فلومتر اختلاف فشاری

فلومتر اختلاف فشاری یا Differential Pressure Flow Meters یکی از انواع مدل ها و تکنولوژی های متداول برای اندازه گیری جریان انواع سیالات مایع و گاز هستند. این فلومترها به دلیل نصب آسان و ساده، تعمیرات و نگهداری حداقلی، دقت های نسبتآ خوب و قابل قبول و همچنین قیمت مناسب همیشه یکی از اولین گزینه های اندازه گیری فلوی سیالات (مایع، گاز و بخار) محسوب میشوند.

فلومترهای اختلاف فشاری تقریبآ 30% از تمام تجهیزات اندازه گیری جریان را تشکیل میدهند که این موضوع گواهی بر محبوبیت این نوع از تجهیزات میباشد.

در این صفحه به معرفی عملکرد و انواع فلومتر اختلاف فشار پرداخته و ویژگی ها و مشخصات فنی هریک از آنها را معرفی خواهیم کرد.

عملکرد فلومترهای اختلاف فشاری

فلومتر های اختلاف فشاری یا DP Flowmeter همانطور که از نام آنها پیداست، از تجهیزات اندازه گیری جریان محسوب میشوند که با استفاده از ایجاد یک افت فشار در خط لوله (توسط یک مانع فیزیکی)، قادر به محاسبه جریان حجمی یا فلوی سیال عبوری میباشد.

اساس عملکرد فلومترهای اختلاف فشاری معادله برنولی میباشد. مطابق معادله برنولی در مکانیک سیالات، رابطه ای فیزیکی بین انرژی استاتیکی (فشار استاتیک) و انرژی جنبشی (سرعت سیال) در یک سیال جاری وجود دارد. بر اساس این قانون، با عبور سیال از یک مانع فیزیکی (المان محدود کننده جریان)، سیال شتاب خواهد گرفت و انرژی لازم برای این شتاب از فشار استاتیکی سیال بوجود می‌آید. در نتیجه با ایجاد یک افت فشار در خط لوله، سرعت سیال افزایش پیدا خواهد کرد. فلومترهای اختلاف فشاری نیز بر همین اساس سرعت سیال (فلو) را اندازه گیری میکنند.

 

بر اساس روابط فیزیکی در مکانیک سیالات و معادلات برنولی، سرعت سیال عبوری در خط لوله مطابق رابطه زیر با مجذور اختلاف فشار در آن نقاط رابطه ای مستقیم خواهد داشت.

Q = K * A * √(ΔP)

در این رابطه، Q دبی سیال را نشان می‌دهد، K ضریب جریان (که بستگی به شکل و ابعاد المان اندازه‌گیری دارد)، A سطح مقطع عرضی المان اندازه‌گیری و ΔP اختلاف فشار بین دو نقطه در خط لوله است.

 

علاوه بر شکل ظاهری و قطر مانع فیزیکی برای ایجاد اختلاف فشار در خط لوله فرآیندی، موارد و پارامترهای دیگری نظیر عدد رینولدز (Reynolds)، نوع پروفایل جریان، چگالی و بسیاری از موارد دیگر در اندازه گیری سرعت جریان سیال توسط روش های اختلاف فشاری تاثیر گذار بوده که به دلیل پیچیدگی برخی از این روابط، توصیه میکنیم برای محاسبات دقیق از نرم‌افزارهای مهندسی سایزینگ مربوط به فلومترهای اختلاف فشاری استفاده کنید.

انواع فلومتر اختلاف فشاری

تجهیزاتی که مسیر جریان سیال را محدود میکنند مانند اوریفیس پلیت (Orifice Plate) یا فلو نازل (Flow Nozzle) به المان اولیه (Primary Element) و تجهیزات اندازه گیری الکترونیکی اختلاف فشار مانند ترانسمیتر یا گیج های اختلاف فشاری المان ثانویه (Secondary Element) گفته میشود. فلومتر فشار تفاضلی دارای یک المان اولیه و یک المان ثانویه هستند.

 

در فلومترهای اختلاف فشاری هیچ قسمت متحرکی وجود ندارد و این فلومترها بر اساس نوع مانع فیزیکی ایجاد کننده افت فشار یا همان المان اولیه نامگذاری میشوند.

هریک از این تجهیزات دارای مشخصات و ویژگی های منحصر به فردی بوده که آنها را برای کاربرد ها و سرویس های خاص خود محدود میکند و بیشترین دقت ها را در آنها خواهد داشت.

 

در ادامه انواع مختلف مدل های فلومتر اختلاف فشاری یا (DP Flow Meter) را معرفی و تشریح میکنیم:

1. اوریفیس پلیت (Orifice Plate)
2. لوله ونتوری  (Venturi Tube)
3. فلو نازل  (Flow Nozzle)
4. فلومتر زانویی (Elbow)
5. لوله پیتوت (Pitot Tube)

1- فلومتر اورفیس پلیت

یکی از المان های بسیار رایج و متداول محدود کننده فشار اوریفیس پلیت یا orifice plate هستند. این صفحهات بصورت یک دیسک در بین دو فلنج قرار میگیرند و سیال فرآیندی با عبور از آنها دچار افت فشار و افزایش سرعت خواهد شد.

به عبارت بهتر با عبور سیال از داخل سوراخ اوریفیس به دلیل کاهش سطح مقطع، سرعت سیال افزایش و در نهایت فشار آن کاهش می یابد. هنگامی که سیال از اورفیس خارج می شود مجدد سرعت آن کاهش و فشار افزایش می یابد.

 

با قرار دادن دو اتصال (tapping) در قسمت های کم فشار و پر فشار مطابق شکل زیر و تیوب کاری این نقاط به ترانسمیتر اختلاف فشار، فلوی حجمی سیال قابل اندازه گیری میباشد.

انواع مختلفی از انواع صفحات اوریفیس وجود دارد که هریک با توجه به شرایط فرآیندی و نوع سیال قابل استفاده میباشند.

• هم مرکز (Concentric)
• مختلف المركز (Eccentric)
• قطعه ای (Segmental)
• چهارگوش (Quadrant)

 اوریفیس پلیت یکی از محبوب‌ترین دستگاه‌ها برای اندازه‌گیری و کنترل جریان سیال است.

2- فلومتر لوله ونتوری

یکی دیگر از انواع فلومترهای اختلاف فشاری که استفاده از آنها بسیار رایج و متداول میباش، فلومترهای لوله ونتوری یا ونچوری (Venturi Tube) هستند. این نوع از فلومترها از نظر مکانیزم عملکردی مانند فلومترهای اوریفیس پلیت هستند. قسمت تنگ شدگی در فلومترهای ونتوری بصورت یک لوله کوچکتر و با زاویه ای مشخص به قسمت اصلی خط لوله جوش داده میشود.

مزیت استفاده از فلومترهای ونتوری در مقایسه با فلومترهای اوریفیس در فشار های بسیار بالا و در جاهایی است که سیال فرآیندی دارای ویسکوزیته زیاد یا ذرات جامد و رسوبات میباشد و استفاده از صفحات اوریفیس در آنها به دلیل گرفتگی سوراخ اوریفیس غیر ممکن میباشد.

3- فلو نازل

یکی دیگر از فلومترهای اختلاف فشاری فلو نازل ها (Flow Nozzle) هستند. فلو نازل ها از لحاظ عملکرد مانند فلومترهای لوله ونتوری می باشند با این تفاوت که دارای ورودی یکنواخت تر ولی خروجی همگن و تیز تری هستند. میزان افت فشار در فلو نازل ها بیشتر از ونتوری و از اوریفیس پلیت ها کمتر می باشد.

 

فلو نازل ها جهت اندازه گیری جریان در سیالات دوغابی بسیار مناسب هستند. لازم به ذکر است این نوع فلومتر ها برای سیالات غیر ویسکوز (non-viscous) به کار می روند.

فلومتر نازل ها معمولا بر اساس استحکام بالا در مقایسه با اوریفیس ها در دماها و سرعت های بالاتر، بیشتر به کار می روند. و با توجه به سطح صاف و صیقلی ورودی آن ضریب تخلیه بالاتری نسبت به سایر فلومتر ها دارد. به همین دلیل در اکثر موارد این تجهیزات برای اندازه گیری در خطوط گاز و بخار مورد استفاده قرار می گیرند.

4- فلومتر زانویی

یک روش بسیار ساده و مقرون بصرفه برای اندازه گیری مقدار جریان حجمی سیال استفاده از فلومترهای زانویی یا البو فلومتر (Elbow Flow meter) میباشد. این نوع از فلومترها با استفاده از اختلاف فشار در قسمت های خارجی و داخلی زانویی قادر به محاسبه و اندازه گیری فلوی سیال میباشند.

در فلومترهای البو به دلیل نیروی گریز از مرکز مقدار فشار در قسمت بیرونی زانویی متفاوت با قسمت داخلی زانویی خواهد بود. همین موضوع اساس عملکرد این نوع از فلومترها میباشد.

5- فلومتر لوله پیتوت

یکی دیکر از انواع فلومترهایی که بر اساس اختلاف فشار جریان عبوری را اندازه گیری میکند، فلومتر لوله پیتوت یا پیتوت تیوب (Pitot Tube) هستند. این فلومترها دارای سوراخ های بسیار ریزی روی خود هستند که اختلاف بین فشار استاتیکی سیال (که ناشی از وزن آن میباشد) و فشار دینامیکی+استاتیکی را اندازه گیری میکنند.

دقت اندازه گیری در این نوع از فلومترها به مراتب پایین تر از سایر روش های اندازه گیری فلو با استفاده از اختلاف فشار میباشد. دقت اندازه گیری در روش فلومتر زانویی بین 5% تا 10% متغیر میباشد.

مزایای فلومتر اختلاف فشاری

فلومترهای اختلاف فشاری علاوه بر مواردی که در بالا به آنها اشاره کردیم دارای مزایای دیگری نیز هستند که در ادامه به آنها اشاره میکنیم:

قابلیت استفاده در سیالات خوراکی: فلومترهای اختلاف فشاری معمولاً بدون قطعه متحرک هستند. به همین دلیل معمولاً مناسب برای سیالات خوراکی و کاربردهای بهداشتی هستند. این به معنی کاهش خطر آلودگی سیال یا خرابی قطعات درونی است.

دقت بالا: با استفاده از ترانسمیترهای پیشرفته و سنسورهای حساس، فلومترهای اختلاف فشاری می‌توانند دقت بالایی در اندازه‌گیری دبی جریان ارائه دهند.

نگهداری مقرون بصرفه: فلومترهای اختلاف فشاری به دلیل مکانیزم عملکرد فوق العاده ساده و عدم وجود هرگونه قطعه مکانیکی و متحرک در داخل خود، دارای تعمیرات و نگهداری حداقلی هستند.