المان های اندازه گیری فلوی سیالات Flow Element

در این مقاله، مفهوم روش های اندازه گیری دبی را یاد می‌گیریم و انواع مختلف آن را درک خواهیم کرد.

عنصر دبی چیست؟

فرض کنید یک جریان‌سنج برای اندازه‌گیری جریان مایع روی یک خط لوله نصب شده است. برای اینکه یک جریان‌سنج بتواند مقدار واقعی جریان را حس کند، باید خاصیتی در داخل آن وجود داشته باشد که مستقیماً با مقدار  دقیق دبی  مرتبط باشد.

برای این منظور، یک قطعه  درون ترانسمیتر وجود دارد که در واقع یک خاصیت فیزیکی متناسب با دبی ایجاد می‌کند. این خاصیت می‌تواند هر چیزی باشد، مثلاً فشار. افت فشار ایجاد شده و ...

بنابراین، یک المان دبی (Flow Element)، بخش حسگر اصلی فلومتر است که شکل دیگری از تغییر فیزیکی را ایجاد می‌کند تا مستقیماً با سرعت دبی سیال مرتبط باشد.

انواع المان‌های دبی  (Flow Element)

همانطور که در نظریه المان دبی بحث شد ، این المان یک کنش فیزیکی متناسب با دبی ایجاد می‌کند. بنابراین به طور کلی، سه نوع کنش تولید و تقریباً در همه صنایع استفاده می‌شود - فشار ، سرعت و جرم. هر یک از این انواع، زیرگروه المان‌های دبی خود را دارند. از المان های دبی در کنار فلومتر و فلو ترانسمیتر برای اندازه گیری دبی سیالات استفاده می شود.

بیایید هر نوع را یک به یک درک کنیم.

Differential Pressure/Head

در این فلومتر اختلاف فشار، دبی با ایجاد اختلاف فشار در خط حس می‌شود. این کار با قرار دادن یک مانع در بین دو خط انجام می‌شود و هر مانعی فوراً اختلاف فشار/هد ایجاد می‌کند. این روش قرار دادن مانع، انواع المان‌های دبی را تعیین می‌کند.

انواع المان های دبی بر اساس اختلاف فشار:

Orifice Plate

صفحه اوریفیس یکی از پرکاربردترین انواع المان‌های دبی است. این یک المان فلزی دایره‌ای شکل است که وسط آن یک سوراخ وجود دارد. این سوراخ در داخل خط لوله قرار می‌گیرد. و مسیر عبور دبی را در خط لوله باریک می‌کنند.

فشار قبل از ناحیه سوراخ یکنواخت و عادی است، اما فشار در ناحیه سوراخ به دلیل کاهش مساحت، ناگهان کاهش می یابد. سرعت در ناحیه سوراخ بیشتر و در ناحیه سوراخ کمتر است.

این اختلاف فشار همیشه وجود خواهد داشت و بسته به جریان سیال، اختلاف فشار تغییر خواهد کرد. این فشار دیفرانسیلی مستقیماً با سرعت دبی سیال متناسب است.

Venturi Tube

المان ونتوری از یک لوله مخروطی با یک گلوگاه باریک در وسط تشکیل شده است. عملکرد آن تقریباً مشابه صفحه روزنه است، اما تفاوت آن در این است که محدود کردن جریان در ناحیه صفحه روزنه به صورت بسیار وسیع است و این ساختار گلوگاه مانند، دبی را با بخش‌های واگرا و همچنین همگرا اندازه‌گیری می‌کند.

به همین دلیل، لوله ونتوری با تغییرات سرعت جریان انعطاف‌پذیر نیست؛ و صفحه روزنه برای سرعت‌های مختلف دبی بسیار انعطاف‌پذیر و مناسب است.

اساساً، ونتوری نیز از طریق محدودیت‌هایی که ایجاد می‌کند، یک ناحیه کم‌فشار ایجاد می‌کند؛ اما صفحه روزنه به دلیل طراحی‌اش از این نظر انعطاف‌پذیرتر است. با این حال، لوله ونتوری به دلیل میزان تلفات کمتر، برای دبی‌های بالاتر بسیار مناسب است.

Flow Nozzle

نازل دبی نوع دیگری از المان اختلاف فشار است که در آن نسبت به دو نوع دیگر مورد بحث، انعطاف‌پذیری بیشتری خواهید داشت. به دلیل طراحی آن، به آن نیم ونتوری نیز گفته می‌شود. همانطور که می‌دانید، نازل شبیه مخروط است؛ یک ناحیه بالایی بزرگتر و یک ناحیه پایینی کوچکتر.

همین اصل در اینجا نیز اعمال می‌شود. این سیستم دارای سه ناحیه است - همگرا، گلوگاه و واگرا. همگرایی ناحیه ورودی اصلی است، جایی که مساحت به تدریج کاهش می‌یابد تا فشار کاهش و سرعت افزایش یابد. گلوگاه ناحیه اصلی کار است که در آن فشار کم و سرعت زیاد است.

با شروع خروج سیال، یک ناحیه واگرای کوچک دوباره شروع به افزایش فشار و کاهش سرعت می‌کند. این اختلاف فشار برای محاسبه جریان اندازه‌گیری می‌شود.

Pitot Tube

لوله پیتوت یک روش بسیار متفاوت برای اندازه‌گیری اختلاف فشار است. در این روش، یک لوله نازک L شکل درون خط لوله قرار می‌گیرد. این اولین دهانه است. دومین دهانه مستقیماً درون خط لوله قرار می‌گیرد. سپس دستگاه اختلاف در هر دو دهانه را اندازه‌گیری می‌کند.

لوله مستقیم استاتیک است و اغلب فشار یکسانی دارد، اما لوله L شکل دینامیک است و با ورود سیال به این لوله، فشار کاهش و سرعت افزایش می‌یابد. سپس از اختلاف این دو فشار برای تعیین دبی جریان استفاده می‌شود.

Velocity

این نوع ساده‌تری از المان دبی است. این روش از ضرب سطح مقطع لوله در سرعت سیال استفاده می‌کند. به طور غیرمستقیم، می‌بینید که مساحت تغییر نمی‌کند، اما سرعت تغییر می‌کند.

بنابراین، با اندازه‌گیری سرعت سیال ، همبستگی مستقیمی از جریان سیال به دست می‌آورید. بیایید انواع آن را یک به یک بررسی کنیم.

Magnetic Velocity

نوع فلومتر مغناطیسی بر اساس اصل الکترومغناطیس کار می‌کند . هنگامی که یک میدان مغناطیسی ایجاد می‌شود، ولتاژی نیز القا می‌شود که باعث ایجاد یک میدان الکترومغناطیسی می‌شود. این میدان مغناطیسی توسط یک آهنربای هسته آهنی ایجاد می‌شود که در اطراف یک ناحیه از لوله به شکل هسته احاطه شده است.

خطوط شار مغناطیسی هنگام عبور سیال از آن، با زاویه قائمه ایجاد می‌شوند. این اصل کار قانون فارادی است.

همانطور که سیال جاری با زاویه قائمه از میدان مغناطیسی عبور می‌کند، طبق قانون فارادی، باید ولتاژی متناسب با سرعت سیال ایجاد شود.

میدان الکتریکی تولید شده چیزی جز خروجی مبدل نیست که به یک مدار فرستنده تغذیه می‌شود تا یک سیگنال الکتریکی را به خروجی اندازه‌گیری شده جریان تبدیل کند که می‌تواند روی صفحه نمایش آن نشان داده شود. با تغییر جریان، میدان مغناطیسی تغییر می‌کند که به طور غیرمستقیم میدان الکتریکی تولید شده را تغییر می‌دهد.

Ultrasonic Velocity

فلومتر اولتراسونیک یک تکنیک نسبتاً ساده و قابل فهم است. همانطور که از نامش پیداست، امواج اولتراسونیک با فرکانس‌های بسیار بالا توسط فرستنده تولید شده و در داخل خط لوله منتشر می‌شوند.

زمان بازتاب موج محاسبه می‌شود که تعیین می‌کند چه جریانی در داخل وجود دارد. با تغییر سرعت جریان، زمان نیز تغییر خواهد کرد و شما از این طریق مقدار اندازه‌گیری شده جریان را به دست می‌آورید. فلومترهای اولتراسونیک با دقت ±1٪ بسیار دقیق هستند.

Turbine Velocity

کنتور جریان توربینی نیز یکی از روش‌های بسیار دقیق اندازه‌گیری جریان است، اما به همان اندازه پیچیده است. این نوع، توسعه‌یافته‌ی کنتور جریان مغناطیسی است . این کنتور شامل یک روتور چند تیغه‌ای است که با زاویه قائمه نسبت به جریان سیال نصب شده و در جریان سیال روی یک یاتاقان آزاد معلق است.

قطر روتور کمی کمتر از قطر داخلی محفظه اندازه‌گیری است و سرعت چرخش آن متناسب با دبی حجمی است.

با تغییر سرعت سیال، میدان مغناطیسی نیز تغییر خواهد کرد و نیروی محرکه القایی نیز تغییر خواهد کرد. این ولتاژ تولید شده سپس برای محاسبه جریان سیال استفاده می‌شود. نام توربین از پره‌های روتور توربین گرفته شده است که توسط میدان مغناطیسی می‌چرخند و خطوط شار مغناطیسی را قطع می‌کنند و ولتاژ الکتریکی تولید می‌کنند.

Mass Velocity

همانطور که از نامش پیداست، المان دبی در اینجا با تعیین جرم سیال کار می‌کند. دبی سیال مستقیماً با جرم سیال متناسب است. با تغییر جرم، چه جامدتر و چه مایع‌تر، دبی نیز تغییر می‌کند و بنابراین، اندازه‌گیری انجام می‌شود.

بیایید انواع آن را یک به یک بررسی کنیم.

Thermal Mass

فلومتر حرارتی بر این اساس کار می‌کند که هر زمان سیالی جریان می‌یابد، به دلیل حرکت، مقداری گرما از آن گرفته می‌شود.(گرما به یک سنسور حرارت منقل می شود)

در یک کنتور حرارتی، دو حسگر دما وجود دارد که یکی از آنها دمای فعلی سیال و دومی دمای اولیه را نسبت به جریان صفر اندازه‌گیری می‌کند. با جریان سیال، دما تغییر می‌کند و سپس از این اثر برای تعیین جریان سیال استفاده می‌شود .

برای انتخاب هر فلو متر باید مواردی به شرح زیر را توجه نمود

اصول کار : اصول اساسی کار که به فلومتر اجازه می‌دهد تا دبی جریان را اندازه‌گیری کند.

سازگاری با سیال : انواع سیالاتی که می‌توانند توسط فلومتر اندازه‌گیری شوند.

دقت : فلومتر با چه دقتی می‌تواند دبی جریان را اندازه‌گیری کند.

افت فشار : میزان افت فشار هنگام عبور سیال از فلومتر.

نسبت کاهش جریان (Turn Down Ratio ): محدوده دبی‌هایی که کنتور می‌تواند به طور دقیق اندازه‌گیری کند.

تکرارپذیری : اینکه دستگاه اندازه‌گیری چقدر مداوم خروجی یکسانی را برای شرایط جریان یکسان تولید می‌کند.

هزینه : هزینه نسبی خرید و نصب فلومتر.

نیاز به تعمیر و نگهداری : میزان تعمیر و نگهداری که فلومتر معمولاً به آن نیاز دارد.

الزامات الکتریکی : اینکه آیا فلومتر برای کار به برق نیاز دارد یا خیر.

پیچیدگی نصب : نصب فلومتر چقدر دشوار است .

محدوده اندازه‌گیری : محدوده‌ای از دبی‌های جریان که می‌توان با دقت اندازه‌گیری کرد.

حساسیت به شرایط : میزان تأثیر تغییرات در خواص سیال یا شرایط جریان بر دقت فلومتر.

جنبه‌های ایمنی : ملاحظاتی در مورد مناسب بودن فلومتر برای اندازه‌گیری مایعات قابل اشتعال یا خطرناک.