قابل اندازه گیری با دقت معین است.

گستره اندازه گیری فلومتر صفحه هدف 10:1 است.


مزایای فلومتر صفحه هدف

  • قیمت کم
  • افت فشار کم ( طراحی میله ای)
  • طراحی میله ای آن برای خطوط لوله بزرگ مناسب است
  • اندازه گیری جریان در دو جهت
  • مناسب برای محافظت جریان کم پمپ ها

محدودیت های فلومتر صفحه هدف

  • برای سرویس های ساینده و خورنده مناسب نیست
  • دقت پایین