فلومتر

در دنیای صنعتی امروزه با توجه به اهمیت اندازه‌گیری و کنترل جریان در صنایع فرآیندی، آگاهی از انواع فلومترها و نحوه عملکرد آنها می‌تواند به بهبود کیفیت و ایمنی فرآیندها و افزایش بهره‌وری کمک کند. کنترل دقیق جریان سیالات به عنوان یکی از ارکان اساسی در مدیریت و بهینه‌سازی فرآیندهای صنعتی شناخته می‌شود.

زیرا داشتن اطلاعات دقیق از نرخ جریان سیالات در خطوط لوله نه تنها به افزایش ایمنی کمک می‌کند بلکه می‌تواند به کاهش حوادث، بهبود کنترل فرآیند و افزایش راندمان نیز منجر شود. فلومتر به عنوان ابزاری کلیدی در این زمینه، نقش بسیار مهمی در نظارت و کنترل جریان سیالات ایفا می‌کنند و داده‌های حیاتی را برای کنترل فرآیند، مدیریت موجودی و تضمین کیفیت محصولات ارائه می‌دهند.

این تجهیزات به طور خاص برای اندازه‌گیری نرخ جریان حجمی یا جرمی طراحی شده‌اند و کاربردهای گسترده‌ای در صنایع مختلف دارند. از صنایع شیمیایی و نفت و گاز گرفته تا صنایع غذایی و دارویی، فلومترها به عنوان ابزاری حیاتی برای بهینه‌سازی فرآیندها و افزایش کارایی سیستم‌ها مورد استفاده قرار می گیرند.

بنابراین با بهبود دقت، کنترل فرآیندها، کاهش هزینه‌ها و انطباق با استانداردها استفاده از فلومترها به یک نیاز اساسی در صنایع مختلف تبدیل شده است. انتخاب نوع مناسب فلومتر و توجه به نکات نگهداری می‌تواند به بهینه‌سازی عملکرد و افزایش کارایی صنایع مختلف کمک کند. هدف از ارائه این مقاله آشنایی با عملکرد، مزایا و معایب انواع فلومترها است تا پس از خواندن این مقاله کاربران بتوانند بهترین فلومتر را بر اساس نیازهای فنی و بودجه خود انتخاب کنند.

فلومتر چیست؟

فلومتر (Flowmeter) یکی از تجهیزات مهم و پر مصرف در حوزه ابزار دقیق است که در صنایع فرآیندی برای اندازه‌گیری جریان جرمی (kg/h) یا حجم (m­³/h) سیال عبوری از خط لوله در واحد زمان و ارسال سیگنال 4 تا 20 میلی آمپر  متناسب با نرخ جریان به اتاق کنترل مورد استفاده قرار می‌گیرد. این تجهیزات به ویژه در اندازه‌گیری جریان سیالات مایع، گاز و بخار اهمیت زیادی دارند و از نظر اقتصادی و فنی برای بهبود کنترل فرآیندها ضروری هستند.

به طور کلی، فلومترها به عنوان تجهیزات اندازه‌گیری دبی (جریان) عمل می‌کنند و برای تعیین نرخ جریان جرمی یا حجمی سیال به کار می‌روند. فلومترها همچنین با نام‌های دیگری مانند دبی‌سنج، جریان سنج، کنتور و سنسور جریان نیز شناخته می‌شوند.

هدف اصلی از خرید فلومتر افزایش دقت، صحت و وضوح اندازه‌گیری سیالات در صنایع فرآیندی است. فلومترها قادر به اندازه‌گیری حجم، سرعت و جرم سیال هستند و می‌توانند با استفاده از محاسبات مختلف اطلاعاتی مانند جریان، فشار مطلق، اختلاف فشار، ویسکوزیته و دما را گزارش دهند. این ویژگی‌ها به بهینه‌سازی فرآیندها و افزایش کارایی سیستم‌های صنعتی کمک می‌کند.

جریان یا فلو (Flow)

بررسی اندازه‌گیری جریان نیازمند درک مناسبی از نحوه‌ی حرکت سیال است. سیستم‌های ابزار دقیق باید فرآیند سنجش را با در نظر گرفتن پروفایل جریان سیالات انجام دهند. جریان سیالات می‌تواند الگوهای مختلفی از جمله‌ الگوی آرام، آشفته یا متلاطم، یا ترکیبی از این الگوها داشته باشد. شکل زیر مقایسه‌ای میان جریان‌های آرام (Laminar)، متلاطم (Turbulent) و انتقالی (Transitional) ارائه می‌دهد.

درجه مقاومت اصطکاکی (Frictional resistance) ایجاد شده توسط هر کدام از سه الگو بالا متفاوت است. فلو آرام کمترین مقاومت اصطکاکی را برای فوی سیال ارائه می دهد ولی فلو متلاطم باعث این مقاومت اصطکاکی بسیار بزرگی می شود.

در فلوهای انتقالی میزان گرایش فلو به هریک از الگوهای متلاطم یا آرام معیاری برای تعیین مقدار اصطکاک تولید شده آن تلقی می شود. در ادامه به معرفی شاخصه های مهم جریان می پردازیم:

• ویسکوزیته (Viscosity): ویسکوزیته اندازه گیری مقاومت سیال در برابر جاری شدن است و مایعات مختلف ویسکوزیته متفاوتی دارند. همچنین میتوان گفت ویسکوزیته خاصیتی است که در مشخصات فلو آرام یا متلاطم تاثیرگذار است. دما از عوامل موثر بر ویسکوزیته سیالات است که با افزایش دما ویسکوزیته سیالات کاهش می یابد. یکی از واحدهای اندازه گیری ویسکوزیته سانتی پویز (cP) است.
• عدد رینولدز (Reynolds Number): عدد رینولدز (Re) یک کمیت بدون بعد است که در مکانیک سیالات برای پیش‌بینی الگوهای جریان در موقعیت‌های مختلف جریان سیال استفاده می‌شود. عدد رینولدز رابطه بین نیروهای اینرسی و نیروهای ویسکوز یا چسبنده  را در یک سیال را توصیف می کند. هنگامی که عدد رینولدز کمتر از 2000 باشد جریان آرام است و اگر عدد رینولدز بزرگتر از 4000 باشد جریان متلاطم و بین 2000 تا 4000 جریان گذرا یا انتقالی است.

روش اندازه گیری جریان

تنوع گوناگون سیالات از نظر مشخصات فیزیکی و شیمیایی در صنعت، نیاز به استفاده از انواع مختلف فلومترها را ایجاد کرده است. فلومترها بر اساس روش‌های مختلفی برای اندازه‌گیری جریان سیالات طراحی شده‌اند. این روش‌ها شامل اندازه‌گیری بر اساس اختلاف فشار، حجم، سرعت و یا جرم می‌باشند. در ادامه به هر یک از این روش‌ها و ویژگی‌های مربوط به آنها  اشاره می شود:

1. اندازه‌گیری بر اساس اختلاف فشار

فلومترهایی که بر اساس اختلاف فشار بین دو نقطه از خط لوله عمل می‌کنند دارای ساختار و نصب ساده‌ای هستند. این نوع فلومترها به دلیل عدم وجود قطعه متحرک فرسایش کمتری ایجاد می‌کنند و نگهداری و تعمیرات آنها آسان‌تر است. با این حال، دقت این نوع فلومترها معمولاً پایین‌تر از سایر انواع است.

این دسته از فلومترها به دلیل ساختار و عملکرد ساده در بسیاری از کاربردها مورد استفاده قرار می‌گیرند. فلومترهای اوریفیس، ونچوری، فلو نازل و پیتوت تیوب، جریان سیالات را بر اساس اندازه‌گیری اختلاف فشار محاسبه می‌کنند، به طوری که رابطه آن به صورت Q=K*√ ΔP بیان می‌شود.

2. اندازه‌گیری بر اساس سرعت

فلومترهای مغناطیسی، ورتکس، توربینی، جابه جایی مثبت و التراسونیک از جمله تجهیزاتی هستند که برای اندازه‌گیری جریان سیالات بر اساس سرعت Q=A*V طراحی شده‌اند. این فلومترها معمولاً دقت بالاتری نسبت به نوع اختلاف فشاری دارند و به همین دلیل، قیمت آنها نیز بیشتر است.

این تجهیزات به دلیل توانایی در اندازه‌گیری دقیق و قابلیت استفاده در شرایط مختلف در طیف گسترده ای از صنایع کاربرد دارند. از معایب این فلومترها میتوان به ساختار پیچیده، فرسایش و آسیب مکانیکی و تلاطم زیاد در خط لوله اشاره کرد.

تلاطم زیاد در خط لوله می‌تواند منجر به فرسایش و آسیب‌های مکانیکی در تجهیزات و اجزای سیستم شود. این وضعیت می‌تواند به کاهش عمر مفید تجهیزات، افزایش هزینه‌های نگهداری و تعمیرات، و در نهایت اختلال در عملکرد کلی سیستم منجر شود.

برای اندازه‌گیری جریان جرمی توسط فلومترهای حجمی نیاز به دو ترانسمیتر فشار و دما است که تغییرات دما و فشار را در هر لحظه محاسبه کنند. زیرا تغییرات دما و فشار موجب تغییرات چگالی سیال می شود و با ضرب چگالی سیال در جریان حجمی، می‌توان میزان جریان جرمی سیال را محاسبه کرد.

3. اندازه‌گیری بر اساس جرم

فلومترهای جرمی کوریولیس و ترمال مس به عنوان دقیق‌ترین نوع فلومترها شناخته می‌شوند. این فلومترها جریان سیال را با بالاترین دقت ممکن اندازه‌گیری می‌کنند و میزان جریان را مستقل از دما، فشار و چگالی سیال تعیین می‌کنند.

به همین دلیل، خطاهای اندازه‌گیری ناشی از تغییرات دما و فشار در سیالات گازی در این نوع فلومترها به حداقل می‌رسد. این ویژگی‌ها باعث می‌شود که فلومترهای جرمی در صنایع حساس و دقیق، مانند صنایع نفت و گاز و شیمیایی بسیار مورد استفاده قرار گیرند.

بنابراین از مزایای این روش اندازه گیری میتوان به دقت بسیار بالا، عدم نیاز به جبرانسازی دما و فشار (Flow Compensation) و عدم تاثیر پذیری از تلاطم سیال اشاره کرد. علاوه بر این مزایا فلومترهای جرمی دارای معایبی مانند محدودیت سایز و قیمت گران می باشند.

انواع فلومتر

همانطور که پیش‌تر اشاره شد انواع متنوعی از فلومترها برای کاربرد در صنایع مختلف طراحی و تولید شده‌اند. هر یک از این تجهیزات با توجه به مکانیزم و تکنولوژی خاص خود، برای اندازه‌گیری نوع خاصی از سیال مناسب هستند. با توجه به تصویر زیر در ادامه این مقاله به معرفی انواع فلومترها بر اساس مکانیزم اندازه‌گیری خواهیم پرداخت.

فلومتر اختلاف فشاری (Differential pressure Flow meter)

فلومتر اختلاف فشاری یا به اختصار DP یکی از انواع  پرکاربرد و رایج فلومترهای صنعتی است که دبی حجمی سیالات را با استفاده از محاسبه اختلاف فشار ایجاد شده در مقطع لوله محاسبه می کند. این فلومترها شامل اوریفیس پلیت (Orifice Plate)، ونچوری (Venturi tube)، پیتوت تیوب (Pitot Tube) و فلو نازل (Flow Nozzle) می شوند.

فلومتر اختلاف فشاری دارای مزایایی از جمله فاقد قطعات متحرک، قیمت ارزان تر در مقایسه با سایر فلومترها، نصب در هر جهت، قابل استفاده برای گازها و مایعات و تعمیر و نگهداری آسان است. همچنین لازم به ذکر است که در اعداد رینولدز پایین و زمانی که افت فشار بسیار کم باشد، این تجهیزات دقت مناسبی ندارند.

این فلومترها برای اندازه گیری دبی طیف گسترده ای از سیالات مایع، گازها و بخار به کار می روند و همچنین برای اندازه گیری دبی مبنی بر اختلاف فشار از ترانسمیترهای اختلاف فشار استفاده می کنند.

بنابراین فلومترهایی که المنت اندازه گیری در آنها اوریفیس پلیت، لوله ونچوری یا فلونازل  می باشد، همگی با استفاده از محاسبه اختلاف فشار بین دو نقطه در خط میزان فلوی حجمی عبوری سیال را اندازه گیری می کنند.

عملکرد فلومتر اختلاف فشاری

اساس کار در فلومترهای اختلاف فشاری یا DP معادله برنولی است در واقع سرعت سیال و فشار با یکدیگر رابطه عکس دارند و با افزایش سرعت سیال عبوری از لوله فشار آن افت پیدا خواهد کرد. سه المنت اصلی برای طراحی یک فلومتر اختلاف فشاری لازم است.

المنت اول (اوریفیس، ونچوری، فلو نازل و …) با ایجاد یک محدودیت در لوله، افت فشار را در سراسر دبی‌سنج ایجاد می‌کند و این محدودیت طراحی شده، امکان استفاده از معادله برنولی را برای محاسبه نرخ جریان فراهم می‌آورد.

تمامی این فلومتر ها با ایجاد یک افت فشار در خط لوله جریان عبوری را اندازه گیری می کنند. مطابق روابط برنولی نرخ سیال عبوری از خط لوله با مجذور اختلاف فشار در بین آن نقاط رابطه ی مستقیمی خواهد داشت. افت فشار توسط یک المنت ثانویه، یعنی ترانمستیر اندازه‌گیری می‌شود. المنت سوم شامل اجزای اضافی سیستم مانند لوله‌های ضربه‌ای و اتصالات می شود.

با توجه به تصویر فوق و فرمول دبی حجمی Q=K*√ Δp برای محاسبه جریان مقدار جذر اختلاف فشار در ضریب ثابتی ضرب می شود و توجه نمایید که ترانمسیتر اختلاف فشار دارای جذر گیر (Root Extraction) برای محاسبه ΔP√ و ضرب آن در مقدار ثابت K باشد.

فلومتر مکانیکی (Mechanical Flow meter)

فلومتر مکانیکی یکی از انواع تجهیزات اندازه‌گیری جریان است که بر اساس اصول مکانیکی و با استفاده از قطعات متحرک، جریان سیالات مختلف (مانند مایعات و گازها) را اندازه‌گیری می‌کند. این نوع فلومترها به طور خاص برای تبدیل انرژی جنبشی سیال به حرکت مکانیکی طراحی شده‌اند و سپس این حرکت به یک سیگنال قابل اندازه‌گیری تبدیل می‌شود.

از جمله این فلومترها می‌توان به فلومترهای جابجایی مثبت، توربینی، روتامتر یا فلومترهای سطح متغیر اشاره کرد. یکی از مزایای بارز فلومترهای مکانیکی، عدم نیاز به برق یا منبع تغذیه خارجی است.

این فلومترها به طور مستقل و فقط بر اساس حرکت سیال عمل می‌کنند، که این ویژگی آنها را برای استفاده در مکان‌های دور از شبکه برق یا در شرایط خاص بسیار مناسب می‌سازد. همچنین، طراحی ساده و کاربری آسان این تجهیزات، آنها را به گزینه‌ای محبوب در بسیاری از صنایع تبدیل کرده است.

با وجود مزایای فراوان، فلومترهای مکانیکی دارای معایبی نیز هستند. یکی از مهم‌ترین معایب آنها، وجود قطعات متحرک است که ممکن است با گذشت زمان دچار فرسودگی شوند. این فرسودگی می‌تواند منجر به نیاز به تعمیر و نگهداری منظم و در برخی موارد تعویض قطعات شود. همچنین، دقت این فلومترها ممکن است تحت تأثیر تغییرات در خواص سیال مانند ویسکوزیته و دما قرار گیرد.

عملکرد فلومتر مکانیکی

در فلومترهای مکانیکی، سیال درون دستگاه جریان می‌یابد و انرژی جنبشی آن باعث حرکت اجزای مکانیکی می‌شود. این اجزا می‌توانند شامل چرخ‌دنده‌ها، روتورها، پروانه‌ها یا توربین‌ها باشند. حرکت این اجزا به صورت مستقیم با سرعت و حجم جریان سیال ارتباط دارد. به عنوان مثال، در یک فلومتر توربینی، سرعت چرخش توربین به میزان جریان سیال وابسته است و با اندازه‌گیری این سرعت می‌توان جریان را محاسبه کرد.

 

فلومتر اوریفیس (Orifice Flow meter)

اوریفیس پلیت یکی از ساده ترین انواع فلومترهای اختلاف فشاری است که برای اندازه‌گیری جریان حجمی سیالات مایع و گاز به کار می‌رود. این فلومتر به همراه ترانسمیتر اختلاف فشاری (DP) مورد استفاده قرار می گیرد و در صنایع فرآیندی مختلف از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است.

اوریفیس از یک صفحه دایره‌ای شکل تشکیل شده است که در وسط آن یک سوراخ دایره‌ای هم‌مرکز قرار دارد. این صفحه به‌گونه‌ای نصب می‌شود که دسته آن (Handel) عمود بر جهت جریان سیال قرار گیرد. با عبور سیال از سوراخ اوریفیس، اختلاف فشار بین دو سمت آن ایجاد می‌شود. این اختلاف فشار به‌عنوان معیاری برای محاسبه جریان سیال استفاده می‌شود.

استفاده از اوریفیس تا سایز 24 اینچ مجاز است، اما برای سایزهای بزرگ‌تر از ۲۴ اینچ، خطای اندازه‌گیری با این روش افزایش می‌یابد. نکته قابل توجه این است که در اکثر خطوط لوله مقادیر دما، فشار و چگالی ثابت نیستند و همواره در حال تغییر می باشند. بنابراین روش اندازه‌گیری با اوریفیس ممکن است با خطا مواجه شود در این موارد، از جبرانساز فلو به منظور جبران این خطاها و تأثیر پارامترهای فوق استفاده می‌شود.

از جمله مزایای اوریفیس می‌توان به سادگی طراحی، عدم وجود قطعه متحرک، تعمیر و نگهداری کم، عملکرد پایدار، قابل اعتماد و عمر طولانی اشاره کرد. همچنین، این فلومتر به‌خوبی می‌تواند در شرایط مختلف عملیاتی و دماهای بالا کار کند. اما در عین حال اوریفیس به دلیل طراحی خود تلاطم و افت فشار بیشتری نسبت به فلومتر ونچوری در سیال ایجاد می‌کند که ممکن است بر دقت اندازه‌گیری تأثیر بگذارد.

اوریفیس در طیف گسترده ای از صنایع فرآیندی از جمله نفت و گاز، پتروشیمی، آب و فاضلاب، و صنایع غذایی کاربرد دارد. اوریفیس معمولاً بین مجموعه‌ای از فلنج‌های اوریفیس نصب می‌شود و در یک مسیر مستقیم از لوله صاف قرار می‌گیرد. این طراحی به جلوگیری از اختلال در الگوهای جریان ناشی از اتصالات و شیرها کمک می‌کند.

عملکرد فلومتر اوریفیس

اصل عملکرد اوریفیس بر مفهوم دینامیک سیالات و کاربرد معادله برنولی است.  همانطور که ذکر شد اوریفیس از ساده ترین انواع فلومترهای اختلاف فشاری است که برای اندازه گیری نرخ جریان حجمی سیالات (مایعات یا گازها) در خط لوله استفاده می شود.

این فلومتر شامل یک صفحه نازک با یک سوراخ در مرکز آن است که بین دو فلنج در یک لوله نصب می‌شود. هنگامی که سیال از طریق لوله‌ای که به اورفیس پلیت مجهز است عبور می‌کند، این فلومتر یک افت فشار ایجاد می‌کند که می‌تواند اندازه‌گیری شده و برای محاسبه نرخ جریان مورد استفاده قرار گیرد.

بنابراین هنگامی که سیال به سوراخ اوریفیس می‌رسد با محدودیتی مواجه می‌شود که باعث می‌شود سیال در هنگام عبور از سطح مقطع کوچکتر، شتاب بگیرد. طبق اصل برنولی، افزایش سرعت سیال منجر به کاهش فشار می‌شود. به عبارت دیگر وقتی سیال وارد اوریفیس می‌شود سرعت آن افزایش یافته و فشار آن کاهش می‌یابد.

در نهایت فشار در دو نقطه مختلف بالادست (upstream)قبل از ورود سیال به اوریفیس و پایین‌دست (downstream) بعد از عبور سیال از اوریفیس اندازه‌گیری می‌شود.

اختلاف فشار بین دو طرف بالادست و پایین‌دست اوریفیس پلیت تحت عنوان اختلاف فشار (ΔP) شناخته می‌شود و توسط یک ترانمسیتر اختلاف فشار تعیین می شود. در نتیجه با محاسبه اختلاف فشار و فرمول دبی حجمی Q=K*√ ΔP نرخ جریان (Q) را میتوان محاسبه کرد.

تفاوت اوریفیس Meter Run و Restriction 

 اوریفیس Meter Run یک تجهیز مناسب برای خطوط لوله با قطر کمتر از 2 اینچ است. این تجهیز به‌صورت یک مجموعه کامل طراحی و عرضه می‌شود که به آن Straight Run نیز گفته می‌شود. در تصویر زیر دو نمونه اوریفیس Meter Run و Restriction نشان داده شده است.

در این تجهیز، محدوده‌های بالادست (upstream) و پایین‌دست (downstream) به‌طور پیش‌فرض در خود مجموعه لحاظ شده‌اند. این طراحی باعث می‌شود که جریان سیال به‌طور یکنواخت و بدون اختلال عبور کند و نیازی به نصب تجهیزات اضافی برای آرام کردن جریان در این نواحی نباشد.

اوریفیس Restriction یا به اختصار RO به‌منظور ایجاد اختلاف فشار در خطوط لوله استفاده می‌شود، اما برای اندازه‌گیری جریان به کار نمی‌رود.

یکی از کاربردهای رایج اوریفیس Restriction در خطوط فلر (flare lines) است، جایی که هدف اصلی ایجاد یک اختلاف فشار مناسب برای ایمنی و کنترل فرآیند است. در این موارد، اندازه‌گیری جریان ضروری نیست و تنها ایجاد اختلاف فشار کافی است.

نکات نصب اوریفیس پلیت

دقت در جهت نصب اوریفیس بسیار مهم است زیرا نصب نادرست می‌تواند منجر به خطاهای قابل توجهی در اندازه‌گیری و کنترل جریان شود. هنگام نصب اوریفیس رعایت محدوده up stream و down stream نسبت به سایز خط لوله،قطر اوریفیس و نوع تپ گیری الزامی است. برخی از نکات مهم نصب اوریفیس عبارتنداز:

جهت نصب:

اوریفیس باید به‌گونه‌ای نصب شود که جریان سیال به‌طور مستقیم از سمت ورودی به سمت خروجی عبور کند. نصب برعکس یا نادرست می‌تواند باعث ایجاد اختلال در جریان و در نتیجه خطای اندازه‌گیری شود.

نصب برای سیالات مایع:

در صورتی که سیال فرآیندی مایع باشد، اوریفیس باید در حالت 45 درجه نصب شود و به‌طور عمودی به سمت پایین (vertical downward) قرار گیرد. این کار از تجمع رسوبات در خط لوله جلوگیری کرده و خطر مسدود شدن یا چوک شدن را کاهش می‌دهد.

نصب در لوله‌های عمودی:

اگر اوریفیس در لوله‌های عمودی نصب شود و سیال مایع باشد، باید جهت حرکت سیال از پایین به بالا باشد. این به‌دلیل جلوگیری از تجمع هوا یا گاز در بالای لوله است. در مورد سیالات گازی، جهت حرکت سیال باید از بالا به پایین باشد تا از مشکلات ناشی از انباشتگی گاز جلوگیری شود.

فاصله‌های نصب:

فاصله بین آخرین تجهیز نصب‌شده تا اوریفیس (upstream) باید بین 6D تا 50D باشد، که D قطر لوله است. این فاصله به ایجاد یک جریان یکنواخت و کاهش اختلالات کمک می‌کند. همچنین، فاصله‌ای که برای آرام شدن جریان بعد از اوریفیس (downstream) نیاز است معمولاً 5D در نظر گرفته می‌شود.

استفاده از یکنواخت‌کننده جریان:

در صورتی که فضای کافی برای آرام کردن جریان در واحد پایپینگ وجود نداشته باشد، میتوان از یکنواخت‌کننده جریان (Flow Conditioner) یا صافی جریان (Straightener) استفاده کرد. این تجهیزات به بهبود الگوی جریان کمک کرده و از نوسانات و اختلالات در اندازه‌گیری جلوگیری می‌کنند.

محل قرار گرفتن تپ های فشار

اختلاف فشار ایجاد شده در سیال توسط محدودیت جریان با استفاده از قرار گرفتن اوریفیس در خط لوله توسط تپ های فشار قرار گرفته در بالا دست و پایین دست اوریفیس اندازه گیری می شود.

محل قرار گرفتن تپ های (Tap) فشار عاملی مهم در اندازه گیری جریان به این روش است. قرار گرفتن مناسب باعث اندازه گیری دقیق اختلاف فشار و در نتیجه دقت در نرخ فلوی تعیین شده می شود. در تصویر زیر انواع تپ گیری یا انشعاب گیری از اوریفیس مشاهده می شود.

نقطه ای که در آن جریان کمترین سطح مقطع و فشار استاتیک را دارد Vena contracta نامیده می شود. با توجه به اینکه در این نقطه بیشترین اختلاف فشار وجود دارد بهترین محل برای گرفتن تپ فشار است. اما قسمتی که در پایین دست این نقطه قرار دارد به شدت ناپایدار است. بنابراین با قراردادن تپ پایین دست در این محل دقت اندازه گیری کاهش می یابد.

برای استفاده از تپ لوله ای (Pipe taps) تپ فشار پایین باید 8 برابر قطر داخلی لوله با اوریفیس فاصله داشته باشد و برای استفاده از تپ های فلنجی (Flange taps) تپ ها در داخل فلنج ایجاد شده و هر دو یک اینچ با اوریفیس فاصله دارند. در هنگام استفاده از Vena contracta تپ فشار بالا به اندازه قطر داخلی لوله با اوریفیس فاصله دارد و تپ فشار پایین در نقطه ای با کمترین فشار (Vena contracta) قرار می گیرد.

 

فلومتر لوله ونچوری (Venturi Flow meter)

یکی دیگر از انواع فلومترهای اختلاف فشاری است که جهت اندازه گیری جریان حجمی سیال در لوله‌ی حامل سیال قرار می‌گیرد. فلومترهای ونچوری نیز همانند اوریفیس یک محدودیت و تنگی در مسیر جریان عبوری قرار می دهند.

لوله‌ ونچوری تجهیزی قابل اعتماد با کاربری آسان و دارای تعمیر و نگهداری کم است و به‌ویژه برای اندازه‌گیری مایعات و گازهای تمیز مناسب می‌باشد. از مزایای اصلی لوله ونچوری در مقایسه با سایر فلومترهای اختلاف فشاری می‌توان به بازیابی فشار بیشتر و نیاز کمتر به لوله‌های بالادست و پایین‌دست اشاره کرد. 

این فلومتر در موقعیت‌هایی که نیاز به بازیابی فشار بالایی وجود دارد، مورد استفاده قرار می‌گیرد. استفاده از لوله ونچوری در صنایع مختلف هیچ محدودیتی از نظر نوع سیال ندارد. تنها نکته‌ای که باید در نظر گرفته شود این است که سیال نباید حاوی جامدات بزرگ یا مواد متخلخل باشد، زیرا در این صورت قسمت گلویی لوله به مرور زمان مسدود شده و جریان از آن عبور نخواهد کرد.

عملکرد فلومتر لوله ونچوری

مکانیزم یک لوله ونچوری نیز مبتنی بر مفاهیم دینامیک سیالات است که توسط معادله برنولی بیان می شود. یک لوله Venturi برای اندازه گیری نرخ جریان سیالات از سه بخش اصلی ورودی (قطر بزرگتر)، گلوگاه (باریکترین قطر) و خروجی (قطر وسیعتر) تشکیل شده است.

هنگامی که سیال از طریق لوله  ونچوری جریان می یابد، از طریق بخش ورودی وارد می شود که با قطر بزرگتر مشخص می شود. در این مرحله سیال با سرعت نسبتاً کم حرکت می کند. با رسیدن سیال به گلوگاه یا بخش منقبض قطر لوله کاهش می یابد.

 بر اساس معادله برنولی، با افزایش سرعت سیال، فشار استاتیک کاهش می یابد و باعث ایجاد اختلاف فشار بین بخش ورودی و گلوگاه می شود. فشار در گلوگاه کمتر از ناحیه ورودی با قطر وسیع تر است. برای اندازه گیری اختلاف فشار معمولا تپ فشار بالا در فاصله ی نصف قطر لوله و در بالادست مخروطی ورودی و تپ فشار پایین در وسط گلوگاه قرار می گیرد. در نهایت می توان نرخ جریان را با استفاده از اختلاف فشار (ΔP) اندازه گیری کرد.

فلو نازل (Flow Nozzle)

فلومتر نازل از انواع تجهیزات اندازه گیری جریان بر اساس رابطه برنولی و اختلاف فشار است که برای کاربرد با سیالات غیر چسبناک با سرعت بالا مناسب می باشد. همچنین در کاربردهایی با فضای محدود که در آن عناصر اولیه با ورودی و خروجی استاندارد نمی توانند استفاده شوند ایده آل می باشند.

آنها به دلیل قابلیت اطمینان، دوام و نیازهای تعمیر و نگهداری پایین در مقایسه با انواع دیگر دبی سنج ها شناخته شده اند. در یک خط لوله با اندازه یکسان، با دبی برابر و نسبت بتای یکسان، میزان افت فشار ایجاد شده در فلومترهای نازل بین اوریفیس و ونچوری متفاوت است. به عبارت دیگر، میزان افت فشار در نازل‌ها بیشتر از ونچوری و کمتر از اوریفیس است.

در کاربردهای اندازه گیری فلوی بخار آب و دیگر سیالات پر سرعتی که میتوانند باعث فرسایش و خطای اندازه گیری شوند فلونازل مناسب ترین فلومتر است. فلونازل ها میتوانند مانند ونچوری برای سیالات دوغاب نیز مورد استفاده قرار گیرند.

عملکرد فلو نازل

فلو نازل یک المان محدود کننده جریان است که از یک ورودی با انحنای بیضی و یک گلوگاه استوانه ای تشکیل می شود و مساحت فلو نازل در گلویی آن حداقل است. این فلومتر بین فلنج های لوله حامل سیالی که نرخ جریان آن اندازه گیری می شود قرار می گیرد. با عبور سیال از درون فلونازل با توجه به محدودیت ایجاد شده در مسیر، سرعت آن افزایش و فشار آن کاهش می یابد.

برای اندازه گیری اختلاف فشار استاتیک ایجاد شده توسط فلونازل معمولا تپ فشار بالا را در فاصله یک برابر قطر لوله در بالا دست و تپ فشار پایین را در فاصله نصف قطر لوله در پایین دست ورودی نازل قرار می دهند.

در نتیجه ترانسمیتر اختلاف فشار تفاوت فشار بالا (High) و پایین (Low) را اندازه گیری می کند که توسط آن نرخ جریان عبوری از خط لوله محاسبه می شود.

 

فلومتر پیتوت تیوب (Pitot Tube Flow meter)

فلومتر پیتوت تیوب از دیگر انواع فلومترهای اختلاف فشاری است که با استفاده از اختلاف فشار کل (استاتیک و دینامیک) و فشار استاتیک بر اساس اصل برنولی، جریان حجمی سیالات مختلف را اندازه‌گیری می‌کند. این تجهیزات برای سیالات گاز و بخار کاربرد بیشتری دارند زیرا مایعات و سیالاتی که دارای ناخالصی هستند موجب بسته شدن سوراخ های لوله می شوند.

فلومتر پیتوت تیوب میانگین گیر (Averaging pitot tube) نصب آسان تری نسبت به سایر فلومترهای اختلاف فشاری دارد. این فلومتر مقرون به صرفه برای کاربردهای مختلف مناسب است. همچنین با افت فشار باقیمانده کم و قابلیت جریان دو جهته (Bi-directional) برای آب، آب دریا، میعانات، آب خنک‌کننده، نفت خام، بخار اشباع و فوق‌گرم، نیتروژن، گازهای احتراقی، هوای تهویه و بسیاری از مایعات و گازهای دیگر ایده‌آل است. همچنین، می‌توان از آن برای گازهای پر از گرد و غبار در دماهای بالا استفاده کرد.

مزایای فلومتر لوله پیتوت شامل نصب و راه اندازی آسان با حداقل نیازهای تعمیر و نگهداری، قیمت مقرون به صرفه، مناسب برای سیالات مختلف از جمله هوا، آب و گازها، دوام بالا، بدون قطعات متحرک و کاهش فرسایش می شود. اما این فلومتر حساس به تغییرات چگالی سیال (تغییرات دما و فشار) است و برای اندازه گیری دقیق به طول لوله مستقیم در بالادست و پایین دست نیاز دارد.

عملکرد فلومتر پیتوت تیوب

فلومتر لوله پیتوت بر اساس اصل اندازه گیری اختلاف فشار برای تعیین نرخ جریان حجمی سیال عمل می کند. لوله پیتوت تفاوت بین فشار استاتیک و فشار کل (فشار استاتیک به اضافه فشار دینامیکی) سیال را اندازه گیری می کند. 

فلومتر پیتوت تیوب معمولاً از یک لوله L شکل تشکیل شده است که فشار کل (فشار استاتیک + دینامیک) را هنگامی که سیال به لوله برخورد می کند اندازه گیری می کند. اما فلومتر پیتوت تیوب میانگین گیر با توجه به شکل زیر دارای سوراخ هایی روی بدنه لوله است.

در نهایت این اختلاف فشار بین فشار بالا (HP) و فشار پایین (LP) با استفاده از ترانسمیتر اختلاف فشار اندازه گیری شده و به کمک آن جریان محاسبه می شود. در سیالات گاز و بخار با اضافه کردن یک ترانسمیتر فشار و ترانسمیتر دما با سنسور PT100 نرخ جریان جبرانسازی شده و فلومتر قادر به اندازه گیری جریان جرمی (جریان حجمی ضربدر چگالی سیال) نیز خواهد بود.

فلومتر آنوبار (Annubar) نیز از نظر ساختاری مشابه فلومتر پیتوت تیوب است با این تفاوت که روی لوله آن چندین سوراخ وجود دارد و چندین بار فلوی سیال را اندازه گیری کرده و در نهایت از این فلوها میانگین می گیرد. بنابراین در فلومتر آنوبار دقت اندازه گیری بالاتر از فلومتر پیتوت تیوب خواهد بود.

 

فلومتر مغناطیسی (Magnetic Flow meter)

قبل از خرید فلومتر جریان سنج مغناطیسی باید بدانید که این نوع فلومتر برای مایعات دارای خاصیت هدایت الکتریکی مناسب است.

به عنوان نمونه می توان به مایعاتی مانند آب (آشامیدنی و فاضلاب)، اسیدها، مواد قلیایی و دوغاب اشاره کرد. بیشترین کاربرد این نوع فلومتر در بخش های صنایع غذایی و دارویی است.

همچنین در صنایع معدنی که نیاز به اندازه گیری دبی دوغاب خورنده و مخلوط شن و آب وجود دارد، تنها گزینه در دسترس، فلومتر الکترومغناطیسی است.

روش اندازه گیری این تجهیز بر مبنای قانون القای فارادی است. مطابق این قانون، هرگاه میله ای فلزی در داخل میدان مغناطیسی حرکت کند، ولتاژ الکتریکی القا می شود.

 عبور ذرات باردار سیال، از درون میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط سیم پیچ داخل این فلومتر، ولتاژ الکتریکی القا می کند. شدت این ولتاژ به طور مستقیم با سرعت جریان سیال متناسب است و برای اندازه گیری دبی حجمی سیال به کار می رود.

در مواردی که چگالی مایع در طول فرآیند ثابت است (مانند آب)، می توان به راحتی، دبی حجمی را به دبی جرمی تبدیل کرد.

 

 

فلومتر جرمی کوریولیس

قبل از انتخاب و خرید فلومتر جرمی کوریولیس باید بدانید که این Flowmeter تنها فلومتری میباشد که قادر به اندازه گیری جریان جرمی همه سیالات از انواع مختلف شامل نفت، آب، انواع روغن و هر نوع سیالی با چگالی های متفاوت میباشد.

اساس اندازه گیری این نوع فلومترها استفاده از شتاب کوریولیس یا نیروی گریز از مرکز برای محاسبه فلوی سیالات است.

یکی از ویژگی‌های منحصر به فرد فلومترهای کوریولیس، توانایی اندازه‌گیری همزمان چگالی و جریان جرمی سیالات است. این دستگاه هزینه بالایی دارد، اما به دلیل کارایی و دقت بالا، در آینده نزدیک ممکن است از سایر رقبا پیشی بگیرد.

هر فلومتر کوریولیس مطابق شکل زیر، دارای دو لوله اندازه گیری است که توسط یک تحریک کننده، به نوسان درمی آیند. با عبور جریان از داخل لوله اندازه گیری، به دلیل وجود اینرسی، حرکت پیچشی هم به نوسان اولیه اضافه می شود.

دو سنسور به کار رفته در این سیستم، تغییر نوسان را به عنوان اختلاف فاز ثبت می کنند. این اختلاف فاز، نسبت مستقیمی با دبی جرمی سیال دارد. علاوه بر آن، با استفاده از فرکانسی که لوله اندازه گیری نوسان می کند، می توان چگالی سیال را به دست آورد.

یکی از تفاوت های اصلی این مدل با مدل های پیشین، اندازه گیری مستقیم دبی جرمی است که فلومتر کوریولیس را در کاربردهایی با چگالی و دمای متغیر، منحصر به فرد می سازد.

 

فلومتر اولتراسونیک

استفاده از امواج فلومتر اولتراسونیک، اندازه گیری دبی حجمی طیف وسیعی از گازها و مایعات را امکان پذیر می سازد.

در این التراسونیک ها مواردی مانند هدایت الکتریکی، فشار، دما و ویسکوزیته اهمیت ندارند. ولی دقت اندازه گیری هم کمتر است.

در تصویر یک فلومتر التراسونیک مشاهده می شود. سنسورها از بیرون لوله نصب می‌شوند و برای اندازه‌گیری دبی سیالات خورنده مناسب هستند. در این دستگاه، دو سنسور که کنار یکدیگر نصب شده‌اند، به کار می‌روند.

هر دو سنسور می توانند به صورت متناوب به عنوان فرستنده و گیرنده عمل کنند. مدت زمانی که طول می کشد موج اولتراسونیک از فرستنده به گیرنده برسد، معیاری از دبی سیال داخل لوله است.

به همین دلیل، این فلومتر محدود به قطر منحصر به فردی از لوله نیست و می توان از آن در اندازه های مختلف استفاده کرد.

در اینجا هم مانند روش قبلی، هیچ گونه قطعه متحرکی در ساختار تجهیز استفاده نشده است. همین موضوع موجب می شود نیاز به تعمیرات به حداقل برسد. 

فلومتر ورتکس

مبنای عملکرد فلومتر ورتکس، فرضیه ایست که اولین بار توسط «تئودور فون کارمان» (Theodore Von Karman)، ریاضی دان مجارستانی مطرح شد.

طبق این فرضیه، هنگامی که مانعی سر راه جریان قرار گیرد به صورت متناوب گردابه هایی تشکیل می شود. فرکانس تشکیل این گردابه ها، ارتباط مستقیمی با اندازه و شکل آن مانع دارد، نمونه ای از فلومتر ورتکس در شکل زیر مشاهده می شود.

این تجهیز در بسیاری از شاخه های صنعتی برای اندازه گیری دبی حجمی مایعات، گازها و بخار به کار می رود.

درون فلومتر ورتکس، مانعی در مرکز لوله  وجود دارد که به محض اینکه سرعت سیال از یک مقدار حداقل بیشتر شود، گردابه ها در پایین دست مانع تشکیل می شوند.

پس از جدا شدن گردابه ها، فشار روی سطح مانع، بین مقادیر مثبت و منفی نوسان می کند. برای تشخیص این نوسان، از سنسورهای خازنی یا پیزوالکتریک استفاده می شود.

این سنسورها بعد از تشخیص هر نوسانی که در فشار رخ دهد، یک سیگنال خروجی ارسال می کنند که فرکانس این سیگنال با فرکانس تشکیل گردابه یکسان است. با استفاده از این سیگنال خروجی، دبی سیال قابل محاسبه خواهد بود.

 

روتامتر

روتامتر نوعی فلومتر با مقیاس متغیر است که از یک شناور چرخشی استفاده می‌کند. این شناور به صورت عمودی در یک لوله مخروطی حرکت کرده و فشار اعمال شده روی مایع را تحت تاثیر جاذبه اندازه‌گیری می‌کند. این دستگاه معمولا برای اندازه‌گیری جریان مایعات و گازها به کار می‌رود.

روتامترها دارای خروجی خطی، سادگی، هزینه‌ی پایین، اندازه‌گیری افت فشار کم و کاربردهای گسترده‌ی دیگر هستند، این نوع از دبی‌سنج‌ها ابزارهای اندازه‌گیری جریان ساده، قابل اعتماد و ارزان هستند.

هنگامی که یک گاز یا مایع به یک لوله‌ی جریان یکنواخت محروطی وارد می‌شود، شناور بالا می‌رود و وزن آن توسط سیالی که زیر آن در جریان است تحمل می‌شود تا زمانی که کل حجم سیال بتواند از کنار شناور عبور کند.

 موقعیت شناور مربوط به نقطه‌ای از مقیاس اندازه‌گیری لوله است و نشانی از سرعت جریان سیال را ارائه می‌دهد.

فلومتر توربینی

فلومتر توربینی یا Turbine Flowmeter نوع دیگری از فلومترها میباشد که با یک مکانیزم کاملآ مکانیکی توسط چرخش پره های توربین قادر به اندازه گیری فلوی سیالات مایع و گازها میباشد.

در این نوع فلومتر پره های توربین در اثر عبور جریان به دلیل وارد شدن نیروی سیال به سطح تیغه های روتور حول یک محور ثابت (شافت) دوران پیدا کرده و میچرخد.

روی تیغه‌های این روتور یک آهنربا نصب شده است. با چرخش روتور، آهنربا نیز می‌چرخد. یک سنسور اثر هال در نزدیکی تیغه‌های روتور قرار دارد. وقتی آهنربا از مقابل سنسور عبور می‌کند، یک پالس الکتریکی ایجاد می‌شود که توسط ترانسمیتر ثبت می‌گردد.

سرعت چرخش روتور و فرکانس پالس ثبت‌ شده توسط ترانسمیتر، با سرعت عبور سیال ارتباط مستقیم خواهد داشت و با تبدیل این پالس الکتریکی به ولتاژ الکتریکی سرعت سیال و سپس فلوی حجمی سیال محاسبه خواهد شد.

 

فلومتر توربینی برای سیالات با ویسکوزیته پایین و متوسط، سیالات تمیز و بدون رسوب و ذرات جامد مناسب است. این نوع فلومتر تا سایز “24 در صنایع مورد استفاده قرار میگیرد.

لازم به ذکر است فلومترهای توربینی با توجه به دقت بالا و قیمت مناسب، جایگزین مناسبی برای فلومترهای جرمی می‌باشند.

فلومتر جرمی حرارتی

نوع دیگری از فلومترها که دبی جرمی را اندازه‌گیری می‌کند، فلومتر حرارتی است. این دستگاه بیشتر برای پایش و کنترل مصرف گازهایی مانند هوای فشرده، دی‌اکسید کربن و گاز طبیعی و همچنین تشخیص نشتی استفاده می‌شود.

این نوع دبی سنج، دامنه مصرف گسترده و دقت معقولی دارد ولی کاربرد آن با محدودیت هایی نیز روبروست. از جمله این محدودیت ها می توان به وجود رطوبت در گازهای اشباع اشاره کرد.

 

وجود مخلوط دو فازی در این Flowmeter موجب بروز خطا در اندازه گیری و خوردگی سنسور دما می شود.

مبنای عملکرد این فلومتر، انتقال حرارت از سیال عبوری و اندازه گیری آن با استفاده از روش سیم داغ است. دو سنسور دما در این فلومتر قرار دارد. یکی از آنها دمای سیال را به عنوان دمای مرجع اندازه گیری می کند. سنسور دوم گرم شده و دارای اختلاف دمای ثابتی با سنسور اول است. وقتی سیال از داخل لوله اندازه‌گیری عبور می‌کند، سنسور دوم بخشی از حرارت خود را از دست می‌دهد و خنک می‌شود.

در این حالت، جریان الکتریکی مورد نیاز برای حفظ اختلاف دمای دو سنسور، معیاری دقیق از دبی جرمی است. این فلومترها زمان عکس العمل کوتاهی دارند و دقت آنها حتی در دامنه های اندازه گیری پایین نیز کاهش نمی یابد.

کاربرد فلومتر

 اغلب، بیشترین کاربرد یک Flowmeter و بیشترین تنوع دبی‌سنج‌ها برای اندازه‌گیری گازها و مایعات در یک لوله است. کانال‌های باز مانند رودخانه‌ها یا نهرها نیز ممکن است با فلومتر اندازه‌گیری شوند. بهبود دقت، صحت و وضوح اندازه‌گیری سیال، از بزرگترین مزایای فلومترها است.

اکثر فلومترها از سه قسمت تشکیل شده‌اند: دستگاه اولیه، مبدل و یک فرستنده. کار مبدل این است که مایع عبوری از دستگاه اولیه را حس کند. سپس سیگنال خام از مبدل، از طریق فرستنده به داده‌های قابل استفاده تبدیل می‌شود.

یک فلومتر ممکن است از یک یا چند دستگاه فرعی فیزیکی تشکیل شده باشد، زیرا این اجزاء اغلب با هم ترکیب می‌شوند.

سوالات متداول

<!– wp:yoast/faq-block {“questions”:[{“id”:”faq-question-1702470922115″,”question”:[“فلومتر یا جریان سنج چیست؟”],”answer”:[“امروزه به جهت اندازه گیری جریان سیال از فلومتر استفاده می شود و یکی از مهمترین پارامترهای اندازه گیری در صنایع مختلف است که از اهمیت ویژه ای برخوردار است.”],”jsonQuestion”:”فلومتر یا جریان سنج چیست؟”,”jsonAnswer”:”امروزه به جهت اندازه گیری جریان سیال از فلومتر استفاده می شود و یکی از مهمترین پارامترهای اندازه گیری در صنایع مختلف است که از اهمیت ویژه ای برخوردار است.”},{“id”:”faq-question-1702470931837″,”question”:[“فلومتر ورتکس چیست؟”,{“type”:”br”,”props”:{“children”:[]}}],”answer”:[“فلومتر ورتکس بر مبنای پدیده ای در دینامیک سیالات که توسط دانشمندی به نام Theodore von Kármán کشف گردیده است ،فلومتر ورتکس در بسیاری از صنایع برای اندازه گیری مایعات و گازها و بخار مورد استفاده قرار میگیرد.”],”jsonQuestion”:”فلومتر ورتکس چیست؟\u003cbr /\u003e”,”jsonAnswer”:”فلومتر ورتکس بر مبنای پدیده ای در دینامیک سیالات که توسط دانشمندی به نام Theodore von Kármán کشف گردیده است ،فلومتر ورتکس در بسیاری از صنایع برای اندازه گیری مایعات و گازها و بخار مورد استفاده قرار میگیرد.”},{“id”:”faq-question-1702470948823″,”question”:[“فلومتر آلتراسونیک چیست؟”],”answer”:[“درفلومترهای آلتراسونیک که در حوزه وسیعی از سیالات اعم از گازها و مایعات کاربرد دارند با توجه به خواص دوپلر که در فیزیک با آن آشنا هستید فرکانسی از یه منبع تولید شده و از طرف دیگر یک گیرنده این فرکانس را لحظه به لحظه چک میکند .”],”jsonQuestion”:”فلومتر آلتراسونیک چیست؟”,”jsonAnswer”:”درفلومترهای آلتراسونیک که در حوزه وسیعی از سیالات اعم از گازها و مایعات کاربرد دارند با توجه به خواص دوپلر که در فیزیک با آن آشنا هستید فرکانسی از یه منبع تولید شده و از طرف دیگر یک گیرنده این فرکانس را لحظه به لحظه چک میکند .”}]} –>

–> مشاهده قیمت اکچویتور پنوماتیک و خرید