ابزار دقیق و سنسورینگ

اندازه ­گیری جریان سیالات در صنعت – بخش 8

اندازه گیری جریان سیال

اندازه گیری جریان سیالات در صنعت از روش ها و تکنیک های خاصی تبعیت می کند که هر روش مبتنی بر یک بحث علمی است، در قسمت های پیشین این مقاله روش اندازه گیری حجمی یا پیمانه ای تشریح شد. در این بخش که تقدیم حضور شما خوانندگان محترم شده است به اندازه گیری جریان به روش ایجاد اختلاف فشار و تجهیزات مورد استفاده در این روش خواهیم پرداخت.

4. اندازه گیری جریان به روش اختلاف فشار

اندازه ­گیری جریان سیالات به­ روش اختلاف ­فشار به ­لحاظ سادگی و ارزان بودن و هم­چنین به دلیل این­که مبتنی بر اصول اثبات شده­ علمی است دارای کاربردهای بسیار زیادی در اندازه­ گیری جریان مایعات و گازها می­ باشد. با این وجود، این روش بدون ضعف نیست. از جمله ضعف ­های این روش، پایین بودن صحت و دقت در 15% ابتدایی گستره­ اندازه ­گیری و وجود خطای زیاد در این ناحیه [1] و هم­چنین ایجاد افت فشار تحمیلی در خط لوله است. همان ­گونه که می ­دانیم، اساس اندازه­ گیری بر این امر استوار است که با قرار دادن عنصری در مسیر جریان سیال، یک اختلاف ­فشار در دو طرف این عنصر ایجاد می­ کنیم. اختلاف­ فشار دو طرف عنصر فوق که به­ راحتی قابل اندازه ­گیری می­ باشد، متناسب با میزان جریان سیال است.

شکل 1 – مبنای اندازه­ گیری جریان بر مبنای اختلاف­ فشار
( P = P1 – P2 ∆)

اساس علمی اندازه ­گیری به ­روش اختلاف­ فشار –  طبق قانون برنولی مجموع سطوح انرژی در دو طرف عنصر ایجاد اختلاف ­فشار در لوله با هم برابر است. در نتیجه، این رابطه به صورت زیر برقرار است:

Z1 + [P1/ ρ] + [V12/2g] = Z2 + [P2/ ρ] + [V22/2g]

به طوری­ که:

          Z  ارتفاع مرکز لوله نسبت به مبنا (در سطح افق)
          P  فشار مطلق سیال
          ρ وزن مخصوص سیال
          V  میانگین سرعت سیال
          g  شتاب ثقل

          رابطه­ بالا در شکل 2 صدق می کند:

شکل 2 – پارامترهای مورد استناد در رابطه برنولی

با توجه به این که برای کسب نتیجه­ دقیق در اندازه ­گیری، عنصر ایجاد اختلاف ­فشار در خطوط افقی لوله قرار می­ گیرد، به­ طور معمول ارتفاع Z1 و Z2 با هم برابر است. در نتیجه این پارامتر از دو طرف رابطه­ بالا حذف می­ شود. از جانب دیگر، مطابق با قانون پیوستگی داریم:

V1.A =V2.a

یا

V1 = V2.[a/A]

به­ طوری­ که:

A  سطح مقطع لوله
a  سطح مقطع روزنه عنصر ایجاد اختلاف فشار

هم­چنین با در نظر داشتن ارتفاع مؤثر [2] در لوله به ­صورت زیر:

[V22 – V12]/2g = [P1 – P2]/ ρ = h

و با جاگذاری در رابطه­ بالا و ساده ­سازی آن، خواهیم داشت:

V22 = 2gh / [1-a2/A2] = 2gh / [1-(d/D)4]

با جذر گرفتن از دو طرف این رابطه:

جایی­ که می ­دانیم h همان ρ/[P1-P2] متناسب با اختلاف­ فشار اندازه­ گیری شده است. حال اگر بخواهیم جریان را بر حسب حجم نمایش دهیم [1].

به­ طوری­ که:

Qt  حجم سیال عبوری
β   نسبت قطر روزنه­ عنصر ایجاد اختلاف ­فشار به قطر لوله (d/D) یا ضریب ارفیس

هم­چنین، می ­توان جرم سیال عبوری را این­گونه محاسبه کرد:

یا:

در واقع آن­ چه در این­جا مهم است، اندازه­ گیری اختلاف فشار (یا P∆) است که توسط دستگاه اندازه ­گیری اختلاف­ فشار[3] انجام می ­شود. این اختلاف­ فشار توسط عناصر مختلف قابل تولید است. در ادامه بحث می ­پردازیم به معرفی مهم ­ترین و معمول ­ترین ادواتی که توسط آن در لوله ایجاد اختلاف ­فشار می ­کنیم.

1.4. معرفی عناصر ایجاد اختلاف­ فشار

با یادآوری مجدد این موضوع که تمام عناصری که در این روش اندازه­ گیری جریان مورد استفاده قرار می ­گیرند از اصول واحد و یکسان پیروی کرده و نقش آن­ها مشابه می ­باشد، مهم­ ترین ­ابزاری که در اندازه ­گیری جریان سیالات با آن ایجاد اختلاف فشار می­ کنیم عبارتند از:

  1. صفحه­ ارفیس[4]
  2. لوله­ ونتوری[5]
  3. نازل جریان[6]
  4. اتصال زانویی[7]
  5. لوله پیتوت[8]
شکل 4 – ارفیس

در ادامه با این­گونه ادوات آشنا می­ شویم.

1.1.4 صفحه ارفیس

ارفیس، پرکاربردترین وسیله در روش اندازه ­گیری جریان سیالات با استفاده از اختلاف فشار است و دارای کاربرد در مایعات، گازها و بخارها می­ باشد. ارفیس از یک صفحه (معمولاً فلزی و از جنس فولاد ضد زنگ) ساخته می­ شود که روی این صفحه روزنه ­ای کوچک ­تر از قطر لوله جهت ایجاد اختلاف­ فشار وجود دارد. سطح مقطع این روزنه طی محاسباتی دقیق و با در نظر گرفتن شرایط فرآیندی و ویژگی­ های متعلق به سیال به­ دست می­ آید [1].

شکل 4- برشی عرضی از یک لوله­ حاوی ارفیس و منحنی اختلاف­ فشار به انضمام محل­ های پیشنهادی انشعاب

روزنه­ ارفیس، الزاماً همیشه به­ صورت گرد وسط صفحه قرار ندارد. به بیانی، با توجه به شرایط سیال، طراحی شکل و محل قرار گرفتن آن متفاوت می ­باشد. شکل 5 دو نمونه دیگر از ارفیس را نشان می ­دهد. ارفیس ­های نشان داده شده از نوع روزنه­ غیرمتمرکز [9] و روزنه­ قطاعی [10] هستند که کاربرد هر دو برای اندازه ­گیری جریان مایعات دوغابی یا مایعات حاوی ذرات جامد می ­باشد [1].

ارفيس با روزنه­ قطاعی ———————————— ارفيس با روزنه­ خارج از محور
شکل 5 – انواع دیگر ارفیس

نحوه­ نصب ارفیس – ارفیس بین دو اتصال (فلنج) قرار داده می ­شود که بین هر اتصال و صفحه­ ارفیس نیز یک واشر وجود دارد. جنس و محدوده تحمل فشار اتصالات، واشر و حتی پیچ و مهره­ های مربوطه باید با شرایط فرآیندی و مشخصات طراحی لوله متناسب و یكسان باشد. شکل 6 قطعات مورد نیاز و نحوه­ نصب ارفیس را نمایش می­ دهد.

نحوه نصب ارفیس و ترانسمیتر روی خط —————————————– اجزا و متعلقات یک ارفیس
شکل 6 – متعلقات و نحوه­ نصب ارفیس

2.1.4. لوله ونتوری

عناصر ایجاد اختلاف­ فشار، سبب ایجاد افت فشار در خطوط لوله­ های عملیاتی می­ شوند. هر چند معمولاً اختلاف­ فشار ایجاد شده کمتر از Bar 1 است، اما همواره مجاز به ایجاد افت فشار به این میزان نیستیم. به این منظور، از عنصر دیگری به جای ارفیس استفاده می­ شود که دارای همان قابلیت ­های ارفیس بوده ولی به ­دلیل طولانی­ تر بودن مسیر ایجاد اختلاف­ فشار و هم چنین ممانعت از اعمال تلاطم در مسیر جریان سیال می ­تواند در اندازه ­گیری جریان بخار و گازها کاربرد بیشتری داشته باشد. این عنصر که به عنوان بخشی از لوله در مسیر سیال قرار می ­گیرد، هم­چون ارفیس باعث ایجاد اختلاف فشار در مسیر جریان شده و همان کاربرد را دارد [1].

شکل 7 – لوله­ ونتوری

اصول ایجاد اختلاف ­فشار، اندازه­ گیری اختلاف­ فشار، تناسب اختلاف­ فشار با میزان جریان سیال و اصول نصب و انشعاب گرفتن در لوله­ ونتوری تا حدودی با شرایط ارفیس یکسان است. با توجه به شکل 8 در این عنصر به واسطه­ وجود دو بخش «هم­گرا» (محلی که قطر لوله در حال کاهش است) و بخش «واگرا» (قطر لوله شروع به افزایش می­ کند) شرایط برای اندازه­ گیری جریان بخار و مایعات دوغابی راحت­ تر است. در حقیقت بخش واگرا سبب کاهش حساسیت مجموعه­ اندازه ­گیری به پروفایل جریان شده و بخش واگرا باعث حذف جریان­ های گردابی خواهد شد. لازم به ذکر است در ارفیس درست بلافاصله بعد از مجرا، سیال دچار تلاطم و جریان­ های گردابی شدیدی می ­شد که در بعضی اندازه ­گیری­ ها ایجاد خطا می ­نمود. اما در لوله­ ونتوری این ضعف نیز برطرف شده است.

شکل 8 – لوله­ ونتوری
شکل 9 – نازل جریان

نکته دیگر این­که، در بخش هم­گرا سرعت سیال افزایش و فشار کاهش یافته و در بخش واگرا حالت عکس رخ داده و سرعت سیال رو به کاهش (تا حد قبل از ورود به ناحیه­ هم­گرا) و فشار رو به افزایش (تا کم­تر از ورود به ناحیه­ هم­گرا) خواهد رسید. آن­چه در اندازه ­گیری برای ما مهم است اختلاف فشار ایجاد شده در جریان هنگام عبور از مسیرهای هم­گرا و واگرای این عنصر است.

ویژگی­ های لوله ونتوری عبارتند از:

  • ایجاد افت فشار بسیار کم در لوله
  • دارای کاربرد در اندازه­ گیری جریان مایعات، گازها و بخار
  • دارای کاربرد در اندازه ­گیری جریان سیالات با سرعت بسیار بالا
  • دارای کاربرد در اندازه ­گیری جریان سیالات با حجم بسیار بالا
  • درستی معادل FS %1
  • گستره ­پذیری[1] معادل 3:1
  • قیمت بسیار گران (نسبت به ارفیس)

3.1.4. نازل جریان

ساختمان این عنصر و نیز کاربرد و عملکرد تاحدودی مانند لوله­ ونتوری است. به علاوه، قابليت بکارگيری در اندازه­ گیری جریان سیال­ های با دمای بسیار بالا و سرعت بالا می­ تواند آن را از دیگر عناصر مشابه اختلاف فشاری متمایز سازد [2].

ویژگی ­های نازل جريان عبارتند از:

  • ایجاد افت فشار بیشتر نسبت به لوله­ ونتوری
  • دارای کاربرد در اندازه ­گیری جریان مایعات، گازها و بخار
  • دارای کاربرد در اندازه ­گیری جریان سیالات با سرعت بالا و حجم بسیار بالا (به علت سخت بودن جنس آن)
  • درستی معادل 1% FS
  • گستره ­پذيری معادل 3:1
  • قیمت بسیار گران (نسبت به ارفیس)

4.1.4. اتصال زانویی

گاهی اوقات به لحاظ محدودیت در فضای نصب عنصر ایجاد اختلاف­ فشار و یا محدودیت­ های فرآیندی در ایجاد افت فشار، از خاصیت ذاتی عناصر و اتصالات موجود در خطوط لوله استفاده می­ نماییم. اتصال زانویی نمونه ­ای از این نوع می ­باشد. در ضمن این عنصر زمانی به­ کار برده می ­شود که دقت بالایی در اندازه­ گیری مورد نظر نباشد. اساس ایجاد اختلاف ­فشار در زانویی مبتنی بر تأثیر نیروی گریز از مرکز روی جداره ­های زانویی است که میزان نیرو و سرعت سیال در هر ناحیه به شعاع جداره­ زانویی بستگی دارد. با توجه به پروفایل جریان ایجاد شده در زانویی با زاویه 90 درجه، فشار سیال در جداره ­های زانویی متفاوت بوده و اختلاف­ فشار فوق متناسب با سرعت سیال (یا میزان جریان سیال) می­ باشد. بدیهی است در این روش اندازه ­گیری جریان سیال، به ­جای استفاده از زانویی ­های معمولی از زانویی­ های مخصوص اندازه ­گیری استفاده می ­شود که جداره­ داخل آن کاملاً صیقلی بوده و از عدم وجود هر گونه پلیسه داخل آن یا بیضوی شدن[12] مجرای زانویی باید کاملاً مطمئن باشیم [2].

شکل 10 – اتصال زانویی

5.1.4. لوله پیتوت

 این عنصر نیز زمانی کاربرد دارد که محدودیت فرآیندی در ایجاد اختلاف ­فشار وجود داشته باشد. هر چند ویژگی لوله­ پیتوت با زانویی از نظر اعمال افت فشار بسیار کم یکسان است، اما این عنصر در مقایسه با زانویی از اصول علمی معتبرتر و دقت بسیار بالاتری برخوردار است.

شکل 11 – تصویر شماتیک برش عرضی یک پیتوت تیوب

اساس اندازه ­گیری جریان در پیتوت تیوب: در رابطه­ برنولی داشتیم:

[v2/2g] + z + [p/ρg] = C

z یا همان ارتفاع از مبنا، صفر است. پس رابطه­ فوق به دو بخش، یعنی فشار استاتیک و فشار ناشی از سرعت سیال تقسیم می ­شود.

فشار ناشی از سرعت سیال به مجرای میانی لوله­ پیتوت اعمال می­ شود. این فشار حاصل جمع فشار استاتیک خط و فشار ناشی از سرعت سیال است. حال اگر فشار سیال را هم داشته باشیم، اختلاف این دو فشار، فشاری است که ناشی از سرعت بوده و این گونه محاسبه می شود:

 رابطه بالا که از رابطه­ برنولی به دست آمده است سرعت سیال را به ما می­ دهد. روی جداره­ لوله­ پیتوت تعداد معدودی مجرا وجود دارد، از این رو چون در مسیر مستقیم جریان سیال قرار ندارد فشار استاتیک و یا فشار فرآیند لوله را نمایش می­ دهد. اما به این دلیل که لوله­ میانی در مسیر مستقیم جریان سیال قرار دارد، جمع دو فشار استاتیک و فشار ناشی از جریان سیال را در خود تحمل می­ کند.

نکته­ مهم در این عنصر این است که چون سرعت سیال در بخش­ های مختلف مقطع لوله با هم متفاوت است، زمانی اندازه ­گیری دقیق خواهد بود که این عنصر در محلی از جریان سیال قرار داده شود که میانگین سرعت سیال در آن­جا وجود دارد. برخی از سازندگان برای فرار از این حالت پیتوت­ های از نوع چند مجرایی تولید کرده­ اند که مجراهای مختلف در مسیر جریان قرار گرفته و با میانگین گرفتن از خروجی ­های فوق، در محاسبات میانگین جریان به دست خواهد آمد. نمونه ­ای از این عنصر به Annubar شناخته می ­شود [1 و 2].

شکل 12- ساختمان لوله­ پیتوت

6.1.4. انوبار

این وسیله نیز دارای عملکرد و ویژگی ­های لوله­ پیتوت ولی با دقتی نسبتاً بیشتر می ­باشد. در مقایسه با لوله­ پیتوت، این وسیله از نظر ساختمان دارای تعداد سوراخ بیشتری روی جداره بیرونی بوده، به همین دلیل در اندازه ­گیری فشار استاتیک و فشار ترکیبی چون در تماس با تمام لایه­ های پروفایل جریان است دقت بیشتری در اندازه ­گیری حاصل خواهد شد [4].

شکل 13- ساختمان Annubar

پی نویس :

[1] . به علت غير خطی بودن خروجی دستگاه نسبت به جريان، در 25 درصد ابتدايی گستره ­اندازه ­گيری تقسيمات بسيار نزديک به هم و در عوض در 25 درصد چهارم گستره­ اندازه ­گيری تقسيمات پهن ­تر است. از اين روي در 25 درصد ابتدايی گستره­ اندازه­ گيری و به ويژه در 15درصد اوليه دقت دستگاه كم است.

[2] . Effective Head
[3] . Differential Pressure Meter
[4] . Orifice Plate
[5] . Venturi Tube
[6] . Flow Nozzle
[7] . Elbow Tap
[8] . Pitot Tube
[9] . Eccentric Orifice Bore
[10] . Segmental Bored Orifice
[11] . Rangeability
[12] . Ovality

برای امتیاز به این نوشته کلیک کنید!
[کل: 1 میانگین: 5]

دیدگاهتان را بنویسید

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