دبي سنج (Flow Meter)

[spow 44197]

دبي سنج (Flow Meter)

 

دبي سنج ها در دو نوع اساسي تقسيم بندي مي شوند : دبي سنج هايي كه در مسير جريان مي باشند و دبي سنج هايي كه از لوله منشعب شده اند . هد متر ها يا دبي سنج ها اختلاف فشاري رايج ترين نوع وسايل اندازه گيري جريان در صنعت مي باشند . مبناي محاسبه دبي در اين نوع دبي سنج ها بر اساس سنجش سرعت سيال و سپس توليد سيگنالي متناسب با سرعت سيال است.

مقدمه :

اندازه گيري جريان يكي از مهمترين جنبه هاي كنترل فرآيند است و در حقيقت رايج ترين پارامتر اندازه گيري فرآيند مي باشد . دبي سنج ها براي تعيين مقدار سيال عبوري از لوله به كار مي روند. جريان عموماَ توسط اندازه گيري سرعت در يك سطح مقطع مشخص اندازه گيري مي شود و دبي حجمي با رابطه ساده QV = A * V بدست مي آيد. در اينجا A سطح مقطع لوله و V سرعت سيال است. از عوامل موثر بر دبي جريان در لوله عبارتند از : سرعت سيال ، اصطكاك سيال در تماس با لوله ، ويسكوزيته و دانسيته سيال . سرعت سيال به هد فشار بستگي داشته و توسط نيروي جريان درون لوله ايجاد مي شود. هد فشار بيشتر مسبب دبي بيشتر و متعاقباً دبي حجمي بزرگتر مي شود. اندازه لوله نيز بر دبي جريان موثر است براي مثال دو برابر كردن قطر لوله دبي جريان را چهار برابر مي كند. اصطكاك در لوله باعث كاهش دبي سيال درون لوله شده و لذا به عنوان يك فاكتور منفي در نظر گرفته مي شود و دبي سيال در نزديكي ديواره لوله را كاهش مي دهد، لوله صاف و تميز باعث كاهش تاثير اصطكاكي بر دبي سيال مي شود.

ويسكوزيته نيز بر دبي جريان تاثير منفي دارد، ويسكوزيته مايعات با افزايش دما كاهش مي يابد ولي در بعضي ديگر ، از يك حد دمايي به بعد شروع به افزايش مي كند. در كل مي توان گفت ويسكوزيته زيادتر سيال منجر به دبي كمتر جريان مي شود.

 

شرح و توصيف :

از عوامل موثر بر انتخاب دبي سنج ها دقت و اطمينان پذيري مي باشد، اندازه گيري غير دقيق منجر به خسارت به تجهيزات و محصولات كارخانه مي شود و با اندازه گيري دقيق مي توان مقدار توزيع و يا تركيب سيالات را مشخص كرده و دقيقاَ سود و زيان توليد را محاسبه كرد.

دبي سنج ها در دو نوع اساسي تقسيم بندي مي شوند : دبي سنج هايي كه در مسير جريان مي باشند و دبي سنج هايي كه از لوله منشعب شده اند . انتخاب دبي سنج مناسب مستلزم شناخت شرايط عملياتي فرآيند و نيازمندي هاي عملكرد تجهيزات است. شرايط عملياتي فرآيند ها شامل مواردي چون تخمين دبي حداكثر و حداقل فرآيند ، دما و فشار عملكرد و خواص فيزيكي اعم از ويسكوزيته ، دانسيته ، فرسايش و خوردگي مي باشند. از معيار هاي ديگر انتخاب دبي سنج ها در فرآيند ها توجه به مزايا و عيوب آنها مي باشد . مزايا و عيوب دبي سنج ها بر اساس معيار هايي چون دقت ، قابل اعتماد بودن ، قيمت خريد ، هزينه نصب ، هزينه مالكيت ، سهولت استعمال ، قابليت اندزه گيري دبي مايع ، بخار و گاز ، محدوديت پذيري ، تكرار پذيري ، قابليت نگهداري ، حساسيت به لرزش ، افت فشار ، وجود اندازه هاي مختلف و ... مي باشد.

هر دبي سنج ، داراي يك سري مشخصه ها و مزاياي خاص خود است و با پيشرفت در توليد فرآيند ها و مواد ، مطالبات جديدي به روي اين گونه وسايل گشوده است .

انواع گوناگون دبي سنج

 

دبي سنج ها را مي توان بر اساس تكنولوژي به كار رفته در آنها طبقه بندب نمود، لذا دسته بندي كلي دبي سنج ها به صورت زير مي باشد :

 

1. دبي سنج هاي فشاري (Head Meters)
   
2. دبي سنج هاي سرعتي (Velocity Meters)
   
3. دبي سنج هاي جرمي (Mass Meters)
   
4. دبي سنج هاي جابجايي مثبت (Positive Displacement Meters)
   

يكي ديگر از دسته بندي هاي رايج دبي سنج ها به صورت زير مي باشد :

 

• دبي سنج هاي اختلاف فشاري
  
• دبي سنج هاي مكانيكي
  
• دبي سنج هاي الكترونيكي
  
• دبي سنج هاي جرمي
  

ما در اينجا دسته بندي اول را براي شرح انواع دبي سنج ها به كار مي گيريم.

بعضي از دبي سنج ها دبي جريان را مستقيماَ و بدون واسطه گزارش مي دهند ، دبي سنج هاي جرمي از اين نوع هستند در حاليكه دبي سنج هاي حجمي بدين گونه نبوده و به طور غير مستقيم توسط اندازه گيري افت فشار يا سرعت سيال و يا ... دبي را گزارش مي دهند.

[spow 44197]

دبي سنج فشاري (Head Meter)

 

هد متر ها يا دبي سنج ها اختلاف فشاري رايج ترين نوع وسايل اندازه گيري جريان در صنعت مي باشند و به طور غير مستقيم ، دبي سيال را به كمك افت فشار ايجاد شده در سيال توسط يك مانع مرتبط با نوع هدمتر مورد استفاده و قطر لوله ، افت فشار به دبي حجمي تبديل مي شود. از معادله پيوستگي با فرض ثابت بودن دانسيته سيال ( سيال تراكم ناپذير ) خواهيم داشت :

QV = V1A1 = V2A2

اين معادله يكي از مهترين روابط در مكانيك سيالات است و بيانگر آن است كه كاهش قطر لوله سيالات پايا و يكنواخت ، منجر به افزايش سرعت سيال مي شود. علاوه بر اين ، در تبديل انرژي به كمك معادله برنولي مشاهده خواهد شد كه هد فشار كل (H) در طول جريان ثابت مي ماند .

اولين جمله اين معادله هد پتانسيل ناميده مي شود و جمله دوم معروف به هد سرعت يا انرژي جنبشي مي باشد. به دليل ثابت بودن مجموع انرژي پتانسيل و جنبشي ، واضح است كه افزايش سرعت همراه با كاهش انرژي پتانسيل است. اساس تمامي هدمتر ها مبتني بر اين رابطه بين سرعت و فشار مي باشد.

مدل هاي متداول اين دسته دبي سنج ها در زير شرح داده شده است :

[spow 44197]

اريفيس (Orifice Plate)

 

محبوبترين و متداول ترين وسيله اندازه گيري جريان مي باشد. اساس كار آن بدين گونه است كه اختلاف فشاري كه در طول اين وسيله توسط يك صفحه واقع در خط فرآيند ايجاد شده است اندازه گيري مي شود تا دبي جريان تعيين شود.

سه نوع متداول Orifice Plate وجود دارد كه عبارتند از : هم مركز ، مختلف المركز و قطعه اي (Segmental ) . اريفيس پليت هم مركز ساده ترين و ارزانترين هدمتر است (شكل 1) .

 

شكل 1- نمايي از اريفيس پليت

 

اريفيس پليت مشابه عملكرد وسايل ابتدايي ، به منظور توليد افت فشار ، جريان سيال را در طول مسير خودش به هم مي فشرد؛ نتيجه آن كه فشار سيال در ابتداي جريان بيشتر از فشار جريان در انتهاي جريان مي باشد. افت فشار ايجاد شده متناسب با مجذور سرعت سيال است.

مزيت اصلي اين وسيله نداشتن قطعات متحرك و قيمت پايين آن مي باشد (خصوصاً آنكه با اندازه لوله افزايش نمي يابد ) و به خوبي جريان هاي در هم تميز را اندازه گيري مي كنند. دقت اندازه گيري اين وسيله به چگونگي نصب ، نسبت سطح لوله و خواص سيال بستگي دارد و بايد در لوله هاي مستقيم نصب شود.

 

 

شكل 2- نمايي از اريفيس پليت

[spow 44197]

ونتوري (Venturi Tube)

 

دبي سنج ونتوري شامل يك قسمت ورودي مخروطي شكل همگرا مي باشد كه در طول آن سطح مقطع جريان كاهش مي يابد. قسمت واگراي ونتوري فشار سيال را به حالت اوليه بر مي گرداند. از افت فشار ايجاد شده در قسمت همگراي دبي سنج مي توان دبي جريان را بدست آورد. گلوگاه استوانه اي ونتوري مكان اندازه گيري افت فشار ايجاد شده در واحد سطح مي باشد.

ونتوري تيوب ها در موردي كه نياز به افت فشار كم و دقت بالاي اندازه گيري است استفاده مي شوند و عمدتاً در لوله هاي قطور ، شبيه مواردي كه در صنايع آب و فاضلاب يافت مي شود به كار مي روند. زيرا شيب ملايم آن به جامدات معلق در مايع اجازه حركت مي دهد. لذا براي اندازه گيري پساب ها و دوغاب ها ( يابه عبارتي مايعات ويسكوز يا حاوي مقدار زيادي از جامدات چسبناك ) مناسب مي باشند. عيب اصلي آن قيمت زياد ان مي باشد و دقت آن نسبت به اريفيس كمتر است مگر آنكه جريان كاليبره شده باشد.

 

شكل 3- نمايي از ونتوري تيوب

 

شكل 4- نمايي از ونتوري تيوب

[spow 44197]

نازل جريان (Flow Nozzle)

 

نازل هاي جريان ممكن است به عنوان ونتوري تيوب تغيير يافته تلقي شوند. دهنه نازل يك مانع بيضوي شكل در برابر جريان است و خروجي آن هيچ سطحي براي بازيافت فشار ندارد. Tap هاي فشار در فاصله اي حدود نصف قطر لوله را در خروجي و در فاصله اي به اندازه تمام قطر را در ورودي لوله گرفته اند.

نازل جريان ، براي سنجش دبي جريان هاي سرعت بالا به كار مي رود ( عدد رينولدز بالاي 50000) .

افت فشار نازل جريان ، بين افت فشارهاي ونتوري تيوب و اريفيس پليت است ( 30 الي 95 در صد) .

 

شكل 5- نمايي از نازل جريان

 

شكل 6- نمايي از نازل جريان

[spow 44197]

لوله پيتوت (Pitut Tube)

 

لوله هاي پيتوت (پيتوت تيوب ) وسيله اي جهت اندازه گيري سرعت محلي (local ) جريان است. پيتوت تيوب ها شامل دو لوله مي باشند كه يكي به نام Static Tube در راستاي جهت جريان است. دو پايه تيوب ها توسط پايه هاي يك مانيتور ( يا يك وسيله معادل جهت اندازه گيري اختلاف فشار ) به هم وصل شده اند. Static Tubes به دليل آن هيچ گونه مولفه سرعتي عمود بر سطح مقطع آن وجود ندارد فشار استاتيكي را اندازه گيري مي كند . بر حسب هد مي توان گفت Impact Tube هد فشار استاتيكي به اضافه هد سرعت را اندازه گيري مي كند. اختلاف فشار اندازه گيري شده در پيتوت تيوب متناسب با مجذور سرعت است :

پيتوت تيوب ها كاربرد محدودي در صنايع دارند. زيرا به راحتي توسط يك ماده خارجي مسدود مي شوند و دقت آنها به پروفايل سرعت كه اندازه گيري آن مشكل است بستگي دارد. كاربرد عمده آن ها اندازه گيري سرعت جريان هواي كم سرعت در سيستم هاي تهويه است و بيشتر براي اندازه گيري دبي گازها به كار مي روند .

 

 

 

 

شكل 7- نمايي از پيتوت تيوب

 

 

 

شكل 8- نمايي از پيتوت تيوب

[spow 44197]

تارگت متر (Target Meter)

 

شامل يك ديسك يا Target مي باشد كه در مركز لوله قرار گرفته است ( شكل 9). سطح ديسك با يك زاويه مناسب نسبت به جريان قرار دارد. سنجش دبي جريان يه طور مستقيم توسط نيرويي كه سيال به ديسك وارد مي كند انجام گيرد. اين نوع دبي سنج براي پساب ها و سيالات خورنده مناسب مي باشد و در ضمن به هيچ گونه اتصالات خارجي اعم از آب بندها (Seal ) يا سيستم هاي Purge احتياج ندارد. براي تعيين اندازه بهينه ديسك و كاليبره كردن آن به منظور كاركرد مناسب اطلاعات زيادي مورد نياز است.

 

شكل 9- نمايي از دبي سنج تارگت

 

شكل 10- نمايي از دبي سنج تارگت

[spow 44197]

زانويي متر (Elbow Tap Meter )

 

اين دبي سنج به كمك يك زانويي 45 درجه درون جريان سيال كار مي كند. Tap فشار بالا از بيرون زانويي گرفته مي شود و Tap فشار پايين از داخل زانويي گرفته مي شود كه اختلاف فشاري متناسب با دبي جريان ايجاد مي كند. اندازه گيري اختلاف فشار به نيروي گريز از مركز سيال جاري در زانويي وابسته است.

از اين رو گاز به دليل دانسيته پايين براي اين دبي سنج ها مناسب نيست و همچنين انحناي كم در زانويي ، اختلاف فشار بزرگتري را نسبت به انحناي طولاني ايجاد مي كند. افت فشار يك Elbow Tap از يك زانويي بيشتر نمي باشد. دقت Elbow Tap Meters حدود 5 ± درصد مي باشد.

[spow 44197]

روتامتر (Rotameter)

 

روتامتر ها ( يا دبي سنج هاي سطح متغير ) عمدتاً از يك لوله شيشه اي كه قطر آن با شيب ملايم كم مي شود ساخته شده اند و به طور عمودي نصب شده و جريان به آن وارد مي شود ( شكل 11).

جسم شناوري كه به اندازه پايه لوله شيشه اي است درون آن قرار گرفته و متناسب با مقدار جريان به سمت بالا حركت مي كند. به دليل آن كه قطر لوله در بالا نسبت به پايين آن بزرگتر است جسم شناور در نقطه اي از لوله شيشه اي نسبت به كف آن قرار مي گيرد كه اختلاف فشار بين سطوح بالايي و پايين با وزن جسم شناور به تعادل برسد. در اكثر كاركرد هاي روتامتر، دبي مستقيماً از درجه بندي هايي كه روي لوله شيشه اي نوشته شده است خوانده مي شود.

در بعضي موارد يك سنسور اتوماتيك ارتفاع جسم شناور را اندازه مي گيرد. اين گونه روتامترها اغلب از فولاد يا ديگر مواد مقاوم در برابر سيالات فشار بالا ساخته مي شوند. روتامتر ها ممكن است در اندازه اي 25/0 اينچ تا اندازه هاي 6 اينچ باشند و نسبت به اريفيس پليت گستره وسيعتري از جريان را با دقت 2 ± درصد را اندازه مي گيرند. حداكثر فشار عملكرد آنها موقعي كه از شيشه ساخته شده باشند psig 300 مي باشد.

 

شكل 11- نمايي از دبي سنج روتامتر

 

شكل 12- نمايي از دبي سنج روتامتر