اندازه گیری فلو با اریفیس

محبوب ترین و متداول ترین وسیله اندازه گیری دبی جریان، قطعا اریفیس است.

اگر در صنعت مشغول به کار هستید، حتما اسم اریفیس را شنیده اید.

اریفیس ها انواع مختلفی دارند که هر شکل از اریفیس برای یک کار خاص، استفاده می شود.

در این مقاله با انواع اریفیس و کاربرد هریک و نحوه عملکر اریفیس آشنا خواهیم شد.

1# اریفیس چیست؟

اریفیس ها معمولا همراه با فلنج ها خریداری می شوند،
به همین خاطر معمولا در دیتاشیت ها، آن ها را به صورت Orifice & Flanges مشاهده می کنید.

نصب به این صورت انجام می شود که شما (به عنوان واحد ابزار دقیق) کل این مجموعه (Orifice & Flanges) را خریداری کرده و
به واحد پایپینگ می دهید تا آن ها آن را بر روی خط نصب کنند.

اساس کار آن به این گونه است که با استفاده از یک تجهیز دایره ای شکل در لوله، اختلاف فشاری را ایجاد کرده و
سپس با اندازه گیری اختلاف فشار و رابطه مجذور اختلاف فشار با فلو، دبی جریان تعیین می شود.

اصول کار مشابه تیوپ ونچوری است و مثل این می ماند که لوله ونچوری را Pack (جمع) کنیم.

مانند آیتم ونچوری از دو سر اریفیس Tap می گیریم و با تیوبینگ به یک منیفولد 5 راهه و در نهایت به ترانسمیتر، متصل می کنیم.

سایز Tapها، 1/2 اینچ است.

پس اریفیس یک تجهیز دایره ای شکل است که وسط آن سوراخ است.

2# محل Tap ها روی فلنج های اریفیس

چنانچه سیال عبوری گاز باشد، Tap ها روی فلنج رو به بالا و یا ممکن است با زاویه 45⁰ نسبت به محور عمودی در نظر گرفته شوند.

چنانچه سیال مایع باشد Tap ها روی فلنج رو به پایین و یا ممکن است با زاویه 45⁰ نسبت به محور عمودی در نظر گرفته شوند.

ایجاد زاویه 45 درجه باعث می شود که رسوب های داخل سیال که در کف پایپ انباشته می گردند، از طریق تیوب ها، داخل تجهیز وارد نشوند.

اگر سیال بخار باشد، Tap ها در راستای محور افقی روی فلنج ها در نظر گرفته می شوند.

در این حالت ترانسمیتر باید پایین تر از اریفیس واقع گردد.

اگر فاز گازی غالب بود و احتمال کندانس شدن سیال نیز وجود داشت،
توصیه می گردد تیوبینگ تا Condensate Pot انجام شده و سپس از Pot تا ترانسمیتر تیوبینگ مجدد کشیده شود.

سپس متناسب با غالب بودن فاز مایع یا گاز، از Condensate Pot به سمت بالا یا پایین می رویم.

اگر فاز گاز غالب تر بود، انشعاب را از بالای Condensate Pot می گیریم.

این کار باعث می شود که مایعات حاصل از کندانس در جایی جمع آوری شده و روی مقدار اندازه گیری تاثیری نگذارند؛
اپراتور در این حال بایستی در زمان های مشخص Condensate Pot را Drain نماید.

اگر فاز مایع غالب بود Elevation ترانسمیتر پایین تر از pot در نظر گرفته شود.

اگر بخار رقیق بود از این مسیر استفاده کرده و سر پایین را می بندیم و برای بخار غلیظ از این مسیر استفاده کرده و سر بالا را می بندیم.

چند مدت یکبار شیر بالا را برای هواگیری باز می کنیم.

این کار را برای هر دو انشعاب، انجام می دهیم.

3# کالیبراسیون

برای کالیبراسیون می توانیم به کمک یک Hand Pump، رنج فشار صفر تا Max. Allowable Pressure drop را در نقاط صفر، 0% – 25% – 50% – 75% – 100% در دو سمت اریفیس اعمال کرده و
با استفاده از یک Handheld HART Communicator، رنج جریان خروجی را تنظیم و در انتها، مقدار را در سیستم مانیتورینگ اتاق کنترل تنظیم کنیم.

(به طور مثال اگر ΔP=1000 mbar و فلوی ماکزیمم 25000kg/h باشد؛
در فشار 250mbar، در اتاق کنترل جریان 20mA (به ازای 4 تا 20 میلی آمپر) و فلوی 12500kg/h را خواهیم داشت.)

4# اشکال مختلف اریفیس (Orifice Types)

متناسب با نوع سوراخ و محل قرارگیری سوراخ، 4 نوع اریفیس را می توان در نظر گرفت:

Concentric (هم مرکز): در این حالت، سوراخ در وسط اریفیس قرار دارد.

از این حالت برای کلیه سیالات سبک استفاده می شود.

از جمله برای هیدروکربن های سبک، نفت، آب و گاز و غیره به کار برده می شود.

Eccentric (غیر هم مرکز): در این حالت سوراخ از مرکز جدا شده و پایین تر قرار می گیرد.

برای مواد نفتی با ویسکوزیته بالا و گرانروی زیاد مثل قیر از این حالت استفاده می شود.

زیرا اینگونه سیالات تمایل دارند در کف لوله حرکت کنند. در نتیجه برای ایجاد مورد نیازمان، از این نوع اریفیس استفاده می کنیم.

Segmental (قسمت بندی شده): در این حالت، سوراخ به شکل نیم دایره و پایین قرار می گیرد.

همان طور که ملاحظه می کنید، این سوراخ مقداری بزرگتر بوده و سطح مقطع بیشتری را پوشش می دهد.

برای مواد لجنی با رسوب و Slurry (آبکی، مثل دوغاب) و partial (دارای مواد متخلخل)، زیاد استفاده می شود.

پروژه های آهن و مس از این گروه می باشند که استفاده از این نوع اریفیس مانع از گرفتی یا چوک شدن سیال می گردد.

Quadrant (چهارگوش): از جدیدترین انواع اریفیس ‎ها است.

یک سوراخ از قسمت جلویی و یک سوراخ از قسمت پشت بر روی این المنت قرار دارد.

به طور کلی جهت اندازه گیری فلوی مایعاتی که High Viscous بوده و
عدد رینولدز پایین دارند (تلاطم زیادی در داخل آن ها وجود ندارد)، از این نوع استفاده می شود.

5# تعریف ضریب β و سایزینگ اریفیس

برای محاسبه قطر سوراخ اریفیس (bore)، اولین چیزی که نیاز داریم، قطر داخلی پایپ یا لوله است.

چنانچه قطر خارجی پایپ را داشته باشیم، برای محاسبه قطر داخلی کافی است که مقدار 2 برابر ضخامت پایپ را از آن کم کنیم.

خب سوال اینجاست که ضخامت پایپ را از کجا به دست بیاوریم؟

با دانستن قطر خارجی و Sch. مربوط به پایپ، ابتدا ضخامت پایپ را به دست آورده و
سپس قطر داخلی لوله، با توجه به استاندارد ASME B1.20 به دست می آید.

اما ضریب β چیست؟

نسبت قطر سوراخ اریفیس به قطر داخلی پایپ را ضریب β تعریف می کنیم.

1-5# β چه چیزی را نشان می دهد؟

β مقداری است که کاملا تجربی به دست آمده و با یکسری محاسبات به این بازه رسیده اند و
در واقع اگر β در این بازه نباشد، مشکلاتی در روند اندازه گیری فلو پیش می آید.

اگر β در محدوده نباشد، ممکن است:

• اندازه گیری صحیحی توسط اریفیس انجام نشود.
• خط choke کند. (گرفتگی ایجاد شود)

مثلا اگر β کمتر از 0.2 باشد (یعنی قطر سوراخ به نسبت قطر لوله کم باشد)، این کار منجر می شود که
فلوی عبوری به یک سوراخ خیلی کوچک برخورد کند؛
در نتیجه این اتفاق باعث می شود که یک مقاومت خیلی بزرگ در مسیر سیال قرار گیرد و
عملا مسیر سیال مسدود شده و فلو به خوبی عبور نکند.

البته مشکلات به همین جا ختم نشده و ممکن است منجر به پدیده کاویتاسیون (cavitation) شود.

تذکر: در واقع با انتخاب سوراخ خیلی کوچک، ممکن است افت فشار زیادی ایجاد شود و
فشار به نزدیکی فشار بخار (فشاری که در آن، سیال عبوری فارق از دمایی که دارد، به جوش می آید، مثلا این میزان برای آب، 30 mbar می باشد) برسد و به جوش بیاید.

در نتیجه حباب هایی بر اثر تبخیر سیال ایجاد شده که می خواهند از این سوراخ عبور کرده و
سپس به دیواره جانبی لوله ضربه بزنند و در برخی موارد خطر آفرین، لوله را دچار نشتی کنند.

این پدیده را کاواتاسیون گویند و پدیده ای بسیار خطرناک است.

در صورتی که β بیش تر از مقدار مجاز باشد، مثلا 0.8، این به معنای بزرگ بودن اندازه سوراخ اریفیس بوده و
نشان دهنده این است که امکان دارد افت فشار لازم برای اندازه گیری فلو ایجاد نشود.

(چون سیال به راحتی عبور کرده و تمامی سوراخ را در بر نمی گیرد که افت فشار ایجاد شود)

2-5# سایزینگ اریفیس در نرم افزار

استاندارد سایزینگ اریفیس، ISO5167 است.

در این استاندارد مابه ازای تابعی از فشار، دما، فلو، چگالی و تغییرات فشار، (این اطلاعات را از روی دیتاشیت اریفیس خوانده و در نرم افزار وارد می کنیم)
خروجی ای به ما داده می شود که مقادیر d و β را به ما خواهد داد.

محاسبات متعددی در داخل نرم افزار انجام می شود که منجر به پیدا کردن d می گردد.

با نرم افزارهای مختلف سایزینگ مثل ISA Solartron یا Conval و Daniel Orifice Flow Calculator، مقدار β و قطر سوراخ اریفیس (Bore) محاسبه می شود.

در فیلم مربوط به سایزینگ اریفیس با استفاده از این نرم افزارها، این کار را انجام دادیم.

چک کردن پاسخ نرم افزار

پس انجام سایزینگ، d را به دست خواهیم آورد و سپس بایستی با محاسبه β بررسی کنیم که
آیا محاسبات انجام شده مناسب بوده است یا خیر؟

فرض کنید β در بازه مورد نظر قرار نگرفت، مثلا 0.78=β شد.

به نظرتان الان بایستی چه کاری را انجام دهیم؟

خب یا باید قطر لوله را بیشتر کنیم یا آنکه d را کوچکتر در نظر بگیریم.

معلوم است که نمی توانیم قطر لوله را تغییر دهیم؛ اما سوال این است که کوچکتر در نظر گرفتن d به چه معناست؟

یکی از عوامل موثر در محاسبه d، تغییرات فشار بود و بایستی دقت کنید که کوچتر کردن سوراخ اریفیس (d) به معنای افزایش افت فشار است.

قبلا گفتیم که افت فشار به صورت یکی از مقادیر 250,500,750,1000 mbar است.

بنابراین اگر واحد فرآیند مقدار P=500 mbar∆ را اعلام کرده است ما P=750 mbar∆ را در نظر می گیریم (یک پله بالاتر)

در این صورت فشار خروجی کمتر از قبل و اختلاف فشار بیشتر خواهد شد و
محاسبات را مجددا با نرم افزار انجام می دهیم تا مقدار β را در محدوده مناسب به دست آوریم این d، مقدار مناسب و صحیحی است

تذکر: حتما این تغییرات افت فشار را به واحد فرآیند اطلاع دهید تا در محاسباتشان دچار اشتباه نشوند و حتما بایستی با واحد فرآیند هماهنگ باشید.

6# ویژگی های روش اریفیس

• مزیت اصلی این وسیله نداشتن قطعات متحرک و قیمت پایین آن است.
• اریفیس ها روی سایزهای “30 ~ “2 استفاده می شوند.
• جهت اندازه گیری فلو در 90% موارد از اریفیس استفاده می شود و دقت اندازه گیری خوبی دارد (بهتر از ونچوری است).
• Turn down ratio این تجهیز، 1:3 ~ 1:5 می باشد.
• دقت اندازه گیری آن 5% ~ 2% می باشد.
• بایستی دارای استاندارد IP65 باشد.
• اگر محیط مان احتمال انفجار یا خطر را دارد، بایستی استاندارد Ex’d’ یا Ex’i’ را داشته باشد.
• تجهیز بایستی دارای Root extractor باشد، این المان همان جذرگیر می باشد.
• بایستی تحمل دمایی 85 ~ 40- را داشته باشد، این میزان دما، همان دمای محیط یا ambient temperature است.