جریان
اندازه گیری جریان چیست؟
اندازه‌گیری جریان فرآیندی است که میزان جریان یک محیط خاص را تعیین می‌کند.
به عنوان مثال، جریان مایعات و گازها، یکی از متداول ترین متغیرهای اندازه گیری شده در صنعت فرآیند است.
در صنایع مختلف برای اهداف مختلف استفاده می شود. از کنترل متغیرهای ثانویه، مانند گرمایش با استفاده از کنترل جریان بخار، تا نظارت بر مصرف و صورتحساب. به طور خلاصه، جریان را می توان به عنوان حجم یا جرم تقسیم بر دوره زمانی تعریف کرد.
از نظر ریاضی، جریان را می توان به صورت زیر نشان داد:
جریان جرمی (Q) = جرم (کیلوگرم) ÷ زمان (s)
جریان حجمی (Q) = حجم (m 3 ) ÷ زمان (s)
همچنین در صورت اطلاع از سرعت سیال و سطح مقطع لوله، می توان دبی حجمی را در لوله یا کانال تعیین کرد که به موجب آن:
جریان حجمی (Q) = مساحت (m2 ) ∙ سرعت (m/s)
اگر چگالی سیال مشخص و ثابت باشد، می توان دبی جرمی را با ضرب آن در دبی حجمی بدست آورد.
جریان جرمی (Q) = جریان حجمی (m3 / s) ∙ چگالی (kg/ m3 )
برای مقایسه مستقیم، نرخ های حجمی اغلب به شرایط مرجع دما و فشار اصلاح می شوند.
انواع دبی سنج
بیشتر اصول اندازه‌گیری جریان یا بر اساس دینامیک سیال یا ویژگی‌های سیال مانند خواص حرارتی، صوتی و الکترومغناطیسی است.
با نرخ‌های جریان که به‌طور مستقیم یا غیرمستقیم از سایر کمیت‌های اندازه‌گیری شده اندازه‌گیری می‌شوند.
با توجه به خواص فیزیکی متفاوت بین مایعات و گازها، اندازه گیری جریان مایع و اندازه گیری جریان گاز اغلب به طور جداگانه در نظر گرفته می شوند.
بسته به نیازهای کاربردی، بین اندازه‌گیری جریان حجمی و اندازه‌گیری جریان جرمی تمایز قائل می‌شود. بسته به اصول اندازه گیری، فلومترها را می توان به روش های مختلفی نصب کرد: نصب درون خطی، درج یا نصب گیره.
دبی سنج های الکترومغناطیسی
دبی سنج های الکترومغناطیسی که به عنوان جریان سنج های القایی مغناطیسی یا به سادگی شناخته می شوند.
بر اساس قانون القایی فارادی عمل می کنند و معمولاً برای اندازه گیری جریان حجمی مایعات رسانا مانند آب، مواد شیمیایی یا نوشیدنی ها در انواع مختلف استفاده می شوند.
صنایع بدنه اندازه‌گیری بدون مانع عملاً هیچ افت فشاری ایجاد نمی‌کند .
و آن را به گزینه‌ای مناسب برای اندازه‌گیری محیط چسبناک متراکم تبدیل می‌کند و به دلیل مواد خیس‌شده خاص و طراحی آن، می‌توان از آن برای مایعات خورنده و ساینده نیز استفاده کرد.
فلومترهای الکترومغناطیسی با دو سیم پیچ میدانی ساخته می شوند که در طرف مقابل لوله اندازه گیری نصب می شوند و میدان مغناطیسی تولید می کنند.
هنگامی که مایع از میدان عبور می کند، ولتاژی را القا می کند که توسط یک جفت الکترود اندازه گیری می شود.
ولتاژ القایی به طور مستقیم با سرعت جریان متناسب است.
با توجه به اصل اندازه گیری کاربردی، مغناطیس سنج ها فقط می توانند مایعات رسانا را اندازه گیری کنند و برای مایعات غیر رسانا مانند روغن ها، هیدروکربن ها یا آب غیر معدنی، فوق خالص و مقطر مناسب نیستند.
مزایا جریان سنج الکترومغناطیسی
- دقت بالا
- راه اندازی ساده
- بدون افت فشار
- طیف گسترده ای از اندازه های موجود است
- اندازه گیری جریان دو جهته
معایب دبی سنج های الکترومغناطیسی
- فقط برای مایعات رسانا مناسب است
- برای دماهای بالا مناسب نیست
دبی سنج کوریولیس
فلومترهای کوریولیس یکی از همه کاره ترین، پیشرفته ترین و دقیق ترین فلومترهای موجود است که بر اساس اثر کوریولیس کار می‌کند.
همانطور که برای اولین بار توسط دانشمند فرانسوی، Gaspard-Gustave de Coriolis، در سال ۱۸۳۵ ساخته شد .
چگالی و دما و همچنین می تواند متغیرهای دیگری مانند جریان حجمی، غلظت و ویسکوزیته را محاسبه کند .
آنها اغلب در برنامه هایی استفاده می شوند که نیاز به دقت و اطمینان بالایی دارند، به عنوان مثال کاربردهای دوز در صنایع غذایی و آشامیدنی و داروسازی، یا انتقال حضانت در صنایع شیمیایی و نفت و گاز.
فلومترهای کوریولیس بسته به سازنده و مدل می توانند طرح های مختلفی داشته باشند، با این حال، همه آنها از یک اصل اساسی پیروی می کنند.
یک سیم پیچ محرک لوله حسگر را در فرکانس تشدید تحریک می کند، در حالی که یک جفت پیکاپ در ورودی و خروجی نصب شده است.
لوله فرکانس لوله نوسانی را اندازه می گیرد. هنگامی که جریان وجود ندارد، هر دو انتهای لوله به طور همزمان نوسان می کنند.
به محض وجود جریان در لوله، به دلیل حرکت لوله ناشی از سیم پیچ محرک، حرکت سیال یک پیچش متناوب را در لوله تحمیل می کند و یک تغییر فاز در حرکت هر دو انتهای لوله توسط دستگاه تشخیص داده می شود.
پیکاپ ها سپس جریان جرمی با اختلاف زمانی بین پاسخ های ورودی و خروجی متناسب است.
فرکانس تشدید لوله به چگالی سیال بستگی دارد :
هر چه چگالی بیشتر باشد فرکانس تشدید کمتر خواهد بود.
با در نظر گرفتن این ویژگی، فلومترهای کوریولیس چگالی مایعات را نیز به دقت اندازه گیری می کند و با چگالی اندازه گیری شده، می توان دبی حجمی را نیز محاسبه کرد.
یک سنسور دمای داخلی به دبی سنج Coriolis کمک می کند تا مقادیر غلظت خاصی مانند Brix، Plato، Baumé و API را محاسبه کند.
چنین فناوری پیشرفته ای در مقایسه با سایر فناوری ها هزینه بالایی دارد، با این حال، به دلیل افزایش دقت و بهره وری که این نوع دستگاه می تواند به همراه داشته باشد، سرمایه گذاری در طول زمان هزینه خود را پرداخت می کند.
مزایا جریان سنج کوریولیس
- یکی از دقیق ترین فناوری ها
- اندازه گیری جریان جرمی مایعات و گازها
- اندازه گیری چند متغیره
- مناسب برای شرایط فرآیند دما و فشار شدید
- اندازه گیری جریان دو جهته
معایب جریان سنج کوریولیس
- هزینه سرمایه گذاری اولیه بالا
- کاهش فشار بسته به طراحی لوله
فلومتر التراسونیک
فلومترهای التراسونیک جریان سنج های حجمی هستند که معمولاً دارای طراحی گیره ای هستند که به صورت خارجی در دیواره لوله نصب می شوند و هیچ تماسی با رسانه اندازه گیری شده ندارند .
رایج ترین کاربرد این نوع دبی سنج، اندازه گیری آب است، به ویژه در لوله های بزرگ که در آن سایر فناوری ها پرهزینه می شوند.
آنها همچنین در صنایع آب و فاضلاب محبوب شده اند، با این حال، آنها همچنین کاربردهای دیگری دارند و برخی از مدل ها حتی برای اندازه گیری گاز طراحی شده اند.
فلومتر التراسونیک می تواند جایگزین خوبی برای فلومترهای الکترومغناطیسی باشد، به عنوان مثال در مورد رسانه های غیر رسانا و برای قطر لوله های بزرگتر.
از آنجایی که سنسورهای فلومتر اولتراسونیک گیره دار در تماس با رسانه قرار نمی گیرند ، می تواند گزینه خوبی برای سیالات خورنده و خطوط فشار بالا باشد .
علاوه بر این، اغلب برای مقاوم سازی بدون وقفه در فرآیند یا به عنوان متر قابل حمل برای اندازه گیری موقت، به عنوان مثال، برای ممیزی یا اعتبارسنجی جریان استفاده می شود.
مزایا جریان سنج اولتراسونیک
- مستقل از رسانایی سیال، ویسکوزیته یا فشار
- بدون افت فشار
- نسخه گیره دار: راه حل غیر نفوذی و اقتصادی برای اندازه لوله های بزرگ
معایب جریان سنج اولتراسونیک:
- ورودی و خروجی طولانی مورد نیاز است
- به سیالات دو فاز حساس است
دبی سنج جرمی حرارتی
فلومترهای جرمی حرارتی بر اساس اصل پراکندگی حرارتی کار می کنند که به قانون کینگ نیز معروف است، به موجب آن یک سیال متحرک گرما را از منبع گرما دور می کند.
این نوع دبی سنج معمولاً به عنوان یک متر هوای فشرده و همچنین برای انواع گازها استفاده می شود، زیرا در مقایسه با دیگر دبی سنج های جرمی مانند کوریولیس، فناوری قابل اعتماد و در عین حال ارزانی است.
ساختار جریان سنج حرارتی بسته به سازنده می تواند متفاوت باشد، اما به طور کلی از دو سنسور دما تشکیل شده است.
یک سنسور به عنوان سنسور مرجع عمل می کند و دمای سیال را اندازه گیری می کند.
در حالی که سنسور دوم توسط جریان الکتریکی گرم می شود و اختلاف دمای ثابتی بین سنسور مرجع و سنسور گرم شده ایجاد می کند.
به محض وجود جریان در لوله، مقداری از گرما توسط سیال انجام می شود و عنصر گرم شده را خنک می کند.
سپس قطعات الکترونیکی جریان بیشتری را به سنسور گرم می دهند و اطمینان حاصل می کنند که اختلاف دما همیشه ثابت می ماند.
سپس جریان جرمی را می توان بر اساس مصرف جریان سنسور گرم شده محاسبه کرد.
خواص حرارتی سیال باید برای فرستنده جریان شناخته شود، زیرا خواص حرارتی هر سیال متفاوت است که بر اندازه گیری تأثیر می گذارد.
متداول ترین گازهای مورد استفاده در صنایع مختلف از قبل در اکثر کنتورهای جریان حرارتی از پیش تنظیم شده اند.
مزایا جریان سنج جرمی حرارتی
- اندازه گیری جریان جرم مستقیم
- افت فشار ناچیز
- نوع درج می تواند با لوله های بزرگ مقرون به صرفه باشد
معایب دبی سنج جرمی حرارتی
- مستعد عدم دقت به دلیل رطوبت گاز است
- مستعد عدم دقت به دلیل تغییر ترکیب گاز
دبی سنج توربین
دبی سنج های توربین، دبی سنج های حجمی هستند و یکی از شناخته شده ترین فناوری های اندازه گیری جریان هستند.
دبی سنج توربین را می توان برای اندازه گیری جریان حجمی مایع و گاز استفاده کرد که جایگزین خوبی در هنگام کار با مایعات نارسانا مانند روغن است.
دبی سنج های توربین اصول کار نسبتاً ساده ای دارند که شامل یک روتور با پره های نصب شده بر روی یک یاتاقان است که در داخل متر توسط یک شفت مرکزی پشتیبانی می شود.
هنگامی که جریان در لوله وجود دارد، انرژی جنبشی سیال باعث چرخش روتور می شود
حرکت تیغه ها توسط یک سنسور حرکت تشخیص داده می شود و پالس های الکترونیکی تولید می کند که با کمیت حجم مطابقت دارد. سپس نرخ جریان حجمی با فرکانس پالس متناسب است .
دبی سنج های توربین که به عنوان جریان سنج پروانه نیز شناخته می شوند، اغلب به عنوان گونه ای از فلومتر توربین در نظر گرفته می شوند که معمولاً برای کاربردهای ساده مانند اندازه گیری جریان آب استفاده می شود.
به جای توربین ها، دبی سنج ها مجهز به یک چرخ دستی هستند که با نیروی ناشی از جریان سیال می چرخد.
چرخش چرخ پارویی متناسب با سرعت جریان است. حرکت پاروها توسط یک سنسور حرکت تشخیص داده می شود و پالس های الکترونیکی تولید می کند که با کمیت حجم مطابقت دارد.
در مدل‌های ساده‌تر، چرخ دستی مجموعه‌ای از چرخ دنده‌ها را حرکت می‌دهد که با تغییر ارقام شمارش عمل می‌کنند. در این نسخه، دستگاه کاملاً مکانیکی است و نیازی به منبع تغذیه ندارد.
مزایا دبی سنج توربین
- دقت و تکرارپذیری بالا
- مستقل از رسانایی سیال
- ساخت و ساز ساده با قیمت پایین
معایب دبی سنج توربین
- کاهش فشار
- قطعات متحرک ممکن است در طول زمان فرسوده شوند
- محدودیت های ویسکوزیته سیال
فلومترهای گردابی
فلومترهای گردابی دبی سنج های حجمی با کاربردهای وسیعی از اندازه گیری جریان آب تا گاز هستند.
با این حال، به دلیل مقاومت در برابر دما و فشار بالا، آنها به طور گسترده ای در برنامه های اندازه گیری جریان بخار استفاده می شوند . رایج ترین کاربرد برای این نوع دبی سنج است.
فلومترهای گردابی بر اساس اصل ریزش گردابی کار می کنند، جایی که یک سیال از کنار مانعی که به عنوان بدنه بلوف شناخته می شود، جریان می یابد، بنابراین مناطق کم فشار پشت بدنه بلوف تولید می شود و گرداب های پراکنده در دو طرف بدنه بلوف تشکیل می شود.
سنسوری که بعد از بدنه بلوف نصب می‌شود، فرکانس تشکیل گرداب‌ها را اندازه‌گیری می‌کند و سپس سرعت جریان و سرعت جریان حجمی با فرکانس وقوع گرداب‌ها متناسب است .
فلومترهای گردابی می توانند دبی مایعات و گازها را اندازه گیری کنند.
با این حال، به حداقل سرعت جریان نیاز دارد تا بتوان گرداب ها را تشکیل داد.
دبی سنج های گردابی دبی سنج های حجمی هستند، اما با کمک سنسورهای دما و فشار می توانند دبی جرمی گازها و بخار را محاسبه کنند . برخی از مدل ها حتی دارای سنسورهای یکپارچه دما و فشار هستند.
مزایا فلومتر گردابی
- راه حل مقرون به صرفه و قابل اعتماد برای اندازه گیری بخار
- مقاومت در برابر دمای بالا
- مستقل از هدایت الکتریکی سیال
معایب فلومتر گردابی
- برای مایع با ویسکوزیته بالا مناسب نیست
- قطر لوله محدود
- به حداقل سرعت جریان نیاز دارد
- اندازه گیری جریان تک جهتی
دبی سنج فشار دیفرانسیل
دبی سنج های فشار دیفرانسیل، که معمولا به عنوان DP متر نامیده می شود.
یکی از رایج ترین و همه کاره ترین روش های اندازه گیری جریان هستند که برای اندازه گیری حجمی جریان مایعات، گازها و بخار مناسب اند.
آنها از اختلاف فشار ناشی از عناصر اولیه مانند صفحات روزنه، نازل ها، لوله های ونتوری، لوله های پیتوت و غیره استفاده می کنند.
یکی از زمینه های اصلی کاربرد اندازه گیری بخار و میعانات در دماهای بالا است .
لوله های پیتوت برای موقعیت هایی که افت فشار نامطلوب است یا برای قطر لوله های بزرگ مناسب تر هستند.
عناصر اولیه محدود کننده، مانند صفحات روزنه و لوله های ونتوری، باعث افت فشار در خط می شوند.
با اندازه گیری فشار قبل و بعد از محدودیت. سپس می توان جریان حجمی را تعیین کرد.
اشکال و انواع مختلف عنصر اولیه محدود کننده را می توان برای کاربردهای مختلف استفاده کرد.
متداول ترین نوع، صفحه روزنه ای است که می تواند اشکال و طرح های متنوعی نیز داشته باشد.
عناصر اولیه نوع درج، مانند لوله های Pitot، فشار دینامیکی را اندازه گیری می کنند.
این مجموع فشار استاتیک خط به اضافه فشار اعمال شده توسط حرکت سیال بر روی عنصر حسگر است، در حالی که اندازه گیری جداگانه فقط فشار استاتیک را به تنهایی انجام می دهد.
سرعت جریان و جریان حجمی را می توان بر اساس اختلاف فشار بین دو نقطه اندازه گیری محاسبه کرد.
به دلیل طراحی آن، عناصر اولیه نوع درج نیز باعث کاهش فشار می شود. با این حال، برای مثال، از افت فشار ناشی از یک صفحه روزنه کمتر است.
مزایا دبی سنج فشار دیفرانسیل
- هزینه کمتر در مقایسه با سایر فناوری ها
- اندازه گیری مایعات، گازها و بخار
- مقاومت در برابر دما و فشار بالا
- عناصر اولیه مقاوم بدون قطعات متحرک
- معایب دبی سنج های فشار دیفرانسیل
- کاهش فشار
- نصب می تواند در مقایسه با سایر فناوری ها پیچیده تر باشد
- دقت پایین تر در مقایسه با سایر فناوری ها
چگونه یک فلومتر مناسب را انتخاب کنیم؟
تعداد طرح‌ها و فناوری‌ها و کاربردهای متنوع می‌تواند انتخاب فلومتر را پیچیده تر کند و انتخاب آن تحت تأثیر عوامل مختلفی قرار می‌گیرد .
اول، درک مسئله اندازه گیری یا وظیفه اندازه گیری، به عبارت دیگر، چرایی نیاز به دبی سنج بسیار مهم است.
وظایف معمولی عبارتند از:
- نظارت
- کنترل
- دوز یا پر کردن
- بچینگ و سوئیچینگ
چندین مورد از الزامات قرار داده شده بر روی یک فلومتر را می توان از یک کار خاص استخراج کرد، به عنوان مثال، برنامه های بچینگ نیاز به دقت بالایی دارند و عملکردهای دسته ای خاصی مورد نیاز است.
برای کنترل وظایف، دقت به خطر افتاده قابل تحمل است، اما تکرارپذیری اندازه‌گیری بالا یک نیاز است.
موارد مهم در انتخاب فلوتر
پس از تعیین وظیفه اندازه گیری، ملاحظات یا الزامات اساسی زیر بر انتخاب فلوتر شما تأثیر می گذارد:
مایعی که باید اندازه گیری شود چیست؟
انتخاب دبی سنج در درجه اول بر اساس سیالی است که باید اندازه گیری شود.
برخی از فناوری‌ها بسته به نوع سیال، بهتر از سایرین عمل می‌کنند، در حالی که برخی از آنها اصلاً برای سیالات خاص کار نمی‌کنند، برای مثال، فلومترهای الکترومغناطیسی برای اندازه‌گیری جریان گاز کار نمی‌کنند.
با در نظر گرفتن این موضوع، مهم است که بررسی کنید که آیا فناوری فلومتر با برنامه سازگار است یا خیر .
شرایط فرآیند چیست؟
درک شرایط فرآیندی که فلومتر در آن نصب می شود، مهم است، مانند: سرعت جریان مورد انتظار، دمای فرآیند و فشار فرآیند . فلومتر باید مطابق با این شرایط اندازه گیری شود تا از عملکرد و دوام خوب اطمینان حاصل شود.
فلومتر در کجا قرار است نصب شود؟
شرایط نصب نیز می تواند در انتخاب دبی متر نقش داشته باشد. مهم است که از قطر لوله، اتصال فرآیند، ورودی و خروجی و وجود منابع اختلال در جریان ، مانند شیرهای کنترل، اتصالات، پمپ ها و غیره آگاه باشید.
شرایط محیط چگونه است؟
شایان به ذکر است که آیا قرار است دبی سنج در مکانی قابل دسترس نصب شود که کارگران به راحتی به آن دسترسی داشته باشند یا خیر. دمای محیط، رطوبت، گرد و غبار و قرار گرفتن در معرض آب و هوا نیز باید در نظر گرفته شود.