اندازه‌گیری آهنگ جریان در لوله

ویکی‎کتاب، کتابخانهٔ آزاد
پرش به ناوبری پرش به جستجو

انواع گوناگون جریان سنج[ویرایش]

جریان‌سنج‌ها قابلیت سنجش جریان برای گازها و مایعات را دارند. دبی‌سنج‌ها را می‌توان بر اساس تکنولوژی به کار رفته در آنها طبقه‌بندی نمود، لذا دسته‌بندی کلی جریان‌سنج‌ها به صورت زیر می‌باشد:

  1. جریان‌سنج‌های فشاری (Head Meters)
  2. جریان‌سنج‌های سرعتی (Velocity Meters)
  3. جریان‌سنج‌های جرمی (Mass Meters)
  4. جریان‌سنج‌های جابجایی مثبت (Positive Displacement Meters)

یکی دیگر از دسته‌بندی‌های رایج جریان سنج‌ها به صورت زیر می‌باشد:

  1. جریان‌سنج‌های اختلاف فشاری
  2. جریان‌سنج‌های مکانیکی
  3. جریان‌سنج‌های الکترونیکی
  4. جریان‌سنج‌های جرمی

روشهای اندازه‌گیری[ویرایش]

روشهای اندازه‌گیری:

۱) روش مستقیم: این روش، روشی دقیق برای محاسبه دبی سیالات می‌باشد، ولی کاربرد آن محدود است (روش آزمایشگاهی است)، زیرا نیاز به ابزارهایی مانند متر و شاخص و ... برای محاسبه است. در کالیبره کردن دبی سنجها استفاده می‌شود.

۲) روش غیر مستقیم:

الف) بر اساس اختلاف فشار موضعی در جریان سیال:

۱) روزنه‌ها (Orifice): دارای انقباض و فوران هستند.

۲) شیپوره‌ها: در شیپوره بر خلاف روزنه، فوران و انقباض نداریم.

۳) قطعات همگرا- واگرا- لوله ونتوری (Venturi Tube): در این روش افت انرژی زیاد است.

۴) زانویی (Elbow meter): در این روش تلفات انرژی به صورت افت فشار ظاهر می‌شود.

ب) استفاده از وسایل اندازه‌گیری سرعت جریان در مقطع:

۱) اندازه‌گیری دبی از طریق پروفیل سرعت

۲) سرعت موضعی در مقطع

ج) استفاده از موانع داخل جریان:

۱) دبی سنجهای توربینی

۲) دبی سنجهای پسایی (از نوع دراگ هستند)

تعیین سرعت موضعی یا سرعت متوسط در مقطع:

در این روش سرعت عبوری سیال را در هر مقطع مشخص می‌کنند و پروفیل کامل سرعت را رسم می‌کنند (پرو فیل سرعت را با وارد کردن سیال رنگی به داخل جریان برای نمایان شدن سرعت سیال مشخص می‌کنند)

روشهای اندازه‌گیری به عوامل زیر بستگی دارد:

جنس ماده - میزان چسبندگی - درجه حرارت - هدایت الکتریکی - مقدار جریان - مقدار مواد معلق

محاسبه دبی جریان در داخل لوله‌ها برپایه معادله بونولی صورت می‌گیرد. در این معادله انرژی سیال داخل لوله پایسته فرض می‌شود. در صورتی که در عمل به دلیل وجود افت‌های هد، مقداری از انرژی سیال هدر می‌رود. افت‌های هد را در لوله‌های انتفال مایع‌ها به دو دسته عمده اصلی و فرعی طبقه‌بندی می‌کنند. افت‌های اصلی در اثر اصطکاک بوجود می‌آیند و افتهای فرعی یا جزیی از تغییر مقطع لوله یا خمیدگی‌های خط لوله و قسمت‌هایی که خط لوله تغییر زاویه داده است (زانویی‌ها) بوجود می‌آیند. در آزمایش‌های دبی سنجها فاصله بین نقاطی که رابطه برنولی برای آنها نوشته می‌شود ناچیز است؛ بنابراین می‌توان از افتهای بوجود آمده در اثر اصطکاک صرفه نظر کرد .

جریان سنج ها[ویرایش]

سه وسیله متداول برای اندازه‌گیری آهنگ جریان لحظه‌ای در لوله‌ها عبارت اند از اریفیس، شیپوره و ونتوری. کارکرد هر یک از این وسایل مبتنی بر این اصل است که کاهش مقطع جریان در لوله باعث افزایش سرعت و کاهش فشار می‌شود. همبستگی اختلاف فشار با سرعت وسیله‌ای برای اندازه‌گیری آهنگ جریان به وجود می‌آورد.

اريفيس (Orifice Plate)[ویرایش]

محبوبترين و متداول ترين وسيله اندازه گيری جريان مي باشد. اساس كار آن بدين گونه است كه اختلاف فشاری كه در طول اين وسيله توسط يك صفحه واقع در خط فرآيند ايجاد شده است اندازه گيري مي شود تا دبی جريان تعيين شود.اريفيس پليت مشابه عملكرد وسايل ابتدايی ، به منظور توليد افت فشار ، جريان سيال را در طول مسير خودش به هم می فشرد؛ نتيجه آن كه فشار سيال در ابتدای جريان بيشتر از فشار جريان در انتهای جريان مي باشد. افت فشار ايجاد شده متناسب با مجذور سرعت سيال است. مزيت اصلي اين وسيله نداشتن قطعات متحرك و قيمت پايين آن مي باشد (خصوصاً آنكه با اندازه لوله افزايش نمي يابد ) و به خوبي جريان هاي در هم تميز را اندازه گيري مي كند. دقت اندازه گيري اين وسيله به چگونگي نصب ، نسبت سطح لوله و خواص سيال بستگي دارد و بايد در لوله هاي مستقيم نصب شود.

شکل۱: هندسه نمونه وار وسیله جریان سنج

۱ عکس

در غیاب اثرهای لزجت و با فرض افقی بودن لوله، با کاربرد معادله برنولی بین نقاط (۱) و (۲) در شکل ۱ خواهیم داشت:

معادله ۱:

که . بر اساس نتایج قبلی می دانیم که افت هدی بین نقاط (۱) و (۲) وجود دارد به گونه‌ای که معادلات حاکم به صورت زیر در می‌آیند:

و

در حالت ایده آل داریم ، که به معادله ۱ منجر می‌شود. مشکل شمول افت هد این است که عبارتی دقیق برای آن وجود ندارد. نتیجه نهایی این است که از ضرایب تجربی در معادله آهنگ جریان برای وارد کردن اثرهای پیچیدهٔ دنیای واقعی ناشی از لزجت غیر صفر استفاده می‌شود. این ضرایب را در زیر بررسی کرده‌ایم.

اریفیس نمونه وار با قرار دادن صفحه تخت سوراخ داری در بین دو فلانج لوله مطابق شکل ۲ ساخته می‌شود. فشار در نقطه (۲) در درون ناحیه انقباضی کمتر از نقطه (۱) است. اثرهای غیر ایده آلی به ۲ علت رخ می‌دهند. نخست، سطح مقطع ناحیهٔ انقباضی، به مقدار نا معلومی کمتر از سطح مقطع سوراخ است بنابراین، که ضریب تقارب است . دوم، جریان چرخشی و حرکت مغشوش در نزدیکی صفحه اریفیس افت هدی را ایجاد می‌کند که به منظور نظری نمی‌توان آن را محاسبه کرد. بنابراین، ضریب تخلیه اریفیس برای در نظر گرفتن این اثرها به کار می‌رود. یعنی:

معادله ۲:

شکل۲:ساختمان نوعی اریفیس

عکس ۲

شکل۳:ضریب تخلیه اریفیس

عکس ۳

که مساحت سوراخ اریفیس است. مقدار تابع و عدد رینولدز است، که مقادیر نمونه وار را در شکل ۳ آورده‌ایم. توجه کنید که مقدار به ساختمان خاص اریفیس بستگی دارد.(یعنی، محل سوراخ‌های فشار، چهارگوش بودن یا پخ دار بودن لبه صفحه اریفیس، جز آن). شرایط بسیار دقیقی برای ساخت اریفیس استاندارد حاکم است و این شرایط برای حصول بیشترین دقت بوجود آمده است.


نازل جریان (Flow Nozzle)[ویرایش]

نازل‌های جریان ممکن است به عنوان ونتوری تیوب تغییر یافته تلقی شوند. دهنه نازل یک مانع بیضوی شکل در برابر جریان است و خروجی آن هیچ سطحی برای بازیافت فشار ندارد. Tapهای فشار در فاصله‌ای حدود نصف قطر لوله را در خروجی و در فاصله‌ای به اندازه تمام قطر را در ورودی لوله گرفته‌اند. نازل جریان، برای سنجش دبی جریان‌های سرعت بالا به کار می‌رود (عدد رینولدز بالای ۵۰۰۰۰). افت فشار نازل جریان، بین افت فشارهای ونتوری تیوب و اریفیس پلیت است (۳۰ الی ۹۵ در صد).

سه نوع نازل را در شکل ۴ نشان داده‌ایم. در این وسیله، به جای استفاده از صفحه ساده سوراخ دار (و ارزان تر)، همچون اریفیس از شیپوره‌ای محیطی استفاده می‌کنند که نوعاً بین فلانج‌های مقاطع لوله قرار می‌گیرد. الگوی جریان حاصل در نازل نسبت به اریفیس به حالت ایده آل نزدیک تر است. در اینجا، اثر تقارب ورودی کمتری وجود دارد و جدایش جریان ثانویه چندان جدی نیست، اما همچنان اثر لزجت برقرار است. به همین علت از ضریب تخلیهٔ نازل استفاده می‌شود که:

معادله ۳:

شکل۴:ساختمان چند نوع نازل

عکس ۴

شکل۵:ضریب تخلیه سنجه نازل

عکس ۵

که . همچون اریفیس مقدار تابع نسبت قطر و عدد رینولدز است. مقادیر نمونه وار بدست آمده تجربی را در شکل ۵ نشان داده‌ایم. دوباره، مقدار دقیق به جزئیات خاص طراحی نازل بستگی دارد. استانداردهای قابل قبول نیز پذیرفته شده‌اند. توجه کنید که و نازل بسیار کاراتر از اریفیس است.(افت انرژی در آن‌ها کمتر است).

جریان سنج ونتوری (Venturi Tube)[ویرایش]

جریان سنج ونتوری شامل يك قسمت ورودي مخروطي شكل همگرا مي باشد كه در طول آن سطح مقطع جريان كاهش مي يابد. قسمت واگراي ونتوري فشار سيال را به حالت اوليه بر مي گرداند. از افت فشار ايجاد شده در قسمت همگراي دبي سنج مي توان دبي جريان را بدست آورد. گلوگاه استوانه اي ونتوري مكان اندازه گيري افت فشار ايجاد شده در واحد سطح مي باشد. ونتوري تيوب ها در موردي كه نياز به افت فشار كم و دقت بالاي اندازه گيري است استفاده مي شوند و عمدتاً در لوله هاي قطور ، شبيه مواردي كه در صنايع آب و فاضلاب يافت مي شود به كار مي روند. زيرا شيب ملايم آن به جامدات معلق در مايع اجازه حركت مي دهد. لذا براي اندازه گيري پساب ها و دوغاب ها ( يا به عبارتي مايعات ويسكوز يا حاوي مقدار زيادي از جامدات چسبناك ) مناسب مي باشند. عيب اصلي آن قيمت زياد ان مي باشد و دقت آن نسبت به اريفيس كمتر است مگر آنكه جريان كاليبره شده باشد.

دقیق ترین و گران ترین نوع در میان این سه نوع جریان سنج انقباضی سنجه ونتوری است، که در شکل ۶ دیده می‌شود. هرچند اصول کار این وسیله نیز مانند اریفیس و نازل است، اما هندسه ونتوری به گونه‌ای طراحی می‌شود که افت‌های هد را تا حد کمینه کاهش دهد. این هدف با ساختن مقطع نسبتا همگرایی شبیه خط جریان (که جدایش را در جلو گلوگاه حذف می‌کند) و مقطع واگرای بسیار تدریجی در پایین دست گلوگاه که (جدایش را در این قسمت کاهنده شتاب از بین می‌برد) تامین خواهد شد. بیشتر افت هد در ونتوری خوش طرح ناشی از اصطکاک در امتداد جداره هاست، به جای اینکه جدایش جریان و آمیختگی که از مشخصه این جریان هاست تلف شود.

بنابراین، آهنگ جریان درون ونتوری از رابطه زیر بدست می‌آید:

معادله ۴:

شکل ۶:ساختمان ونتوری نمونه وار

عکس ۶

شکل۷:ضریب تخلیه سنجه ونتوری

400px7

که مساحت مقطع گلوگاه است. گستره مقادیر ، یعنی ضریب تخلیه ونتوری را در شکل ۷نشان داده‌ایم. نسبت قطر گلوگاه به قطر لوله ، عدد رینولدز، و شکل مقاطع همگرا و واگرا از جمله پارامترهایی هستند که بر مقدار اثر می‌گذارند.

دوباره، مقادیردقیق ، و به هندسه خاص وسیله استفاده شده بستگی اطلاعات فراوانی درباره طراحی، کاربرد، و نصب جریان سنج‌های استاندارد در کتاب‌های مختلف می‌توان یافت.


روتامتر (Rotameter)[ویرایش]

یکی از جریان‌سنج‌های کاملاً متداول، دقیق، و نسبتاً ارزان روتامتر، یا وسیله مقطع متغیر است که در شکل ۸ دیده می‌شود. روتامترها (یا دبی‌سنج‌های سطح متغیر) عمدتاً از یک لوله شیشه‌ای که قطر آن با شیب ملایم کم می‌شود ساخته شده‌اند و به طور عمودی نصب شده و جریان به آن وارد می‌شود. با عبور سیال از میان آن (جریان از پایین وارد می‌شود)، شناور در درون شیشه مخروطی بالا می‌رود و به ارتفاع تعادلی خود که تابع آهنگ جریان است، می‌رسد. این ارتفاع متناظر با این شرط تعادلی است که نیروی خالص موجود بر روی شناور (نیروی شناوری، وزن شناور و پسای سیال) صفر خواهد بود. مقیاس درجه‌بندی موجود بر روی لوله رابطهٔ بین محل شناور و آهنگ جریان را تعیین می‌کند. جسم شناوری که به اندازه پایه لوله شیشه‌ای است درون آن قرار گرفته و متناسب با مقدار جریان به سمت بالا حرکت می‌کند. به دلیل آن که قطر لوله در بالا نسبت به پایین آن بزرگتر است جسم شناور در نقطه‌ای از لوله شیشه‌ای نسبت به کف آن قرار می‌گیرد که اختلاف فشار بین سطوح بالایی و پایین با وزن جسم شناور به تعادل برسد.

در اکثر کارکردهای روتامتر، دبی مستقیماً از درجه‌بندی‌هایی که روی لوله شیشه‌ای نوشته شده است خوانده می‌شود. در بعضی موارد یک سنسور اتوماتیک ارتفاع جسم شناور را اندازه می‌گیرد. این گونه روتامترها اغلب از فولاد یا دیگر مواد مقاوم در برابر سیالات فشار بالا ساخته می‌شوند. روتامترها ممکن است در اندازه‌ای ۲۵/۰ اینچ تا اندازه‌های ۶ اینچ باشند و نسبت به اریفیس پلیت گستره وسیعتری از جریان را با دقت ۲ ± درصد را اندازه می‌گیرند. حداکثر فشار عملکرد آنها موقعی که از شیشه ساخته شده باشند 300psig می‌باشد.

شکل ۸: جریان سنج روتامتری

شکل ۸

توربین متر (Turbine Meter)[ویرایش]

یک دبی‌سنج توربینی از یک روتور چند تیغه که توسط یاتاقانی نگه داشته شده است تشکیل شده است و در مقطع لوله عمود بر جریان قرار گرفته است. سیال روتور را متناسب با سرعت سیال می‌راند و متعاقب آن دبی حجمی جریان بدست می‌آید. یک سیم پیچ (Coil) بیرون دستگاه اندازه‌گیری، هنگامی که تیغه خطوط مغناطیسی سیم پیچ را قطع می‌کند ولتاژ متناوبی تولید می‌کند؛ هر پالس ولتاژ تولیدی بیانگر حجم مایع عبوری می‌باشد. این دبی سنج به دلیل آن که روتور آن معمولاً از فولاد ضد زنگ ساخته شده با بسیاری از سیالات سازگار است. با این حال لازم است یاتاقان آن که روتور را برای گردش در سرعت‌های بالا نگه می‌دارد تمیزکاری شود. دبی سنج‌های توربینی عمدتاً در خطوط لوله‌هایی کمتر از ۵/۰ اینچ تا ۱۲ اینچ به کار می‌روند و سرعت پاسخ آنها بالا بوده و دقت خوبی دارند. از مشخصه‌های دیگر این دبی سنج، تکرار پذیری، قابلیت محدودیت پذیری عالی و دقت بالای آنها می‌باشد و معمولاً برای اندازه‌گیری مایعات و گازهای تمیز به کار می‌روند و برای سیالات ویسکوز و چرخشی مناسب نمی‌باشند. این وسیله باید برای هر اندازه‌گیری کالیبره شود و مشابه دبی سنج‌های اختلاف فشاری، افت فشار زیادی ایجاد می‌کنند که قابل بازیافت نمی‌باشد. همچنین قطعات متحرک زیادی دارد که باعث فرسودگی می‌شوند. همانگونه که در شکل ۹ می‌بینید یک پروانه چرخان آزاد کوچکی به نام توربین در درون محفظه توربینی با سرعتی زاویه‌ای که تابع (تقریبا متناسب با) میانگین سرعت سیال درون لوله است، می‌چرخد. این سرعت زاویه‌ای به طور مغناطیسی برداشته، و درجه‌بندی می‌شود تا وسیله بسیار دقیقی را برای اندازه‌گیری آهنگ جریان به وجود آورد.

شکل ۹: جریان‌سنج توربینی

400px79

دبی سنج‌های جابجایی مثبت (Positive Displacement Meters)[ویرایش]

Flow meter.jpg

اساس کار این نوع دبی سنج‌ها، محاسبه دبی جریان حجمی جریان با محصور کردن مقداری از سیال در یک مخزن و سپس تخلیه سیال به خروجی می‌باشد. حجم کل مایع عبوری از این وسیله در یک بازه زمانی از حجم سیال نمونه گیری شده و تعداد نمونه‌گیری‌ها بدست می‌آید. دبی سیال مستقیماً توسط یک ماشین محاسبه گر گزارش داده می‌شود. هر مخزن متحرک با سیال توسط آب‌بندهای باریکی از مخزن بعدی جدا شده است. نیروی مورد نیاز دبی سنج‌های جابجایی مثبت از انرژی جریان بدست می‌آید. این نوع دبی‌سنج‌ها به دلیل داشتن قطعات متحرک زیاد برای پساب‌ها مناسب نمی‌باشند. موارد استفاده آنها در کل در سیالات یک طرفه مانند اندازه‌گیری آب یا گاز طبیعی یا توزیع سوخت نفتی می‌باشد. نشتی حول دنده‌ها و پره‌ها باعث ایجاد خطا در اندازه‌گیری دبی جریان می‌شود ولی سیالات ویسکوز این خطا را کاهش می‌دهند. برای عملکرد دقیق آنها به یک مکانیسم تصفیه و یا خازن الکتریکی جهت دفع هوای مایعات (یا یک صافی تصفیه گاز) نیاز می‌باشد ولی در کل نشتی زیاد سیال از صفحات آب بندی، دقت آنها نسبت به دیگر دبی‌سنج‌ها کاهش داده است.

در شکل مقابل روش کار این نوع جریان‌سنج نشان داده شده است.

جریان سنج الکترومغناطیسی (Electromagnetic Flowmeter)[ویرایش]

Electro.f.m.png

اساس کار سیستم دبی سنج‌های مغناطیسی مبتنی بر قانون القای مغناطیسی فارادی می‌باشد، که بیانگر آن است که هرگاه رسانایی در یک میدان مغناطیسی حرکت کند در آن ولتاژ جریان القاء می‌شود.

Faraday's Law: E = KBDV

مقدار ولتاژ القایی، مستقیماً متناسب با سرعت رسانا، V ، پهنای رسانا، D ، و قدرت میدان مغتاطیسی، B ، می‌باشد. شکل روبرو طرز کار این نوع جریان سنج را نشان می‌دهد. هنگامی که مایع رسانا از میدان مغناطیسی با سرعت V عبور می‌کند الکترودها ولتاژ القایی را دریافت می‌کنند. پهنای رسانا به فاصله بین الکترودها بستگی دارد (بدنه ایزوله از اتصال کوتاه با دیواره جلوگیری می‌کند)، تنها متغیر این وسیله سرعت مایع رسانا است و به دلیل آن که قدرت میدان مغناطیسی و فواصل الکترودها ثابت نگه داشته شده است ولتاژ خروجی، E ، مستقیماً با سرعت متناسب است. این دبی سنج هیچ گونه قطعه متحرکی ندارد و انسدادی در برابر جریان سیال ایجاد نمی‌کند و به دلیل آنکه نیازی به دانسیته و ویسکوزیته سیال برای اندازه‌گیری ندارد برای سنجش دبی دوغاب‌ها، مایعات خورنده مناسب می‌باشد. با وجود عدم افت فشار در آنها (به دلیل عدم وجود مانع بر سر راه جریان) برای گازها مناسب نمی‌باشد. سیال در این نوع اندازه‌گیری باید حداقل رسانایی الکتریسیته را که وابسته به سازنده دبی سنج است را داشته باشد. سیال مورد استفاده باید رسانای الکتریسیته و غیر مغناطیسی باشد. به طور کل موارد استفاده از این نوع دبی سنج برای سنجش دبی شامل سیالات آبکی، مایعات رسانا، دوغاب‌ها و مایعات خورنده می‌باشد و به طور گسترده در صنایع غذایی و آشامیدنی و خمیر و کاغذ سازی به کاربرده می‌شود. از مواردی که می‌توان از این دبی سنج‌ها استفاده کرد سیالات نفتی، گازها، هوای متراکم و ... می‌باشند. از مشخصه‌های دیگر این دبی سنج، گران‌قیمت بودن و سختی نصب آن می‌باشد.

دبی سنج‌های گرمایی (Thermal Meter)[ویرایش]

Thermal f.m.jpg

اساس کار این وسیله بدین صورت است که جریان سیال، انرژی گرمایی خود را به المنت حساس به گرما می‌دهد و سپس با اندازه‌گیری گرمای منتقل شده به المنت جرم سیال عبور کرده محاسبه می‌شود. مقدار گرمای جابجا شده به سرعت سیال، ظرفیت گرمایی و هدایت گرمایی سیال بستگی دارد و لذا این دبی سنج مستقل از دانسیته، فشار و ویسکوزیته سیال می‌باشد. این دبی سنج عمدتاً برای اندازه‌گیری جریان گازهای تمیز با ظرفیت گرمایی معین به کار می‌رود و کاربرد گسترده آن در صنایع پالایش و صنایع شیمیایی می‌باشد و از محدود فناوری‌هایی است که می‌توان برای اندازه‌گیری جریان هوا در لوله‌های بزرگ استفاده کرد. از مشخصه‌های آن، نداشتن هیچ گونه قطع متحرک و دقت بالای آنها در اندازه‌گیری جریان هوا می‌باشد.

شکل مقابل نمونه‌ای از این نوع جریان سنج می‌باشد.