تجهیزات اندازه گیری فلو

تجهیزات اندازه گیری فلو

میزان جریان عبوری از سطح مقطع مشخص مانند لوله در مدت زمان مشخص دبی یا فلو نام دارد. میزان آن براساس حجم، جرم و لیتر قابل محاسبه است که بسته به نوع کاربری انتخاب می شود. فلوی حجمی حجم عبوری سیال و فلوی جرمی جرم عبوری از سیال را نمایش می دهد. برای محاسبه ی فلو از ابزار مختلفی استفاده می شود که به بررسی آنها می پردازیم.

در دنیای صنعتی امروز، جهت کنترل فرآیندهایی که در آنها از سیالات مختلف استفاده می شود، نیاز است که دبی عبوری سیالاتی که از درون لوله ها، داکت ها و مخازن عبور می کنند توسط تجهیزات اندازه گیری فلو اندازه گیری و مانیتور شود. این سیالات انواع مختلف از جمله روغن با ویسکوزیته بالا تا گازهای سبک با ویسکوزیته بسیار پایین را شامل می شوند. جهت اندازه گیری فلو یا دبی سیال روش ها و تکنیک های متفاوتی وجود دارد که هر کدام مناسب اندازه گیری دبی نوع خاصی از سیال است. شرکت فامکو ارائه دهنده انواع مدل های فلومتر یا تجهیزات اندازه گیری فلو از برندهای معتبر می باشد.

تجهیزات اندازه گیری فلو یا دبی

استفاده از تکنیک اندازه گیری دبی قدمت بسیاری دارد. قدیمی ترین نوع اندازه گیری فلو (در حدود 5000 سال قبل از میلاد)، در شهرهای قوم سومری ها واقع در جنوب عراق و رود دجله و فرات گزارش شده است. آنها از روش هایی برای اندازه گیری دبی جهت مدیریت آب شهری عبوری از کانال ها و قنات ها استفاده می کردند.در این روش یک سد ساده در مسیر جریان آب قرار می گرفت و با اندازه گیری ارتفاع آبی که از بالای این سد عبور می کرد، می توانستند محاسبه کنند که چه میزان آب از کانال عبور می کند. در سال 1450 میلادی، یک مهندس معمار ایتالیایی به نام باتیستا آلبرتی، اولین بادسنج مکانیکی را اختراع کرد. این بادسنج شامل صفحه ای دایره ایی شکل بود که به صورت عمودی در مسیر عبور باد قرار می گرفت و فشار هوا باعث چرخش آن می شد. زاویه شیب این صفحه، سرعت عبور باد را نشان می داد. این بادسنج اولین وسیله گزارش شده جهت اندازه گیری سرعت باد می باشد.

انواع تجهیزات اندازه گیری فلو (دبی)

به طور کلی سیالات شامل دو بخش یا کلاس متفاوت گاز ها و مایعات هستند. هر کدام از این دو نوع سیال، دسته بندی ها و کلاس های متفاوتی دارند که جهت اندازه گیری فلو باید مورد توجه قرار بگیرند. مثلاً در مورد گاز ها یا سیالاتی که قابل اشتعال هستند و یا سیالاتی که تحت شرایط دمایی بسیار بالا یا بسیار پایین هستند باید ملاحظات ویژه ایی در نظر گرفته شود. در زمان انتخاب فلومتر باید اطمینان حاصل کرد که تجهیز انتخاب شده مناسب سیال و شرایط کاری موجود، باشد. به عنوان مثال اسید ها و مایعاتی که در صنایع غذایی استفاده می شوند و آب مقطر و غیره سیالات خاص با ملاحظات ویژه هستند.

با توجه به مطالبی که در فوق گفته شد از تجهیزات اندازه گیری فلو متفاوتی برای سیالات مختلف و با کاربری های متفاوت استفاده می شود، که در ادامه به شرح هر یک از روش های اندازه گیری فلو می پردازیم:

فلومتر

با توجه به انواع سیالات موجود و تکنولوژی های متفاوتی که برای اندازه گیری دبی این سیالات استفاده می شود. تجهیزات اندازه گیری فلو در قالب مدل های زیر دسته بندی می شوند:

انواع فلومتر

• فلومتر توربینی (Turbine Flow Meter)
• فلومتر اختلاف فشار یا DP (Diffrential Pressure Flow Meter)
• فلومتر مغناطیسی (Magnetic Flow Meter)
• فلومتر جرم حجمی ( کوریولیس)(Mass Flow Meter)
• فلومتر اولتراسونیک (ultrasonic Flow Meter)
• فلومتر ورتکس (Vortex Flow Meter)
• روتامتر (Rotameter)
• فلومتر اوریفیس پلیت (Orifice Plate flow mete)
• فلومتر ونتوری (venturi flow meter)
• فلومتر جرمی حرارتی (Thermal mass flow meter)
• فلومتر پیتوت (Pitot tube Flow Meter)

فلو سوئیچ (سنسور جریان، سوئیچ جریان)

فلو سوئیچ ها یا سوئیچ های جریان، وظیفه کنترل و نظارت بر میزان جریان مایعات را بر عهده دارند و در صورت افزایش و یا کاهش بسیار زیاد جریان از مقدار تنظیم شده، جهت حفاظت از تجهیزات آلارم را روشن می کند. و سنسور جریان، سیگنال الکتریکی به پی ال سی یا کنترلر کننده های الکتریکی ارسال می کند.

انواع فلو سوئیچ

• فلوسوئیچ تیغه ای یا پدالی
• فلوسوئیچ پیستونی
• فلوسوئیچ التراسونیک
• فلوسوئیچ ترمال یا گرمایشی
• فلوسوئیچ پیزو
• فلوسوئیچ خطی
• فلوسوئیچ توربینی

کنتور آب (water meter)

کنتور آب به عنوان یکی از تجهیزات اندازه گیری فلو ابزاری برای اندازه گیری مقدار حجم مصرفی آب در مصارف خانگی و صنعتی می باشد. امروزه به دلیل اهمیت مقدار مصرفی آب و جلوگیری از هدر رفتن آن و همچنین براورد هزینه آن از کنتور آب استفاده می شود. کنتور آب نیز مثل فلومتر با توجه به مکانیزم اندازه گیری به چند دسته تقسیم می شود:

• کنتور آب خانگی (آپارتمانی)
• کنتور آب کشاورزی
• کنتور آب مولتی جت

کنتور گاز (Gas meter)

کنتور گاز به عنوان یکی از تجهیزات اندازه گیری فلو ابزاری برای اندازه گیری و محاسبه حجم گاز مصرفی از لوله در مصارف خانگی و صنعتی است که به دلیل تاثیر مستقیم میزان دما و فشار بر روی محاسبه دبی گاز، کار اندازه گیری را سخت می کند. برای رفع این مشکل این دو پارامتر در کنتورهایی با مکانیزم متفاوت ثابت فرض شده و صرفا حجم گاز عبوری محاسبه می گردد.

روتامتر یا فلومترهای سطح متغیر (Rotameter)

فلومترها به عنوان تجهیزات اندازه گیری فلو ساختاری ساده دارند و از یک لوله شیشه ای مدرج تشکیل شده اند. قیمت مناسبی دارند و برای محاسبه فلوی حجمی سیالات گاز و مایع استفاده می شوند. روتامتر برای محاسبه دبی از تغییر سطح عبوری سیال و نیروی وزن شناور استفاده می کند.

اساس اندازه گیری دبی سیال

عموما با استفاده از سرعت عبوری سیال از یک نقطه مشخص، دبی یا فلو توسط تجهیزات اندازه گیری فلو محاسبه می شود. در این روش محاسبه، دبی اندازه گیری شده بیان کننده نرخ دبی حجمی است. فاکتورهای اصلی موثر در دبی عبور سیالات عبارتند از:

• سرعت سیال
• اصطکاک سیال در تماس با لوله
• گران روی سیال
• چگالی سیال

سرعت سیال با فشار ایجاد شده توسط یک پمپ یا نیروی مرکزی ناشی از اختلاف ارتفاع ایجاد می شود که سیال را مجبور به عبور از لوله می کند. پارامتر فشار با سرعت نسبت مستقیم دارد و با افزایش فشار، سرعت افزایش می یابد و در نتیجه حجم دبی (دبی حجمی) بیشتر می شود. عامل موثر دیگر در میزان دبی سایز لوله است. اصطکاک لوله، میزان نرخ دبی عبوری از لوله را کاهش می دهد. کاهش اثر اصطکاک به سایز لوله، میزان صیقلی لوله و تمیزی سیال وابسته است. 

گران روی یا ویسکوزیته یا اصطکاک مولکولی سیال، نرخ دبی سیال را در کناره های دیواره های لوله کاهش می دهد. با تغییر دمای سیال این پارامتر تغییر می کند اما قاعده کلی وجود ندارد که با افزایش یا کاهش دما، با چه تاثیری بر گران روی سیال رو به رو خواهیم بود.

در ادامه به بررسی رفتار سیالات مایع با توجه به میزان گران روی یا ویسکوزیته جریان می پردازیم، می دانیم سیال با ویسکوزیته بیشتر جریان آرام تری دارد. دو نوع جریان وجود دارد، جریان آرام یا ثابت و جریان متلاطم که در ادامه به شرح هر یک می پردازیم:

جریان آرام یا جریان ثابت

به جریانی که با سرعت ثابت یک مسیر را طی می کند، جریان ثابت می گویند. از آنجایی که خطوط جریان نشان دهنده مسیر ذرات هستند، می بینیم که هیچ مایعی نمی تواند به طرفین یک لوله جریان وارد یا از آن خارج شود. در یک جریان ثابت، سرعت، چگالی و فشار در طول مسیر با گذشت زمان تغییر نمی‌کند. جریان آرام یک مورد خاص از جریان مستقیم یا جریان ثابت است که در آن مایع به صورت یک سری از لایه‌های موازی جریان می‌یابد و هیچ لایه‌ای از لایه دیگر عبور نمی‌کند. بنابراین جریان روان و صاف به عنوان جریان آرام نیز شناخته می شود.

جریان آشفته

به جریانی که در آن سرعت و جهت مایعی که از هر نقطه عبور می کند با گذشت زمان تغییر کند، جریان آشفته می گویند. جریان متلاطم سیالی را می بینیم که در یک لوله باریک حرکت می‌کند. ذرات تشکیل دهنده مایع به جای دنبال کردن یک مسیر مشخص، الگوهای چرخشی به نام گرداب ها را تشکیل می دهند. به طور کلی، جریان آشفته در مایعاتی که با سرعت بالا حرکت می کنند، رخ می دهد. هنگامی که سرعت مایع کم است، جریان آرام یا ثابت است. اگر سرعت مایع از مقدار مشخصی به نام سرعت بحرانی افزایش یابد، جریان ثابت به جریان آشفته تبدیل می‌شود. در ادامه به معرفی برخی از انواع سیالاتی که در صنعت به دنبال اندازه گیری دبی آنها توسط تجهیزات اندازه گیری فلو هستیم می پردازیم: 

• عمومی 

مشخصه قابل توجه این سیالات مایعات تمیز می باشد که شامل آب روغن ها و حلال های سبک هستند.

• سیالات دو فازی

منظور از سیالات دو فازی سیالاتی هستند که به عنوان مثال در دو فاز مایع و گاز می باشند که شامل بخار آب و نفت پالایش نشده و غیره هستند.

• دوغاب

مایعات کثیف مثل شن و آب را شامل می شوند.

• غیر نیوتنی

مایعات بسیار غلیظ مانند گریس، رنگ و عسل را شامل می شوند.

فرمول محاسبه فلو در تجهیزات اندازه گیری فلو

تئوری فلو (دبی) یا جریان، مطالعه سیال در حال حرکت است.به هر ماده ایی که بتواند جاری شود سیال گفته می شود، بنابراین این عبارت هم برای مایعات و هم گاز ها به کاربرده می شود. کنترل و اندازه گیری دقیق سیال جاری در خطوط لوله، نیازمند فهم دقیق فنی بوده و در اکثر صنایع فرآیندی، اهمیت بسیاری دارد.

جریان یا فلو به دونوع جریان مایعات و گاز ها دسته بندی می شود و به صورت مقدار سیال عبوری از هر نقطه مسیر در واحد زمان یا سرعت جریان مایع، گاز یا بخار بیان می گردد.

زمان/جرم = سرعت جریان * چگالی = دبی جریان

واحد اندازه گیری فلو در تجهیزات اندازه گیری فلو

انتخاب واحد صحیح اندازه گیری فلو با توجه به نوع کاربری و نوع فرآیند دارای اهمیت بسیاری است، واحد های اندازه گیری فلو به شرح زیر می باشد.

• نرخ فلو
• نرخ فلو حجمی
• نرخ فلو جرمی

در ادامه به شرح هر یک از انواع فوق می پردازیم:

نرخ فلو

نرخ فلو در تجهیزات اندازه گیری فلو بیانگر سرعت جریان (فلو) یا میزان حرکت ماده است. در واقع نرخ فلو بیانگر میزان فاصله ای است که یک ذره از یک ماده در یک بازه زمانی مشخص جابجا می شود، همچنین در مواردی که نیاز به محاسبه حجم سیالی که در یک بازه زمانی مشخص از یک لوله عبور می کند وجود دارد، واحد اندازه گیری نرخ فلو، فوت بر ثانیه است.

نرخ فلو حجمی

نرخ فلو حجمی بیانگر میزان حجم سیالی است که در یک بازه زمانی مشخص از یک نقطه عبور می کند. محاسبه نرخ فلو حجمی دارای محدودیت هایی می باشد و دانستن دو فاکتور، سرعت فلو و قطر داخلی لوله حائز اهمیت می باشد. واحد اندازه گیری فلو حجمی گالن در دقیقه (GPM) یا فوت مکعب در ثانیه می باشد.

نرخ فلو جرمی

نرخ فلو جرمی در تجهیزات اندازه گیری فلو بیانگر میزان جرم عبوری از یک سطح مقطع مشخص در یک بازه زمانی معین می باشد. در محاسبه نرخ فلو جرمی به ویژه در گازها، تاثیر فشار و دما روی چگالی باید در نظر گرفته شود.

تاثیرات فشار بر روی فلو

فشار، میزان نیروی اعمال شده بر یک سطح مشخص می باشد. و میزان فشار با افزایش نیرو یا کاهش سطح، افزایش می یابد. همچنین اندازه گیری فشار باعث می شود تا از افزایش فشاری که موجب خرابی تجهیزات می گردد، جلوگیری شود. و از ایجاد فشارهای ناخواسته یا آزادسازی فرآیندی (باز شدن ناخواسته سیفتی ولو) که موجب صدمه و آسیب می گردد، جلوگیری شود.

دلایل رایج نیاز به اندازه گیری فشار در صنایع فرآیندی متفاوت می باشد که در زیر به شرح آن پرداخته ایم:

• ایمنی: اندازه گیری فشار به جلوگیری از افزایش فشار لوله ها، تانک ها، ولوها، فلنج ها و دیگر تجهیزات کمک می کند. درصد خرابی تجهیزات، کنترل ولو ها و فلو ولو ها را کاهش می دهد و از ایجاد فشارهای ناخواسته، آزادسازی ناخواسته در فرآیند ( بازشدن ناخواسته سیفتی ولو)و ایجاد جراحت در پرسنل، جلوگیری می کند.
• راندمان فرآیند: در اکثر موارد، چنانچه فشار و متغیر های فرآیندی دیگر در یک عدد مشخص و یا حول یک عدد مشخص ثابت بمانند، راندمان یا بازده فرآیند در بالاترین مقدار خواهد بود.
• مدیریت هزینه: تجهیزاتی مانند پمپ ها و کمپرسور ها، انرژی قابل توجهی را مصرف می کنند. بهینه سازی فشار توسط تجهیزات اندازه گیری فلو موجب کاهش مصرف انرژی و مدیریت هزینه خواهد شد.
• اندازه گیری متغیر های فرآیندی دیگر: از ترانسمیتر های فشار در کاربرد های متعددی از جمله موارد زیر استفاده می شود.
  • اندازه گیری فلوی عبوری از یک لوله
  • اندازه گیری سطح سیال در مخازن
  • اندازه گیری جرم مخصوص یک ماده
  • اندازه گیری سطح مشترک مایعات

فاکتور کلیدی دبی در خط لوله

میزان دبی یا فلو در یک خط لوله به موارد زیر وابسته است.

• ساختار فیزیکی خط لوله
• سرعت سیال
• میزان اصطکاک سیال با دیواره لوله
• دانسیته یا چگالی سیال
• ویسکوزیته یا گرانروی سیال
• عدد رینولدز

در ادامه مطلب به شرح هر یک از عوامل فوق می پردازیم:

ساختار فیزیکی خط لوله

قطر و سطح مقطع لوله، مقدار سیال برای هرقسمت از طول لوله را معین می کند که شامل تعیین عدد رینولدز برای یک کاربرد معین می شود.

سرعت

سرعت به فشار یا خلاء بستگی دارد که سیال را درلوله به جلو می راند.

اصطکاک

به این دلیل که هیچ لوله ایی کاملاْ صاف نیست، سیالی که با لوله در تماس است دچار اصطکاک می شود، بنابر این فلوی در تماس با دیواره ها سرعت کمتری نسبت به فلوی مرکز لوله خواهد داشت. هرچه لوله بزرگتر، صاف تر و تمیز تر باشد، اصطکاک اثر کمتری بر جریان فلو خواهد داشت.

دانسیته یا چگالی سیال

دانسیته، میزان فلو را تحت تأثیر قرار می دهد زیرا هر چه سیال چگالی بالاتری داشته باشد، فشار بیشتری برای رسیدن به یک رنج فلوی مشخص لازم دارد. با توجه به این که مایعات، تراکم ناپذیر و گاز ها تراکم پذیر هستند، روش های متفاوتی برای اندازه گیری فلوی آن ها نیاز است.

ویسکوزیته یا گرانروی سیال

ویسکوزیته تحت عنوان اصطکاک مولکولی یک سیال تعریف می شود. ویسکوزیته نرخ فلو (دبی) را تحت تاثیر قرار می دهد، زیرا به طور کلی هر چه ویسکوزیته بالاتر باشد انرژی بیشتری لازم است تا به یک نرخ فلوی مشخص دست یافت. دما به صورت غیر مستقیم بر ویسکوزیته تأثیر می گذارد، به عنوان مثال دما های بالاتر از یک مقدار مشخص، ویسکوزیته اکثر سیالات را کاهش می دهد.

اصل برنولی

دنیل برنولی، یک ریاضیدان سوئیسی است که در زمینه هیدرو دینامیک تحقیق های بسیاری انجام داده است. مرکزیت کار او حول نگهداری انرژی بود و اولین راه حل را در خصوص توسعه تکنولوژی اندازه گیری فلو یا دبی ارائه داد. او اصل برنولی را بنا نهاد، این اصل بیان می کند که جمع همه انرژی های فلو یا دبی، بدون در نظر گرفتن شرایط باید ثابت بماند. به ویژه برای فلوی DP، جمع انرژی های استاتیک (فشار)، انرژی جنبشی (سرعت)، و انرژی پتانسیل (ارتفاع) بالادست مساوی انرزی پتانسیل، جنبشی و استاتیک پایین دست می باشد.

عدد رینولدز

اوزبورن رینولدز، دانشجوی فیزیک و یک مکانیک بود و بیشترین شهرت او بخاطر تحقیق و مطالعه جریان سیال در خط لوله بود، به خصوص در شرایطی که جریان از حالت آرام به متلاطم تغییر می کند. عدد رینولدز، یک تعریف عددی از نیرو های درونی بر نیرو های گرانرو، می باشد. به طور خلاصه این عدد ویژگی های جاری شدن (فلوی) یک سیال را شرح می دهد. عدد رینولدز یک مفهوم کلیدی برای طراحی فلومتر ها است و به عنوان یک محدودیت در رنج کاربرد فلومتر ها استفاده می شود.

می توان از عدد رینولدز برای تعریف نوع و شکل فلو یا دبی استفاده کرد. این موضوع زمانی اهمیت دارد که می خواهیم روش اندازه گیری دبی یا فلو را در یک سیستم مشخص کنیم. 3 نوع فلو یا دبی مختلف وجود دارد که هر کدام با یک عدد رینولدز مشخص می شود.

فلوی لامینار که با عدد رینولدز زیر 2000 مشخص می شود و یک فلوی روان است که درلایه های موازی جریان پیدا می کند. سرعت پایینی دارد، دارای ترکیبات حداقل است و گاهی اوقات دارای ویسکوزیته بالا می باشد. زمانیکه عدد رینولدز بین 2000 الی 4000 است، سیال اصطلاحا Transitional نامیده می شود. دبی ها با عدد رینولدز بالای 4000، دبی متلاطم و آشفته نامیده می شوند. این نوع سیال دارای سرعت بالا، ویسکوزیته پایین و دارای ترکیب سریع و کامل می باشد. زمانی که سیال متلاطم است (عدد رینولدز بالای 4000)، بهترین دقت در اندازه گیری فلوی اختلاف فشار را خواهیم داشت.

دبی سیال عبوری از لوله

ظرفیت لوله، با توجه به سایزهای مختلف، متفاوت می باشد. جدول زیر ظرفیت فلوی سیال را با توجه به سایز لوله نشان می دهد.