فلومتر ورتکس

فلومتر ورتکس (Vortex Flowmeter)، یکی از انواع متداول و پرکاربرد فلومترهای مبنی بر سرعت است که بر اساس  ایجاد جریان های گردابی یا ورتکس (اصل گرداب) مقدار جریان حجمی سیالات مختلف را اندازه گیری می کند.

جهت محاسبه مقدار فلوی جرمی در این نوع فلومترها باید تغییرات دما و فشار توسط ترانسمیترها به طور جداگانه اندازه گیری شود و فلو کامپیوتر تاثیرات آنها را در محاسبه تغییرات چگالی و جرم لحاظ و فلوی دقیق جرمی را محاسبه کند. برخی از فلومترهای ورتکس دارای سنسورهای دمایی (Temperature Compensation) می باشند تا تغییرات ناشی از تغییرات دما را در اندازه گیری جریان لحاظ کنند و در نهایت جریان عبوری بدون کمترین خطای اندازه گیری محاسبه شود.

جهت خرید فلومتر ورتکس با کارشناسان فروش ما در تجهیز صنعت در تماس باشید.

فلومترهای ورتکس یا گردابی در کاربردهای صنعتی برای اندازه‌گیری جریان حجمی سیالات مختلف نظیر مایعات، گازها (حداکثر سرعت 70 m/s) و بخارات مورد استفاده قرار می گیرند. این سیالات شامل بخار اشباع، بخار فوق گرم، هوای فشرده، نیتروژن، گازهای مایع، گازهای دودکش، دی اکسید کربن، آب غیر معدنی، حلال ها، روغن های انتقال حرارت، میعانات و غیره می شوند.

فلومترهای گردابی دارای مزیت هایی از جمله نصب آسان، عدم وجود قطعات متحرک برای نگهداری یا تعمیر، مصرف برق کم، تحمل دما و فشارهای بالا و بسیاری موارد دیگر می باشند به همین دلیل در طیف گسترده ای از صنایع جهت اندازه گیری جریان حجمی سیالات به ویژه بخار به کار می روند.

در این مقاله به معرفی و بررسی نحوه عملکرد،کاربرد، نکات نصب و کالیبراسیون فلومترهای ورتکس می پردازیم.

فلومتر ورتکس چیست؟

فلومتر ورتکس یکی از انواع تجهیزات اندازه گیری جریان است که برای اندازه‌گیری و سنجش جریان حجمی سیالات مختلف مورد استفاده قرار می گیرد.

فلومترهای گردابی از یک اصل فیزیکی به نام فون کارمان (von Kármán) برای اندازه‌گیری جریان مایعات، گازها و بخارها استفاده می‌کنند. در دینامیک سیالات الگوی تکرار شونده‌ ای به نام Karman Vortex Street شکل می‌ گیرد که توسط مانعی به نام  Shedding bar ایجاد می‌ شود.

در واقع فلومترهای گردابی سرعت سیال را با استفاده از اصل فون کارمان اندازه گیری می کنند. این اصل بیان می‌ کند وقتی جریان از یک جسم  مانع عبور می‌ کند، یک الگوی تکرارشونده از گرداب‌های چرخشی در خط لوله ایجاد می‌شود.

تصویر فوق نمونه ای از فلومتر ورتکس چند متغیره  Multi Variable است که دارای سنسور دمای جبران ساز دمای داخلی اندازه گیری جریان جرمی بخار اشباع و مایع می باشد.

مزیت اصلی فلومترهای ورتکس در عدم وجود قطعات متحرک است. این ویژگی باعث می‌ شود فلومترهای ورتکس در مقایسه با سایر انواع فلومترها کمترین سطح سایش و خرابی را داشته باشند همچنین حساسیت آنها نسبت به تغییرات شرایط فرایندی کم است.

عملکرد فلومتر ورتکس

فلومتر ورتکس با قرار دادن یک مانع (Shedding bar) در مسیر جریان، گرداب‌ هایی با فشارهای متناوب ایجاد می‌ کند و از این طریق شدت جریان را اندازه‌ گیری می‌کند. این گردابها باعث می‌ شوند که یک سنسور کوچک با فرکانسی کاملاً متناسب با سرعت سیال متحرک، نوسان کند. سپس سنسور نرخ نوسان را به یک سیگنال الکتریکی تبدیل می‌ کند که به عنوان سیگنال خروجی ارسال می شود.

رابطه بین فرکانس گرداب (f)، سرعت سیال (V)، St عدد استروهال (Strouhal) و طول مانع (d) به صورت معادله زیر بیان می شود:

f = St × V / d

فرکانس ورتکس‌های تولید شده توسط  فلومترهای ورتکس به اندازه و شکل مانع بستگی دارد. با اندازه‌ گیری این فرکانس و استفاده از روابط ریاضی مربوطه میتوان دبی جریان سیالات را با استفاده از فلومتر ورتکس محاسبه کرد.

در واقع گردابهای جدا شده در دو طرف بدنه به طور متناوب یک فشار موضعی مثبت یا منفی ایجاد می‌ کنند که توسط سنسورهای فشار پیزوالکتریکی یا خازنی شناسایی می‌ شوند و به عنوان سیگنال دیجیتال اولیه و خطی به الکترونیک تغذیه می‌ شوند.

مزایا و معایب فلومتر ورتکس

فلومترهای گردابی یا ورتکس دارای مزایای متعددی نسبت به سایر تجهیزات اندازه گیری جریان می باشند. برخی از مهمترین مزایای فلومترهای ورتکس در موارد زیر بیان می شود:

•  فلومترهای ورتکس مناسب اندازه‌گیری جریان گازها، مایعات و بخار می باشند و این ویژگی آنها را به تجهیز پرکاربرد در صنایع مختلف تبدیل می کند. 
• فلومترهای ورتکس تا حد زیادی تحت تأثیر تغییرات فشار، چگالی، دما و ویسکوزیته قرار نمی گیرند.
• نسبت turndown بزرگ معمولاً 10:1 تا 30:1 برای گاز و بخار یا حداکثر تا 40:1 برای مایعات دارد.
• این نوع فلومترها افت فشار کم و پایداری طولانی مدتی دارند.
• نسبت به سایر روش‌ های اندازه‌گیری جریان، فلومتر ورتکس هزینه کمتری برای نصب و نگهداری دارد. این امر می‌تواند به صرفه‌جویی در هزینه‌های عملیاتی منجر شود.
• فلومترهای گردابی دقت و تکرارپذیری بالایی را در اندازه گیری جریان ارائه می دهند.
•  فلومتر ورتکس در گستره وسیعی از دماهای فرایندی از 200- تا 400+ درجه سانتیگراد قابل استفاده است. این ویژگی آن را در برابر تغییرات دمایی محیط فرایند بسیار پایدار می‌ کند.
•  فلومتر ورتکس در اندازه‌ها و سایزهای مختلف برای لوله هایی با قطرهای مختلف استفاده می شوند.

فلومترهای ورتکس علاوه بر مزایای فوق دارای معایب و محدودیت هایی می باشند. به طور مثال این فلومترها برای اندازه‌گیری نرخ فلوهای بسیار پایین مناسب نمی باشند و در این حالت روش‌ های دیگری مانند فلومترهای حرارتی ممکن است بهترین گزینه باشند. در برخی از موارد استفاده از لوله‌ های مستقیم برای نصب فلومتر ورتکس الزامی است. این محدودیت ممکن است در برخی کاربرد‌ها مشکل ساز شود.

فلومترهای ورتکس با توجه به مانع (Shedding bar) برای سیالات خورنده، متخلخل و ویسکوزیته بالا مناسب نمی باشند. زیرا سیالات خورنده باعث آسیب دیدن مانع می شوند همچنین سیالات غلیظ (High Viscosity) به علت تمایل به حرکت در کف خط لوله مناسب این نوع فلومترها نمی باشند.

هنگام اندازه‌گیری جریان چند فازی (ذرات جامد در گاز یا مایع، حباب‌های گاز در مایع، قطرات مایع در گاز)، دقت فلومترهای ورتکس به دلیل ناتوانی در تمایز بین فازها کاهش می‌ یابد.

کاربردهای فلومتر ورتکس 

فلومترهای ورتکس یکی از رایج ترین انواع فلومترها در اندازه گیری جریان سیالات مختلف می باشند. همچنین به طور گسترده ای در صنایع و کاربردهای مختلف برای اندازه گیری جریان سیالات به کار می روند.

با توجه به طراحی و ساختار بدون نشتی فلومترهای Vortex در کاربردهای شیمیایی خطرناک به ویژه در مواردی که انتشار گازهای گلخانه ای نگران کننده است ایده آل  می باشند. کاربرد فلومترهای ورتکس در صنایع مختلف عبارتند از: 

• صنایع نفت و گاز: فلومترهای ورتکس در صنایع نفت و گاز برای اندازه گیری جریان نفت، گاز و سیالات چند فاز در خطوط لوله استفاده می شوند. این تجهیزات اندازه گیری دقیق جریان را برای نظارت بر تولید، انتقال نگهداری و اهداف تخصیص ارائه می دهند.
• صنایع پالایشگاهی: فلومتر ورتکس به عنوان یک تجهیز اندازه‌گیری دقیق جریان، در صنایع پالایشگاه استفاده می‌ شود. این ابزار برای کنترل جریان ورودی و خروجی سیستم‌های پالایشگاهی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
• صنایع آب و فاضلاب: فلومترهای ورتکس در تصفیه خانه های آب و فاضلاب برای اندازه گیری جریان آب  و فاضلاب استفاده می شوند. آنها برای نظارت بر مصرف آب و کنترل جریان استفاده می شوند.
• صنایع غذایی و دارویی: فلومتر ورتکس در برخی صنایع غذایی نیز کاربرد دارد. به عنوان مثال کارخانه‌ های تولید مواد غذایی می‌توانند از این تجهیز برای اندازه‌ گیری و کنترل جریان سیال در فرآیندهای تولید استفاده کنند.

به طور کلی فلومتر ورتکس به عنوان یک تجهیز ابزار دقیق و قابل اعتماد برای اندازه‌گیری جریان در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرد و به بهبود کارایی و کنترل فرآیندها کمک می کنند.

نکات نصب فلومتر ورتکس

نصب صحیح فلومترهای ورتکس جهت اندازه گیری دقیق و مطمئن جریان بسیار حائز اهمیت است. این فلومترها به صورت عمودی و افقی در خطوط لوله نصب می شوند. برخی از نکات مهم نصب فلومترهای ورتکس به شرح زیر است:

• هنگام نصب فلومتر حتما به جهت جریان و جهت نصب روی بدنه فلومتر توجه شود. زیرا نصب در جهت غلط موجب کارکرد نادرست فلومتر می شود.
• توجه داشته باشید محدوده جریان بالادست (Up stream) از 20D تا 50D و محدوده جریان (Down stream) از 15D تا 20D باشد.
• هنگام اندازه گیری مایع فلومتر Vortex باید در انتهای خط لوله نصب شود اگر مایع حاوی مقدار کمی گاز باشد.
• اطمینان حاصل کنید که برای جلوگیری از نشتی، از واشر یا آب بند مناسب بین فلومتر و فلنج های لوله استفاده شده است. از واشرهای سازگار با سیال فرآیندی و قابلیت تحمل شرایط عملیاتی استفاده کنید.
• هنگامی که از فلومتر ورتکس در اندازه گیری مایع استفاده می شود، جهت جریان باید از پایین به بالا باشد تا از وارد شدن وزن اضافی مایع به پروب گرداب جلوگیری شود.
• هنگام اندازه گیری گاز یا بخار، فلومتر گردابی باید در بالای خط لوله نصب شود اگر گاز یا بخار حاوی مایع باشد.
• هنگام انتخاب، فلومترهای ورتکس معمولا یک سایز کوچکتر از سایز خط خریداری می شوند تا سیال تمام خط را در بربگیرد و  خط لوله پر باشد.
• هنگامی که فلومتر گردابی نصب شد آزمایش و تأیید کامل را برای اطمینان از عملکرد صحیح آن انجام دهید. این ممکن است شامل بررسی نشتی، تأیید اتصالات الکتریکی، و مقایسه اندازه‌گیری‌ های جریان با استاندارد مرجع یا نرخ‌ های جریان شناخته شده در صورت امکان باشد.

توجه به این نکته مهم است که فرآیند نصب ممکن است با توجه به به مدل خاص، نوع سیال و کاربرد فلومتر گردابی متفاوت باشد. همچنین هنگام نصب فلومترهای ورتکس دستورالعمل های سازنده را در نظر بگیرید.

کالیبراسیون فلومتر ورتکس

فلومترهای ورتکس با آب کالیبره می شوند و یک عدد کالیبراسیون منحصر به فرد به نام ضریب K مرجع داده می شود. در واقع پس از ساخت فلومتر ورتکس ضریب K (K-factor) در کارخانه با استفاده از کالیبراسیون تعیین می شود و تحت هیچ گونه دریفت طولانی مدت یا جابجایی نقطه صفر قرار نمی گیرد.

صریب K-factor به فاکتور کالیبراسیون مرتبط با فلومترهای حجمی و خروجی پالس اشاره دارد. همچنین با استفاده از فرمول زیر محاسبه می شود:

K-Factor = pulses/ unit volume [gal]

به عنوان مثال یک فلومتر گردابی با ضریب K 100، به ازای هر گالن سیال که از آن عبور می کند، 100 پالس به عنوان سیگنال خروجی تولید می کند. در محدوده کاربرد فلومتر، ضریب K فقط به هندسه فلومتر بستگی دارد و مستقل از سرعت سیال، ویسکوزیته و چگالی سیال می باشد. بنابراین ضریب K نیز مستقل از نوع سیالی است که باید اندازه گیری شود صرف نظر از اینکه سیال بخار، گاز یا مایع باشد.

پارامترهای مهم خرید فلومتر ورتکس

هنگام خرید فلومترهای گردابی یا ورتکس پارامترهای متعددی باید در نظر گرفته شود. برخی از مهمترین پارامترهای خرید در موارد زیر بیان می شود:

1. محاسبه عدد رینولدز: فلومترهای ورتکس را نمی توان برای اندازه گیری سیالات با عدد رینولدز پایین (Re≤2×10) استفاده نمود. زیرا با توجه به اینکه عدد استروهال با عدد رینولدز کم، تغییر می‌ کند بنابراین دقت فلومتر کمتر می‌ شود و سیال با ویسکوزیته بالا بر گرداب‌ های ایجاد شده تأثیر می‌ گذارد یا حتی از آن جلوگیری می‌ کند. عدد رینولدز بدون بعد است و نسبت نیروهای اینرسی سیال به نیروهای ویسکوز آن را نشان می دهد. در واقع عدد رینولدز برای مشخص کردن جریان استفاده می شود و با استفاده از رابطه Re = ρvd/μ محاسبه می شود. در این رابطه v سرعت جریان، ρ دانسیته، μ ضریب ویسکوزیته و d قطر لوله است.
2. نوع سیال فرآیندی: سیالات فرآیندی مختلف مانند مایع یا گاز می‌ توانند بر قابلیت فلومتر گردابی تأثیر بگذارند. مایعات دارای ناخالصی و  ذرات معلق  قسمت های داخلی مانند بلوف را مسدود می کنند و باعث خطای فلومتر می شوند. همچنین فلومترهای گردابی با مایعاتی که ویسکوزیته بالایی دارند به کار نمی روند زیرا تمایل دارند تشکیل گرداب‌ ها را کاهش دهند. گاز قابل تراکم است و هنگامی که تحت فشار قرار می گیرد حجم آن تغییر می کند. برای سیستم هایی که گاز سیال فرآیندی است فلومتر ورتکس باید دارای سنسورهایی باشد که تغییرات دما و فشار را در سیستم نظارت می کنند.
3. محدوده اندازه گیری جریان: حداقل و حداکثر دبی مورد نیاز برای اندازه گیری فلومتر را تعیین کنید. اطمینان حاصل کنید که فلومتر گردابی انتخابی قادر به اندازه گیری دقیق دبی در محدوده دلخواه شما است.
4. نوع اتصال: فلومترهای ورتکس با اتصالات مختلف فلنجی، کلمپی، رزوه ای و ویفری نصب می شوند که هر کدام قیمت های متفاوتی دارند.
5. متریال یا مواد سازنده: اجزای مختلف فلومتر نظیر سنسور، بدنه و مانع از متریال مختلفی با توجه به نوع سیال، دما و فشار فرآیندی تولید می شوند. طبیعتا قسمت های در تماس با سیال (Shedding bar) از متریال با کیفیت و قیمت بالاتری ساخته می شوند.
6. دما و فشار فرآیندی: تا محدوده دما و فشاری خاصی با توجه به دیتاشیت محصول فلومترهای ورتکس به خوبی کار می کنند. فلومتر ورتکس را به گونه ای انتخاب کنید که بتواند در برابر شرایط دما و فشار پیش بینی شده عملکرد بهینه ای داشته باشد بدون اینکه دقت یا دوام را به خطر بیندازد.
7. نوع سنسور: نوع سنسور به کار رفته در فلومتر و همچنین نوع متریال در آنها در تعیین قیمت فلومتر تاثیر گذار میباشد. تقریباً تمام فلومتر های ورتکس از سنسورهای پیزوالکتریک یا نوع خازنی برای تعیین نوسان فشار در اطراف بدنه بلوف استفاده می کنند.
8. برند تولید کننده: برند تولید کننده فلومتر نیز می‌ تواند روی قیمت آن تأثیرگذار باشد. برندهای معروف و با سابقه در عرصه تولید فلومترها ممکن است قیمت بالاتری نسبت به برندهای کمتر شناخته شده داشته باشند.
9. سیگنال خروجی و پروتکل ارتباطی: سیگنال خروجی فلومتر گردابی نظیر آنالوگ (4-20 میلی آمپر)، دیجیتال (Modbus، HART) یا خروجی پالسی می باشد.
10. ظرفیت دستگاه: ظرفیت فلومتر ورتکس برای اندازه‌گیری حجم سیال نیز می‌تواند در تعیین قیمت آن تأثیرگذار باشد طبیعتا فلومترهای با ظرفیت بیشتر قیمت بالاتری دارند.

قیمت فلومتر ورتکس متناسب با سایز فلومتر، نوع اتصال و متریال های به کار رفته در فلومتر متفاوت می باشد. طبیعتآ فلومترهای ویفری یا بدون فلنج قیمت کمتری نسبت به نوع فلنجی خواهند داشت. سایز فلومتر هم نسبت مستقیم با قیمت فلومتر خواهد داشت.

تجهیز صنعت یکی از بزرگترین تامین کنندگان انواع تجهیزات ابزار دقیق و شیرآلات پایپینگ در کشور است. با توجه به نیازها در خرید فلومتر ورتکس، شرکت تجهیز صنعت می‌تواند به عنوان یک منبع مطمئن برای تأمین محصولات از برندهای معتبر مانند فلومتر روزمونت، فلومتر اندرس هاوزر، فلومترکرونه، فلومتر ABB و سایر برندهای مشهور، با قیمت مناسب در اختیار شما قرار دهد.

جهت کسب اطلاعات بیشتر در زمینه خرید فلومتر و استعلام قیمت فلومتر ورتکس با کارشناسان فروش ما در تماس باشید.

غزاله حداد زاده

غزاله حدادزاده کارشناس ابزاردقیق با بیش از سه سال سابقه در زمینه تولید محتوای تخصصی در حوزه تجهیزات ابزار دقیق و شیرآلات صنعتی، به ‌عنوان یکی از اعضای کلیدی تیم مارکتینگ و محتوای شرکت تجهیز صنعت فعالیت می ‌کند. تخصص وی در نگارش مقالات فنی، راهنماهای کاربری و محتوای آموزشی است که با هدف ارتقاء دانش فنی مخاطبان و تسهیل درک مفاهیم پیچیده ابزار دقیق طراحی می ‌شوند.