روش های اندازه گیری فلو

در دنیای امروز نمی توان ابزار دقیق را بدون فلومتر ها در نظر گرفت.

متناسب با نیاز فراوان به اندازه گیری فلو، روش های گوناگونی برای اندازه گیری این پارامتر صنعتی به وجود آمده است.

در ادامه به بررسی اجمالی چند روش اندازه گیری فلو خواهیم پرداخت و روش ونتوری را به تفصیل بیان خواهیم کرد.

1# انواع فلومتر

2# مفاهیم و اصطلاحات فلومتر

برای شروع به کار با یک فلومتر بایستی به برخی از اصطلاحات، قوانین و مفاهیم مسلط باشیم که در ابتدای کار به تشریح این مفاهیم می پردازیم.

3# استانداردهای فلو

مهمترین استانداردهایی که در زمینه فلو مورد استفاده قرار می گیرند، عبارتند از:

• IPS-IN-E/M/C-130
• API Chapter 5
• API 551
• (API 2530 (Orifice
• ASME PTC 19.5
• IPS-IN-E/M/C-240
• (API Chapter 4 (metering

4# یکای اندازه گیری فلومتر

طبق استاندارد IPS-IN-130، فلو را به دو صورت بیان می کنیم که در هر حالت، یک واحد مشخص برای فلو خواهیم داشت:

1. فلو جرمی  =  kg/h
2. فلو حجمی =  m­³/h

جرم، ماده سازنده یک جسم می باشد و عملا به شرایط اندازه گیری وابسته نیست.

بنابراین روش های اندازه گیری بر اساس جرم، نیازی به جبران سازی ندارد.

اصول اندازه گیری تمامی ادوات فلو (فلومتر ها) در صنعت بر اساس دیمانسیون m³/h است (یعنی بر اساس حجم عبوری) به استثنای یک تجهیز که بر اساس واحد kg/h است.

رابطه فلو جرمی و حجمی

فلو جرمی = ρ_{density ×} فلو حجمی

بنابراین به راحتی می توانیم این دو آیتم را به هم تبدیل کنیم.

5# فرمول محاسبه فلو

فلو را می توان به وسیله اندازه گیری اختلاف فشار یا سرعت محاسبه کرد.

هریک از این روش ها، مزیت هایی دارد که در زیر به آن ها اشاره خواهیم کرد:

1-5# رابطه سرعت برای محاسبه و انتخاب فلومتر

^فلو Q = ^{سطح مقطع} A × ^سرعت V

ویژگی ها

• گران قیمت
• ساختار پیچیده
• تعمیرات و نگهداری سخت
• در معرض فرسایش و آسیب های مکانیکی 
• ایجاد تلاطم زیاد
• دقت اندازه گیری بالا

2-5# رابطه اختلاف فشار برای محاسبه و انتخاب فلومتر

^فلو Q = ^ثابت K × ^{جذر اختلاف فشار ΔP√}

که جذر اختلاف فشار را به صورت ΔP√ نمایش می دهند.

ویژگی ها

• ارزان قیمت
• ساختار ساده
• تعمیرات و نگهداری کم
• فرسایش کم
• تنظیم و کالیبراسیون راحت
• ایجاد تلاطم کم
• دقت اندازه گیری متوسط

در اکثر سایت ها (غذایی، نفتی، صنایع) اولویت با استفاده از فلومتر های اختلاف فشاری است.

چون هزینه این تجهیزات کم بوده و نصب راحت تری هم دارند، همچنین از دقت قابل قبولی برخوردار هستند.

اما در مواقعی که دقت اندازه گیری برایمان خیلی مهم باشد، از روش های مبتنی بر سرعت استفاده می کنیم.

6# عدد رینولدز Reynolds

عدد رینولدز، بدون واحد (یکا) است.

عدد رینولدز در هر لحظه، حالت سیال را نشان می دهد و کاربرد آن در تعیین آرام یا آشفته بودن دبی (Flow) است.

اگر عدد رینولدز از حدی کمتر باشد، جریان آرام و اگر بیشتر باشد، جریان آشفته است.

بنابراین برای هر سیال در هر لحظه می توان عدد رینولدز را تعریف کرد.

1-6# تاثیر عدد رینولدز در محل نصب فلومتر

• اگر این عدد کوچکتر از 2000 باشد، سیال خطی (Laminar–linear) است.
• اگر این عدد بین 2000 یا 4000 باشد، سیال گذرا (Transient) است.
• و اگر بالاتر از 4000 باشد، سیال متلاطم است (Turbulent)

اگر جریان سیال یا به عبارت دیگر، رژیم سیال را شبیه به سهمی هایی در نظر بگیریم که پشت سر هم و به صورت یکنواخت حرکت می کنند، سیالی که متلاطم نباشد و
آرام داخل پایپ حرکت می کند را سیال Linear می نامند.

سیال های گذرا سیال هایی هستند که با حالت پالسی و یا Vibration (لرزش) کوچک در پایپ حرکت می کنند
(ضربه آنقدر قوی نیست که به پایپ نیرو وارد کرده و ضربه احساس شود).

و در نهایت در حالت متلاطم، سیال به پایپ ضربه وارد می کند و این ضربه ها عموما محسوس است.

حالت سیال از این جهت حائز اهمیت می باشد که برای برخی از تجهیزات اندازه گیری فلو، بایستی سیال عبوری با حالت خطی از داخل تجهیز عبور کند و
همچنین در برخی مواقع بایستی در فاصله ای مشخص بعد از فلومتر، سیال در حالت آرام قرار گیرد.

7# فلومتر ونتوری (venturi flow meter)

در این روش از یک وسیله ای شبیه به ساعت شنی استفاده شده و فلو با استفاده از آن محاسبه می گردد.

دو قسمت از پایپ را سوراخ کرده و با اندازه گیری اختلاف فشار، فلو را محاسبه می کنیم.

از دو نقطه 1 و 2، دو Tap را می گیریم و با دو استند کوچک، Tap را بالا می آوریم و
به آن ها تیوپ وصل کرده و به یک منیفولد 5 راهه وصل می کنیم.

سپس می توانیم آن را به ترانسمیتر وصل کرده و به راحتی می توان با محاسبات (در ادامه)، فلو را اندازه گیری کرد.

تذکر: اگر سیال عبوری گاز بود، انشعاب را از بالای پایپ (vertical upward) می گیریم؛ اگر مایع بود، از پایین لوله (vertical downward) و اگر بخار Steam باشد، به صورت افقی (horizontal) و
با توجه به مایع تر یا گاز تر بودن سیال، پس از عبور از condensate pot، آن را به بالا یا پایین می بریم.

البته در این شکل از Orifice (برای اندازه گیری فلو) استفاده شده است، که در مقاله زیر می توانید درباره آن مطالعه کنید.

ولیکن همان طور که مشاهده می کنید، بخار عبوری Heavy است.

بنابراین به صورت افقی انشعاب گرفته و سپس به Condensate pot رفته ایم.

سپس به علت غلیظ بودن بخار (مایع تر بودن)، لوله کشی به سمت پایین انجام شده است.

8# قابلیت های فلومتر ونتوری

• ونتوری (ونچوری) را به کمک دو فلنج که در ابتدا و انتهای آن قرار دارند، بر روی خط نصب می کنند.

• در ساخت آن، حداقل باید از SS316 استفاده شود. دقت کنید که این تجهیز Wetted part است.
• این روش تا رنج پایپ حدود “72 قابل ساخت و استفاده است.
  ولیکن در سایز های بزرگ (“12 به بالا)، ساخت این تجهیز سخت خواهد شد و
  همچنین به فضای زیادی نیز برای نصب این تجهیز نیاز است.
• Turn down Ratio این تجهیز بین 1:3 ~ 1:5 است.
• دقت اندازه گیری بین 1% ~ 2% است.
• روش ونتوری نسبت به تغییر عدد رینولدز حساسیت ندارد و هم در نمونه های Linear و هم Transient قابل استفاده است.

دقت کنید که در روش ونتوری، فلو به آرامی جمع شده (در نقطه گلویی) و سپس رها می شود.

پس از گلویی، تا فاصله 3D (هر D برابر با قطر لوله می باشد)، این تلاطم به حداقل می رسد و سیال به حالت عادی باز می گردد.

در نتیجه پس از 3D می توانید با خیالی راحت تر، المنت های اندازه گیری دیگر را بر روی خط نصب کنید.

• این روش محدودیتی از نظر سیال عبوری (گاز، مایع، بخار) ندارد.

ولیکن سیال عبوری نباید دارای ذرات و جامدات خیلی زیاد و با ابعاد بزرگ در داخل خود باشد.

در نمونه های متخلخل و partial، استفاده از فلومتر ونتوری توصیه نمی شود.

زیرا به مرور زمان، گلویی بسته شده (چوک می کند) و هیچ فلویی پاس (عبور) نخواهد شد.

9# اندازه گیری فلو با فلومتر ونتوری

از آنجایی که فلو در نقاط 1 و 2 از فلومتر ونتوری ثابت است لذا:

Q=A.V

A₁.V₁=A₂.V₂

فلو به این علت برابر است که تمام سیال عبوری از نقطه 1، از نقطه 2 نیز عبور می کند.

از آنجایی که A₂ < A₁ بنابراین، V₂ > V₁ می باشد.

برنولی رابطه ای را برای تمامی سیالات تراکم ناپذیر یا همان مایعات ثابت کرد که در تک تک نقاط، ثابت است.

(P/ρ.g +V²/2.g + h) = ثابت 

P₂ < P₁

تذکر مهم: بنابراین دقت کنید که به نقطه P₂ ، تیوب Low Pressure (منفی -/ L) و به نقطه P₁، تیوب High Pressure (مثبت +/ H) را متصل کنید.

این قانون بسیار شبیه به قانون اهم در برق است.

10# منحنی فشار در فلومتر ونتوری

1-10# نمودار تغییرات فشار در راستای لوله

اولین منحنی ای که مورد بررسی قرار می گیرد، منحنی تغییرات فشار در راستای لوله است.

Vena Contracta (نقطه شکست): نقطه ای است که در آن مینیمم فشار و ماکزیمم سرعت سیال رخ می دهد.

همانطور که از شکل فوق مشاهده می شود، در لوله ونتوری، فشار سیال پس از خروج از المان اندازه گیری تقریبا برابر با مقدار فشار ورودی است.

لوله ونتوری، افت فشار (Pressure Drop) کمی را در مسیر لوله ایجاد می کند.

و البته این افت فشار، بسیار کم بوده و بازگشت فشار به حالت قبلی، یکی از مهم ترین مزیت های این روش است.

2-10# نمودار تغییرات فلو برحسب اختلاف فشار

رابطه انرژی مکانیکی برای دو نقطه 1 و 2 عبارت است از :

M: جرم سیال

V: سرعت سیال

P: فشار سیال

K: مقدار ثابت

u=m.p میزان انرژی اتلافی ای است که پس از خروج سیال از لوله ونتوری، به صورت گرما آزاد می شود و
علت اصلی گرم تر بودن قسمت خروجی لوله ونتوری است.

در واقع همین انرژی اتلافی، علت اصلی PPL یا همان افت فشار همیشگی است.

رابطه فوق نشان می دهد که فلو با مجذور اختلاف فشار در دو سر ونتوری رابطه مستقیم دارد.

این رابطه اساس کارکرد و اندازه گیری فلو در ادواتی است که از اختلاف فشار، فلو را محاسبه می کنند.

مثال:

واحد فرآیند به ما گفته است که میزان فلو در نمونه ماکزیمم 3000 kg/h است و
همچنین ماکزیمم میزان ΔP را 500 mbar اعلام کرده است.

اکنون، میزان سیال عبوری در فشارهای مختلف کدام است؟ (در صورت امکان این مقادیر را بر روی جدول ترسیم کنید)

نکته: به یاد داشته باشید، وقتی می خواهید یک ترانسمیتر تهیه کنید بایستی قابلیت ریشه گیری داشته باشد.

بنابراین در دیتاشیت های ترانسمیترهای اختلاف فشار نوشته می شود Root extractor shall be supplied by vendor.

در جدول زیر میزان جریان ارسالی به اتاق کنترل به ازای فلوی عبوری از خط را مشاهده می کنیم:

11# گستره اندازه گیری Rangeability

ممکن است این واژه را با نام Turn down Ratio نیز شنیده باشید.

وقتی گفته می شود که Turn down Ratio یک تجهیز  1:10 (یک به ده) می باشد، یعنی
نسبت اندازه گیری در نمونه مینیمم به نمونه ماکزیمم، یک دهم است.

خب پس این تجهیز اگر حداقل بتواند فلوی 6m³/h را اندازه گیری کند، حتما در نمونه ماکزیمم، 60m³/h را اندازه گیری می کند.

بنابراین Turn down Ratio، از جمله مشخصات ساختاری و فیزیکی یک تجهیز می باشد و قابل تغییر نیست.

این نسبت در واقع ظرفیت یا Capacity یا حجم اندازه گیری تجهیز را نشان می دهد.