تجهیزات اندازه گیری جریان

تجهیزات اندازه گیری جریان

یکی از مهم‌ترین پارامترهای فیزیکی سیال در اکثر صنایع، فلو است. فلو به میزان جریان یا حجم سیال در یک واحد زمان اشاره دارد و جزو مهمترین پارامترهایی است که در تجهیزات ابزار دقیق برای اندازه‌گیری استفاده می‌شود. اندازه‌گیری فلو بسیار اهمیت بالایی دارد، زیرا میزان سیال که در صنایع استفاده می‌شود، به طور مستقیم بر مبنای آن تعیین می‌شود.

اهمیت فلو نسبت به دما و فشار در این است که دما و فشار معمولاً نقش امنیتی دارند، به این معنی که کنترل و نظارت بر دما و فشار سیستم‌ها، برای جلوگیری از اتفاقات ناخواسته و خطرات احتمالی مهم است. اما فلو به جنبه مالی نیز دست می‌دهد؛ به عنوان مثال، با اندازه‌گیری فلو می‌توان میزان نفتی که در یک روز خارج می‌شود را تعیین کرد، حجم لیتری که تولید می‌شود را محاسبه کرد، میزان گازی که به کوره‌ها تزریق شده و آنها را داغ می‌کند را کنترل نمود.
بنابراین، اندازه‌گیری و کنترل فلو در صنایع بسیار حیاتی است و نقش مهمی در مدیریت مالی و عملکرد صنایع دارد.

مفاهیم و اصطلاحات اولیه

برای شروع کار با یک فلومتر، نیاز است که به برخی اصطلاحات، قوانین و مفاهیم آشنا شوید که در ابتدای کار توضیح می‌دهیم. استانداردهای فلو، مهمترین استانداردهایی هستند که در زمینه فلو استفاده می‌شوند. در اینجا، به برخی از این استانداردها اشاره می‌کنیم که به عنوان مرجعی معتبر در آموزش‌های این فصل استفاده خواهند شد:

• 1. IPS-IN-E/M/C-130
• 2. API Chapter 5
• 3. API 551
• 4. API 2530 (Orifice)
• 5. ASME PTC 19.5
• 6. IPS-IN-E/M/C-240
• 7. API Chapter 4 (metering)

این استانداردها در طول آموزش‌های این فصل به عنوان مرجعی معتبر استفاده خواهند شد.

فلومتر یا دستگاه اندازه‌گیری فلو، به دو صورت فلو جرمی و فلو حجمی اندازه‌گیری می‌شود. طبق استاندارد IPS-IN-E/M/C-130، فلو را به دو صورت زیر بیان می‌کنیم و هر حالت دارای یک واحد مشخص است:

1. فلو جرمی: بیان نرخ حجم عبوری جریان در واحد زمان

2. فلو حجمی: بیان نرخ حجم عبوری جریان در واحد زمان

جرم، ماده‌ای است که یک جسم را ساخته و به شرایط اندازه‌گیری وابسته نیست. بنابراین، روش‌های اندازه‌گیری بر اساس جرم نیازی به جبران سازی ندارند.

اما در عمل، اصول اندازه‌گیری بیشتر دستگاه‌های فلو (فلومترها) در صنعت بر اساس حجم عبوری (فلو حجمی) است، به استثنای یک تجهیز که بر اساس واحد جرم (فلو جرمی) استفاده می‌کند.

در رابطه بین فلو جرمی و فلو حجمی، متغیر چگالی (density) نیز نقش دارد. این رابطه به صورت زیر است:

فلو جرمی × چگالی = فلو حجمی

بنابراین، می‌توان این دو آیتم را به یکدیگر تبدیل کرد.

به طور خلاصه، فلو به دو صورت فلو جرمی و فلو حجمی بیان می‌شود. اندازه‌گیری فلو جرمی به دقت بسیار بالاتری نسبت به فلو حجمی صورت می‌گیرد، زیرا جرم سیال در هر شرایط اندازه‌گیری ثابت است و نیاز به جبران سازی و عوامل مرتبط با آنمی‌باشد.

بیشتر تجهیزات فلو که در صنعت استفاده می‌شوند، از روش‌های مبتنی بر حجم استفاده می‌کنند. اما یک روش نیز وجود دارد که از روش جرمی استفاده می‌کند. نود درصد تجهیزات فلو از روش‌های مبتنی بر حجم استفاده می‌کنند، به استثناء یک روش که از روش جرمی استفاده می‌کند.

فرمول محاسبه جریان

فلومترها را می‌توان با استفاده از اندازه‌گیری اختلاف فشار یا سرعت اندازه‌گیری کرد. هر یک از این روش‌ها مزایا و معایبی دارند که در زیر به آن‌ها اشاره خواهیم کرد:

1. رابطه سرعت برای محاسبه جریان:

V (سرعت) × A (سطح مقطع فلو) = Q

ویژگی‌ها:

• – گران قیمت
• – ساختار پیچیده
• – نیاز به تعمیر و نگهداری سخت
• – در معرض فرسایش و آسیب‌های مکانیکی
• – تولید تلاطم و نویز
• – دقت اندازه‌گیری بالا

2. رابطه اختلاف فشار برای محاسبه جریان:

√ΔP (جذر اختلاف فشار) × K (ثابت فلو) = Q

جذر اختلاف فشار به صورت √ΔP نمایش داده می‌شود.

ویژگی‌ها:

• – ارزان قیمت
• – ساختار ساده
• – نیاز به تعمیر و نگهداری کم
• – فرسایش کم
• – تنظیم و کالیبراسیون آسان
• – تولید تلاطم کم
• – دقت اندازه‌گیری متوسط

در اکثر سایت‌ها (مانند صنایع غذایی و نفت)، اولویت استفاده از فلومترهای اختلاف فشاری است. زیرا این تجهیزات هزینه کمتری دارند و نصب آنها راحت‌تر است. همچنین، دقت اندازه‌گیری آنها قابل قبول است. اما در مواردی که دقت اندازه‌گیری بسیار مهم باشد، از روش‌های مبتنی بر سرعت استفاده می‌کنیم.

همچنین، توجه کنید که می‌توان جرم و حجم را به یکدیگر تبدیل کرد:

دانسیته × فلوی حجمی = فلوی جرمی

عدد رینولدز (Reynolds) :

فردی به نام آقای رینولدز یک فرمول ارائه داد که با استفاده از آن می‌توان وضعیت سیال را در هر لحظه بیان کرد. عدد رینولدز (Re) یکی از پارامترهای مهم در مکانیک سیالات است که نشان دهنده نسبت بین نیروی اینرسی و نیروی لغزشی در جریان سیال است. عدد رینولدز معمولاً برای تشخیص نوع جریان سیال استفاده می‌شود. این عدد به وابستگی به ویژگی‌های جریان مانند سرعت، چگالی و ویژگی‌های هندسی می‌تواند متغیر باشد. رینولدز این رابطه را پیاده‌سازی کرد و این رابطه فاقد بعد یا بدون واحد است.

برای محاسبه عدد رینولدز، معادله زیر استفاده می‌شود:

Re = (ρ * v * L) / μ

در این معادله، ρ نشان دهنده چگالی سیال، v سرعت سیال، L طول معیار (مانند قطر لوله) و μ ویسکوزیته سیال است.

بر اساس مقدار عدد رینولدز، می‌توان نوع جریان سیال را تشخیص داد. اگر عدد رینولدز کمتر از 2000 باشد، جریان سیال به صورت خطی یا آرام (laminar) است. اگر عدد رینولدز بین 2000 و 4000 باشد، جریان سیال به صورت گذرا (transient) است و اگر بیشتر از 4000 باشد، جریان سیال به صورت آشفته یا متلاطم (turbulent) است.

سیالی که متلاطم نباشد و آرام در داخل پایپ حرکت می‌کند، سیال خطی یا آرام نامیده می‌شود. سیال‌های گذرا سیال‌هایی هستند که با حالت پالسی و یا لرزش کوچک در پایپ حرکت می‌کنند و ضربه آنقدر قوی نیست که به پایپ نیرو وارد کند و ضربه را محسوس کنیم. و در نهایت، در حالت متلاطم، سیال به پایپ ضربه وارد می‌کند و این ضربه‌ها عموماً محسوس هستند. حالت سیال از این جهت حائز اهمیت است که برای برخی از تجهیزات اندازه‌گیری فلو، باید سیال به صورت خطی از داخل تجهیز عبور کند و همچنین در برخی مواقع باید در فاصله‌های مشخص پس از فلومتر، سیال در حالت آرام قرار گیرد.

بنابراین عدد رینولدز می‌تواند در تعیین انتخاب و طراحی لوله‌ها، انتخاب تجهیزات جریان‌سنجی و بررسی رفتار جریان سیال در سیستم‌های مختلف مفید باشد.

تعریف Rangeability یا (Turn down ratio):

نسبت مینیمم به ماکزیمم در اندازه گیری یک تجهیز، مقدار حداقلی اندازه گیری به مقدار حداکثری اندازه گیری را نشان می‌دهد. به عبارت دیگر، اگر نسبت اندازه گیری یک تجهیز 1 به 10 (1:10) باشد، این به معنی است که اگر این تجهیز در کیس مینیمم بتواند 6 متر مکعب بر ساعت را اندازه گیری کند حتما در کیس ماکزیمم 60 متر مکعب بر ساعت را اندازه گیری خواهد کرد.

این نسبت، ظرفیت یا کاپاسیتی یا حجم اندازه گیری یک دستگاه را نمایش می‌دهد. به عبارت دیگر، هر چقدر فاصله بین این دو مقدار بیشتر باشد، نشان دهنده‌ی ظرفیت یا حجم اندازه گیری بیشتری برای تجهیز است، به این معنی که تجهیز دارای رنج گسترده‌تری است. هر تجهیز، نسبت مینیمم به ماکزیمم خود را دارد که جزو مشخصات فیزیکی یا طراحی آن است، و قابل تغییر نخواهد بود.

به عنوان مثال، وقتی می‌گوییم نسبت مینیمم به ماکزیمم برای روتامترها 1 به 10 است، این مشخصه مربوط به ساختار فیزیکی تجهیز است و قابل تغییر نمی‌باشد.

انواع تجهیزات اندازه گیری جریان

تجهیزات اندازه گیری جریان با توجه به نوع اندازه گیری پیوسته (فلو ترانسمیتر) و یا اندازه گیری نقطه ای (فلو سوئیچ) به انواع مختلفی تقسیم بندی میشوند که در ادامه به معرفی آنها میپردازیم:

فلومتر (جریان سنج)

فلومتر (Flowmeter) یکی از مهمترین تجهیزات ابزار دقیق در صنایع فرآیندی می باشد که برای اندازه گیری جرم یا حجم سیالات مورد استفاده قرار می گیرد.
کاربرد فلومتر یا دبی سنج جهت اندازه گیری جریان سیالات از قبیل مایع، گاز و بخار اهمیت فراوانی دارد و از نظر اقتصادی و فنی برای کنترل بهتر فرآیند الزامی می باشد. تجهیزات اندازه گیری جریان بر اساس سرعت یا اختلاف فشار، جریان عبوری سیال را محاسبه می کنند. انواع فلومترهای حجمی با مکانیزم مختلف به شرح زیر می باشند:

 

• فلومتر اوریفیس پلیت (Orifice Flow meter)
• فلومتر لوله ونچوری (Venturia Flow meter)
• لوله پیتوت (Pitot tube Flow meter)
• فلومتر مغناطیسی (Magnetic Flow meter)
• روتامتر (Rotameter)
• فلومتر التراسونیک (Ultrasonic Flow meter)
• فلومتر ورتکس یا گردابی (Vortex Flow meter)
• فلومتر جابجایی مثبت (Positive Displacement Flow meter)
• فلومتر کوریولیس ( Coriolis Mass Flow meter)
• فلومتر ترمال (Thermal Mass Flow meter)

2.فلو سوئیچ (سوئیچ جریان)

فلو سوئیچ (Flow Switch) یا سوئیچ جریان از تجهیزات حفاطتی و پرکاربرد جریان می باشد که جهت کنترل و نظارت بر دبی سیالات به کار می رود. اجزای تشکیل دهنده فلو سوئیچ شامل بدنه، دستگاه حسگر و یک واحد سوئیچینگ است که به خط لوله متصل می شود.
 عملکرد سوئیچ جریان به این صورت است که با تیغه یا پارویی که در قسمت تماس با سیال قرار دارد پس از رسیدن به Set Point یک کنتاکت الکتریکی را قطع یا وصل میکند. در نهایت یک سیگنال دیجیتالی on/off به سایر تجهیزات نظیر پمپها ارسال می کند. انواع فلو سوئیچ های رایج عبارتند از:

 

• فلوسوئیچ پدالی (Paddel Flow Switch)
• فلوسوئیچ پیستونی (Piston Flow Switch)
• فلوسوئیچ التراسونیک (Ultrasonic Flow Switch)
• فلوسوئیچ خطی (Flow switches with pipe tees)

از مزایای فلو سوئیچ ها میتوان به حفاظت از پمپ، حفاظت از مدار خنک کننده و آلارم هایی برای جریان‌های بالا و پایین اشاره کرد.