ابزار دقیق و سنسورینگ

اندازه گیری جریان سیالات در صنعت بخش 2

اندازه گیری جریان سیالات در صنعت بخش 2
نویسنده : مهندس محمد حسن موحدی

اهمیت اندازه ­گیری علم و فنّ اندازه ­گیری [1]، یکی از ارکان اساسی تمدن کنونی بشر است، به­ طوری­ که هر یک از پیشرفت ­های علمی، صنعتی و پژوهشی بشر در تمام اعصار (از هنگامی­ که وی در غارها می­ زیسته تا به امروز) به نوعی به قابلیت و توانایی او در امر اندازه­ گیری مربوط می ­شود. ما در داد و ستد روزانه­ خود نیز مجبور هستیم کالای مورد معامله را با یک معیار و یا به روشی قابل قبول بسنجیم (اندازه­ گیری کنیم). آیا هنگام رانندگی به این نکته توجه داشته­ اید که به­ طور مداوم در حال اندازه ­گیری (تخمین مسافت با مانع یا خودروی جلویی و یا استفاده از نمایش­گرهای مربوط به کمیت­ های اندازه­ گیری شده در جلوی داشبورد اتومبیل خود) هستید؟

نکته اندازه ­گیری یک علم است، چون بر قوانین فیزیک و ریاضی استوار است. از طرفی، اندازه ­گیری یک هنر است، چون آثار قضاوت های بشر و مهار­ت­ های او را در سایه تجربه­ به ­دست آمده از مفهوم انتزاعی به مفاهیم کاربردی، علمی و واقعی تبدیل می ­کند. پس می ­توان مدعی شد اندازه ­گیری هم علم است و هم هنر!

«لرد کلوین» دانشمند برجسته­ انگلیسی بیان می دارد: «اگر آن­چه را که در باره ­اش صحبت می ­کنید بتوانید اندازه بگیرید و آن­را به ­صورت کمّی بیان کنید، آن­گاه می ­توانید مدعی شوید که درباره­ آن چیزی می­ دانید وگرنه دانش شما درباره آن پدیده و یا شیء اندک و نارسا است.»

 

  1. کلیات

2-1. تاریخچه­ اندازه­ گیری جریان سیالات

امروزه با توجه به تنوع روش ­ها، فناوری­ ها و دستگاه ­های موجود، به ­راحتی می ­توانیم دستگاه مناسبی را متناسب با کاربرد مربوطه انتخاب نماییم. اما، این تنوع حاصل تجربه­ سالیان درازی بوده است. بیان این موضوع که «به­ كارگيری اولين ايده ­های اندازه ­گيری جريان به هزاران سال قبل برمي ­گردد» زياد هم اغراق­ آميز نيست. آيا استفاده از ساعت شنی با مجرای ثابت برای عبور ما سه­ نرم و اندازه­ گيری زمان (به ­طور غيرمستقيم) نمی­ تواند نمونه­ ای گويا از قدمت اندازه ­گيری جريان باشد؟ یا این­که «قدمت ساعت آبی [2] به 270 سال قبل از میلاد مسیح (ع) نسبت داده می­ شود» [1] بیان­گر اهمیت اندازه ­گیری به طور عام و اندازه ­گیری زمان به طور خاص، نیست؟ در ساعت آبی، از جریان ثابت آب به عنوان شاخصی برای اندازه ­گیری زمان استفاده شده است.

اولين ايده­ اندازه­ گيری جريان كه به طور مستند از آن ياد می­ شود، مربوط به حدود 3000 سال پيش است كه در كشور مصر باستان براي اندازه­ گيری ميزان جريان آب سد، استفاده مي­ شده است. اسناد مكتوبی هم از دستور اندازه ­گيری ميزان آب مصرفي از چشمه در حدود 150 سال پيش از ميلاد مسيح (ع) توسط اسكندر در دسترس هست. 75 سال بعد از ميلاد هم در شهر «رم» ابزاری شبيه لوله در خروجی مخازن آب و چشمه ­ها استفاده مي­ نمودند كه در نتيجه­ به کار بردن روشی برای كاهش اصطكاك، سرعت عبور آب افزايش می­ يافت! در چين باستان هم دانش استفاده از «هيدروليك آب» قابل انكار نيست، به­ طوری­ كه با همين دانش ابتدايی به كنترل آبياری مزارع و تقسيم یا تخصیص منابع محدود آب به شركای آن می پرداختند. هيچ سند قوّی و قابل ارايه ­ای از 75 سال بعد از ميلاد (رم) تا قرن 15 ميلادی مبنی بر بروز تحولات چشم­ گير در علم اندازه­ گيری جريان سيالات در دسترس نمي­ باشد. از نيمه­ دوم قرن 15 به بعد (1452 الي 1519) و در زمان «لئونارد داوينچي» مباحث علمي در اين زمينه قوت گرفت. براي اولين بار نظريه جريان گردابی [3] و هم­چنين ارتباط بين ارتفاع مایع در مخزن [4] و شدت جريان در مايعات، توسط وی مطرح شد. چند سال قبل از قرن شانزدهم نيز متناسب با ايده­ های داوينچی و برای اولين بار، سازه­ های كانال آب در مجاورت بندری در شمال ايتاليا طراحی و ساخته شد. در نيمه­ اول قرن هفده [5]، اندازه ­گيری جريان سيال در خروجی مخازن مبتنی بر تئوری اختلاف فشار [6] توسط شخصی به نام «توریسلی [7] » مطرح و به كار گرفته شد. در قرن هجده نيز دو تن از بزرگان علم اندازه­ گيری جريان سيالات، «دانيل برنولی» (1700 الي 1782) و «لئونارد اولر» (1707 الي 1783) مي ­زيستند. رابطه­ مهم برنولی ارتباط فشار با سرعت را در خطوط لوله نشان می دهد (بحث مكانيك سيالات). رابطه­ اولر هم در توربو ماشين­ ها كابرد فراوانی دارد. حاصل كار اين دو دانشمند پايه­ ريزی طراحی ارفيس برای اندازه ­گيری جريان سيالات، توسط دانشگاه ­هاي ايتاليا بود. هم­چنين در سال 1732 «هنری پيتوت» برای اندازه­ گيری سرعت آب داخل لوله، وسيله ­ای به نام «لوله­ی پیتوت [8] » را ابداع نمود. بعدها شخصی به نام «دارسی» در انگلستان كاربرد «لوله­ی پیتوت» را برای اندازه ­گيری جريان تمام سيالات رواج داد. نامِ آشنای ديگر در قرن هجده، ونچوری [9] از ايتاليا و ولت­من [10] از آلمان است. ابداع لوله­ ونچوری [11] و يك دستگاه مكانيكی برای اندازه­ گيری جريان حاصل كار اين دو دانشمند بود. در ابتدای قرن نوزده [12] «ميشل فارادی» تحقيقاتی در زمينه­ مغناطيس داشت كه اصول دستگاه ­های اندازه ­گيری جريان سيالات مبتنی بر مغناطيس بر اساس نتايج پژوهش های فارادی است. نيمه­ دوم قرن نوزده، با حضور دانشمندانی از جمله: کنت [13]، هرشل [14]، زیمنس [15]، تیلور [16]، هرسی [17]، و کندی [18] در صنعت، تحولات زيادی در روش ­ها و دستگاه­ های اندازه ­گيری جريان به وجود آمد. تا چندی پيش، سازندگان دستگاه ­های اندازه­ گيری مختلفی از نام اين افراد برای نام­گذاری شركت خود استفاده نموده بودند. قبل از شروع قرن بیستم، استفاده از ارفيس عموميت بیشتری پيدا كرد و براي اولين بار در سال 1890 براي اندازه­ گيری ميزان جريان گاز در خط لوله ایالت «اوهايو» استفاده شد. ولی، در سال 1915 ارفيس به شكل امروزی تبديل شد. استاندارد ISO5167  (در مورد ارفيس­ ها) بر اساس مطالعات و پژوهش ­های «پروفسور سام بيلتر» [19] تدوین شده است. سال ساخت دستگاه ­های Variable Area Meter به ­درستی معلوم نيست، اما به سال 1870 نسبت داده می­ شود. مثلاً این نوع دستگاه در سال 1900 توسط كارخانه­ «كنت» در لندن ساخته مي­ شده است، ولی نمونه ­های حاضر آن در قرن بیستم و فقط براي نمايش محلی ارایه شده است. دستگاه­ های اندازه­ گيری توربينی كه در دهه­ ششم از قرن بيستم طراحی و ساخته شد، سال­ ها به عنوان مبنا براي واسنجی [20] ديگر دستگاه ­های پركاربرد در صنايع نفت استفاده مي­ شد [3].

          سال ابداع و ساخت بعضی دیگر از دستگاه ­ها:

Vortex Flowmeters    1965

Ultrasonic Doppler Flowmeters    1970

Coriolis Mass flowmeters    1977

 

با مقدمه ­ای که بیان شد و قبل از ورود به بحث اصلی اندازه ­گیری جریان سیالات، در ادامه پرداخته می­ شود به تعاریف کلی و پرکاربرد عمومی در امر اندازه ­گیری.

 

2-2. تعاریف

تعاریفی که در ادامه به آن پرداخته خواهد شد، مطالبی کلی در علم اندازه ­گیری بوده که به­ طور عام در انتخاب، خرید دستگاه و هم­چنین کار با آن می­ تواند کاربرد داشته باشد. به بیانی، این تعاریف محدود به اندازه­ گیری کمیت خاصی (مانند جریان سیال) نبوده و می­ تواند در اندازه­ گیری هر کمیت یا کیفیتی در صنعت و یا آزمایشگاه به کار گرفته شود.

 

گستره­ نامی – منظور از گستره­ نامی [21]، دامنه­ تغییرات و یا گستره­ نمایش دستگاه اندازه­ گیری است که در این محدوده دستگاه ما تنظیم، کالیبره و به ­کار گرفته می ­شود. به حداقل این گستره Zero و به حداکثر آن پهنه­ اندازه گیری گفته می ­شود.

مثال :

Pressure Range : 0 ~ 100 Kg / m2

Temperature Range : _ 100 ~ +50 oC

Flow Range : 0 ~ 400 m3 / Hr

Level Range : ( 0 ~ 100 ) %

 

نکته: در گستره نامی، الزاماً همواره Zero = 0 نیست. هم­چنین در انتخاب دستگاه باید به گونه ­ای عمل شود که گستره اندازه ­گیری دستگاه از حداکثر دامنه­ تغییرات کمیت مورد اندازه ­گیری بیشتر باشد.

 

پهنه [22] اندازه ­گیری در گستره­ نامی ملاحظه شد که الزاماً همواره Zero = 0 نیست، با این بیان برای محاسبه­ پهنه­ اندازه­ گیری باید اختلاف جبری آن ­دو را به­ دست آوریم (با در نظر داشتن علامت هر کدام). یعنی، منظور از گستره یا پهنه­ اندازه ­گیری، جمع جبری و یا تفاضل دو حد پایین و بالای گستره­ نامی با در نظر داشتن علامت هر کدام است. برای مثال، با داشتن گستره­ نامی  10oC- الی 140oC+ مقدار پهنه­ اندازه­ گیری معادل 150oC می­ شود.

 

راندگی از صفر [23] با گذشت زمان و بعد از مدتی که یک دستگاه اندازه­ گیری کار می ­کند، امکان دارد خروجی دستگاه بدون تحریک ورودی دقیقاً روی صفر قرار نگیرد. به این حالت راندگی از صفر گفته می­ شود و لازم است مطابق با دستورالعمل و روش­ های بیان شده توسط سازنده آن دستگاه، عمل واسنجی یا تنظیم صفر [24] انجام شود. اگر انحراف از صفر در اثر عوامل خارجی هم­چون ضربه یا عوامل محیطی مانند تغییر دما باشد به آن راندگی سطحی صفر [25] (یا راندگی صفر سطحی) گفته می ­شود. اما ممکن است این انحراف ناشی از کار طولانی دستگاه، فرسودگی قطعات و یا تغییرات ویژگی حس­گر دستگاه باشد که به آن راندگی ذاتی از صفر [26]  گفته می ­شود.

صحت در اندازه ­گیری در یک وسیله اندازه­ گیری صحت یا درستی اندازه­ گیری [27] آن دستگاه، انحرافِ خواندن از ورودی معلومی را مشخص می­ کند. درستی بر حسب مقدار مقیاس کامل دستگاه بیان می­ شود. به بیانی ساده ­تر، در یک اندازه ­گیری هر چه به معیار خود نزدیک ­تر باشیم اندازه ­گیری توسط ما با درستی یا صحت بیشتری انجام شده است.

تذکر توجه شود، درستی يك دستگاه اندازه ­گيری به فناوری ساخت، نوع حس­گر و سازنده­ آن بستگی دارد و مفهومی کیفی است. در این­جا نباید دقت [28] به جای صحت به ­کار برده شود (گرچه بر حسب عادت و حتی در همین متن نیز ممکن است به جای مفهوم درستی، دقت به کار برده شود).

تعریف دیگری از درستی – نزدیکی توافقی میان نتیجه­ اندازه­ گیری و مقدار واقعی اندازه ­ده، درستی نامیده می­ شود.

معمولاً در اندازه ­گیری جریان، درستی به دو گونه بيان مي­ شود، درستی بر حسب میزان جریان عبوری و یا درستی بر حسب کلِ گستره­ اندازه­ گیری:

±0/25% Rate

±1% FS

 

نکته: بدیهی است در دو بیان بالا تفاوت وجود دارد، برای روشن شدن تفاوت مورد نظر به مثال زیر توجه شود.

[1] . Metrology

[2] . Water Clock

[3] . Vortex Shedding

[4] . Head

[5]. 1608 to 1647

[6] . Differential Prerssure

[7] . Torriceli

[8] . Pitot Tube

[9] . Venturi

[10] . Voltmann

[11] . Venturi Tube

[12] . 1832

[13] . Kent

[14] . Herschel

[15] . Siemens

[16] . Tylor

[17].  Heresy

[18] . Kennedy

[19] . آمریکا 1932

[20] . calibration

[21] . Nominal Range

[22] . Span

[23] . Zero Drift

[24] . Zero Adjust

[25] . Short Term Zero Drift

[26] . Long Term Zero Drift

[27] . Accuracy

[28] . Precise / Precision

پایان بخش دوم

بخش یک این مقاله را از لینک زیر ببینید

اندازه گیری جریان سیالات در صنعت بخش 1

برای امتیاز به این نوشته کلیک کنید!
[کل: 0 میانگین: 0]

نوشته های مرتبط

3 فکر در مورد “ اندازه گیری جریان سیالات در صنعت بخش 2

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *