آشنایی با انواع مختلف دبی سنج در صنایع
در این مطلب می خواهیم شما را با انواع مختلف دبی سنج آشنا کنیم. دبی سنج یا فلومتر وسیله ای است که برای اندازه گیری حجم یا جرم گازها و سیالات عبوری در واحد زمان، مورد استفاده قرار می گیرد. دبی سنج ها را می توان بر اساس تکنولوژی به کار رفته در آنها طبقه بندى نمود، لذا دسته بندی کلی دبی سنج ها به صورت زیر می باشد:
- دبی سنج های فشاری (Head Meters)
- دبی سنج های سرعتی (Velocity Meters)
- دبی سنج های جرمی (Mass Meters)
- دبی سنج های جابجایی مثبت (Positive Displacement Meters)
دیگر دسته بندی های رایج دبی سنج ها:
- دبی سنج های اختلاف فشاری
- دبی سنج های مکانیکی
- دبی سنج های الکترونیکی
- دبی سنج های جرمی
در ادامه به توضیح هر کدام پرداخته می شود.
دبی سنج های فشاری (Head Flow meters)
هد متر ها یا دبی سنج های اختلاف فشاری رایج ترین نوع وسایل اندازه گیری جریان در صنعت می باشند و به طور غیر مستقیم ، دبی سیال را به کمک افت فشار ایجاد شده در سیال توسط یک مانع مرتبط با نوع هدمتر مورد استفاده و قطر لوله ، افت فشار به دبی حجمی تبدیل می شود.
از معادله پیوستگی با فرض ثابت بودن دانسیته سیال ) سیال تراکم ناپذیر ( خواهیم داشت:
این معادله یکی از مهمترین روابط در مکانیک سیالات است و بیانگر آن است که کاهش قطر لوله سیالات پایا و یکنواخت ، منجر به افزایش سرعت سیال می شود. علاوه بر این، در تبدیل انرژی به کمک معادله برنولی مشاهده خواهد شد که هد فشار کل (H) در طول جریان ثابت می ماند.
اولین جمله این معادله هد پتانسیل نامیده می شود و جمله دوم معروف به هد سرعت یا انرژی جنبشی می باشد. به دلیل ثابت بودن مجموع انرژی پتانسیل و جنبشی ، واضح است که افزایش سرعت همراه با کاهش انرژی پتانسیل) است. اساس تمامی هدمتر ها مبتنی بر رابطه بین سرعت و فشار می باشد.
اساس کار دبی سنج های فشاری
بر اساس قانون برنولی و پیوستگی می توان دبی جریان را محاسبه نمود:
Co ضریب تخلیه که به نوع جریان (متلاطم یا آرام) ، وسیله انسداد و عدد رینولدز بستگی دارد.
بدلیل اصطکاک، دبی واقعی همیشه کمتر از دبی تئوری است.
مدل های متداول این دسته دبی سنج ها در زیر شرح داده شده است :
- اوریفیس
- ونتوری
- نازل جریان
- لوله پیتوت
- تارگت متر
- زانویی متر
- روتا متر
اوریفیس پلیت (Orifice Plate)
محبوبترین و متداول ترین وسیله اندازه گیری جریان می باشد. این وسیله به صورت صفحه ای است که روی آن سوراخی تعبیه شده است و در مسیر جریان سیال قرار داده می شود، وجود این قطعه باعث ایجاد افت فشاری در جریان سیال می شود که با اندازه گیری آن میزان جریان سیال قابل محاسبه است.
اوریفیس پلیت
مزایای اوریفیس ها:
- تهیه آسان و ارزان
- بازدید و نصب مجدد آسان و ارزان
- امکان اعمال تغییر مورد نظر در قطر گلوگاه
معایب اوریفیس ها:
- ایجاد افت فشار بیشتر نسبت به لوله ونتوری
- حساسیت بالا هنگام نصب
ونتوری متر (Venturi Tube):
دبی سنج ونتوری شامل یک ورودی مخروطی شکل همگرا می باشد که در طول آن سطح مقطع جریان کاهش می یابد. قسمت واگرای ونتوری فشار سیال را به حالت اولیه بر می گرداند. از افت فشار ایجاد شده در قسمت همگرای دبی سنج می توان دبی جریان را بدست آورد. گلوگاه استوانه ای ونتوری مکان اندازه گیری افت فشار ایجاد شده در واحد سطح می باشد.
لوله ونتوری
مزایای ونتوری متر:
- عمر طولانی
- مناسب برای سنجش مایعات سنگین، غلیظ و رسوب دار
معیاب ونتوری متر:
- قیمت بالا به دلیل دقت زیاد در تراش و صیقل جدار داخلی لوله ونتوری برای افزایش دقت
- عدم امکان تعمیر و مدرج نمودن مجدد به دلیل وقت گیری زیاد و هزینه
- بریدن قسمت قابل توجهی از طول لوله برای استفاده از ونتوری
- زیاد بودن حجم اشغال شده توسط ونتوری
- ثابت بودن سطح مقطع گلوگاه نسبت به سطح مقطع لوله اصلی
نازل جریان (Flow Nozzle):
نازل های جریان ممکن است به عنوان ونتوری تیوب تغییر یافته تلقی شوندکه اختلاف فشار قبل و و بعد نازل محاسبه شده و ازین طریق دبی جریان محاسبه می شود. دهنه نازل یک مانع بیضوی شکل در برابر جریان است و خروجی آن هیچ سطحی برای بازیافت فشار ندارد.
انواع نازل جریان
لوله پیتوت (Pitut Tube):
لوله های پیتوت (پیتوت تیوب ) وسیله ای جهت اندازه گیری سرعت محلی (local) جریان است. پیتوت تیوب ها شامل دو بخش می باشند که یکی به نام Static Tube در راستای جهت جریان است. دو پایه تیوب ها توسط پایه های یک مانیتور (یا یک وسیله معادل جهت اندازه گیری اختلاف فشار ) به هم وصل شده اند. Static Tube به دلیل آنکه هیچ گونه مولفه سرعتی عمود بر سطح مقطع آن وجود ندارد فشار استاتیکی را اندازه گیری می کند. بر حسب هد می توان گفت Impact Tube هد فشار استاتیکی به اضافه هد سرعت را اندازه گیری می کند. اختلاف فشار اندازه گیری شده در پیتوت تیوب متناسب با مجذور سرعت است.
لوله پیتوت
پیتوت تیوب ها کاربرد محدودی در صنایع دارند. زیرا به راحتی توسط یک ماده خارجی مسدود می شوند.
تارگت متر (Target Meter):
شامل یک دیسک یا Target می باشد که در مرکز لوله قرار گرفته است، سطح دیسک با یک زاویه مناسب نسبت fه جریان قرار دارد. سنجش دبی جریان یه طور مستقیم توسط نیرویی که سیال به دیسک وارد می کند انجام گیرد. این نوع دبی سنج برای پساب ها و سیالات خورنده مناسب می باشد و در ضمن به هیچ گونه اتصالات خارجی اعم از آب بندها (Seal) یا سیستم های پالایش (Purge) احتیاج ندارد. برای تعیین اندازه بهینه دیسک و کالیبره کردن آن به منظور کارکرد مناسب، اطلاعات زیادی مورد نیاز است.
تارگت متر
زانویی متر (Elbow Tap Meter):
این دبی سنج به کمک یک زانویی ۴۵ درجه درون جریان سیال کار می کند. Tap فشار بالا از بیرون زانویی گرفته می شود و Tap فشار پایین از داخل زانویی گرفته می شود که اختلاف فشاری متناسب با دبی جریان ایجاد می کند. اندازه گیری اختلاف فشار به نیروی گریز از مرکز سیال جاری در زانویی وابسته است. از این رو گاز به دلیل دانسیته پایین برای این دبی سنج ها مناسب نیست و همچنین انحنای کم در زانویی ، اختلاف فشار بزرگتری را نسبت به انحنای طولانی ایجاد می کند.
زانویی متر
سطح متغیر روتامتر (Rotameter):
روتامتر ساده ترین و متداول ترین وسیلۀ سنجش جریان مایعات و نیز گازهاست. این وسیله از یک شناور (با چگالی بیشتر از سیال) و یک ظرف معمولاً فلزی یا شیشه ای به صورت مخروط ناقص وارونه تشکیل شده است. شناور در داخل ظرف قرار دارد. نصب بدنه روتامتر به صورت عمودی و جریان سیال از پایین به بالاست. با جریان یافتن سیال، شناور براساس نیروی رانش آن به صورت غوطه ور در می آید هرچه شدت جریان سیال بیشتر گردد، نیروی وارد بر شناور نیز بیشتر می شود و در نتیجه شناور رو به بالا حرکت می کند. چون سطح مقطع داخل ظرف رو به بالا بیشتر می شود، سرعت خطی سیال در هر مقطع از ارتفاع بالاتر، کمتر می گردد و در نتیجه نیروی وارده از سیال بر شناور کم شده، با وزن شناور مساوی می شود و به تعادل می رسند. پس شناور در این سطح بالاتر می ایستد.کل بازه جابجایی شناور در بدنۀ روتامتر برحسب دبی مدرج گشته است.
روش سطح متغیر روتامتر
دبی سنج های سرعتی (Velocity Flowmeter):
مبنای محاسبه دبی در این نوع دبی سنج ها بر اساس سنجش سرعت سیال و سپس تولید سیگنالی متناسب با سرعت سیال است. معادله QV=A * V نشان می دهد که رابطه دبی حجمی با سرعت جریان ، خطی است. سرعت سنج ها معمولاً نسبت به هدمتر ها کمتر به پروفایل سرعت حساس هستند. و همچنین به دلیل خروجی خطی نسبت به جریان، بر عکس دستگاه های مبتنی بر اختلاف فشار هیچ گونه رابطه جذری ندارند.
انواع دبی سنج های سرعتی:
- توربینی
- پره ای
- مغناطیسی
- گردابی
- اولتراسونیک
دبی سنج توربینی (Turbine Flow Meter):
فلومترهای توربینی مکانیزم ساده ای دارند و از یک توربین با پره های زاویه دار تشکیل شده اند، چرخش توربین میتواند به صورت مکانیکی یا تشخیص حرکت پره ها سنجش شود. حرکت پره ها اغلب به طور مغناطیسی اندازه گیری میشود.که مجاور پره ها یک سنسور برای مثال پراکسیمتی سوئیچ(نوعی سنسور مغناطیسی) قرار گرفته است که در اثر عبور جریان توربین چرخیده و سنسور سرعت چرخش آن را بدست آورده و با توجه به آن سرعت جریان را محاسبه میکند (با کالیبرۀ دستگاه بر اساس مقدار جریان و تعداد پالس ایجاد شده توسط سنسور، سرعت جریان بدست می آید). از آنجایی که سطح مقطع لوله مشخص است با ضرب کردن سرعت جریان، دبی حجمی محاسبه میشود (این محاسبات در پردازنده دبی سنج محاسبه شده و خروجی آن با مقیاس حجم بر واحد زمان بر روی نمایشگر نمایش داده میشود).
نمونه ای از دبی سنج توربینی
دبی سنج پره ای (Rotary Vane Flow Meter):
عبور جریان پره هارا میچرخاند که منجر به تولید پالس میشود.
نحوه عملکرد دبی سنج پره ای
دبی سنج مغناطیسی (Magnetic Flow Meter):
جریان سنج های مغناطیسی برای تعیین شدت جریان در داخل لوله بر اساس قانون القای فارادی مورد استفاده قرار می گیرند. در جریان سنج های مغناطیسی، یک میدان مغناطیسی تولید می شود و به داخل لوله ای که مایع از آن می گذرد اعمال می شود.
براساس قانون فارادی جریان یک مایع رسانا از میان یک میدان مغناطیسی باعث ایجاد یک سیگنال ولتاژ می شود که می تواند با استفاده الکترود های روی دیواره لوله تشخیص داده شود. وقتی که سیال سریع تر حرکت می کند، ولتاژ بیشتری تولید می شود. قانون فارادی می گوید ولتاژ تولید شده با حرکت سیال جاری متناسب است. فرستنده الکترونیکی، ولتاژ را جهت تعیین جریان سیال پردازش می کند.
دبی سنج مغناطیسی
دبی سنج گردابی (Vortex Flow Meter):
زمانی که سیال در حال حرکت است، اگر به وسیله یک شیء یا به هر وسیله ای در مسیر آن مانعی ایجاد شود، نوساناتی می توانند به وجود آیند. نمونه هایی از این نوسانات در طبیعت قابل مشاهده اند؛ زمانی که باد از میان شاخ و برگ های درختان عبور می کند، صداهایی ایجاد می شود. یا گردابه هایی که در جریان های سریع رودخانه ها در پشت سخره ها ایجاد می شوند. یا موج هایی که در پرچم به واسطه وزش باد شکل می گیرند. باید توجه کرد که در تمامی این نمونه ها، زمانی که جریانی آهسته وجود داشته باشد، نوسانات متوقف می شوند. وقتی باد از وزش بیافتد، صداها متوقف می شوند، اگر آب رودخانه سرعتی نداشته باشد، جریان به آرامی از اطراف سخره عبور میکند و در نسیم ملایم موجی در پرچم ایجاد نمی شود. این دبی سنج ها از شیء ای برای ایجاد مانع در مسیر جریان استفاده می کند. افزایش جریان سبب افزایش فرکانس نوسانات می شود. یک حسگر نوسانات را تشخیص می دهد و یک فرستنده الکترونیکی سیگنالی برای اندازه گیری جریان تولید می کند.
دبی سنج گردابی
دبی سنج اولتراسونیک (Ultra Sonic Flow Meter):
فلومترهای اولتراسونیک از امواج صوتی برای تخمین سرعت جریان سیال در لوله استفاده می کنند. در شرایطی که جریانی وجود ندارد، موج اولتراسونیک فرستاده شده به درون لوله و بازتاب آن از سیال، دارای فرکانس های یکسانی اند. در شرایطی که جریان وجود دارد، فرکانس موج بازتابی متفاوت است؛ به سبب پدیده ای که به اثر داپلر معروف است. زمانی که سیال سریع تر حرکت می کند، تغییر فرکانس به صورت خطی افزایش می‌یابد. فرستنده برای تخمین دبی جریان، سیگنال های موج فرستاده شده و بازتاب آن را مورد پردازش قرار می دهد.
فلومترهای اولتراسونیک زمان انتقال، امواج اولتراسونیک را در هر دو جهت بالادست جریان در لوله و پایین دست آن بین مبدل ها می‌فرستند و دریافت می کنند. در حالتی که جریانی وجود ندارد، مدت زمان انتقال موج در هردو جهت بین مبدل ها یکسان است. در شرایطی که جریان داریم، موج بالادستی مسیر را آهسته تر و در مدت زمان بیشتری نسبت به موج پایین‌دستی (موج سریع‌تر) طی میکند. زمانی که جریان سریع‌تر حرکت کند، تفاوت میان زمان‌های انتقال موج‌های بالادستی و پایین دستی افزایش می یابد.
فلومترهای اولتراسونیک زمان انتقال، معمولا دقیق‌تر از فلومترهای اولتراسونیک داپلر اند. فلومترهای اولتراسونیک داپلر معمولا اقتصادی‌تر اند.
دبی سنج های اولتراسونیک
دبی سنج های جرمی (Mass Flow Mreter):
این نوع دبی سنج ها دبی جرمی را بر خلاف دبی سنج های حجمی ، مستقیما و بدون واسطه اندازه می گیرند. بسیاری از چنین دبی سنج ها، دبی جرمی را از طریق رابطه QM = QV * ρ بدست می آورند در این معادله QM دبی جرمی و QV دبی حجمی و ρ دانسیته سیال است.
این چنین دبی سنج ها از ترکیب دو وسیله که یکی سرعت سیال و دیگری دانسیته را اندازه می گیرد تشکیل شده اند. ورودی ها در یک ریز پردازنده همراه با یک سری اطلاعات اضافی ترکیب شده و خروجی به عنوان دبی جرمی گزارش می شود. با این حال دستگاه های معرفی شده در ذیل مستقیما و بدون انجام محاسبات بین حجم و دانسیته این کار را انجام می دهند.
- دبی سنج حرارتی
- کوریولیس سنج
دبی سنج حرارتی (Thermal Flow Meter):
اساس کار این وسیله بدین صورت است که جریان سیال، انرژی گرمایی خود را به المنت حساس به گرما می دهد و سپس با اندازه گیری گرمای منتقل شده به المنت جرم سیال عبور کرده محاسبه می شود. مقدار گرمای جابجا شده به سرعت سیال ، ظرفیت گرمایی و هدایت گرمایی سیال بستگی دارد و لذا این دبی سنج مستقل از دانسیته، فشار و ویسکوزیته سیال می باشد.
دبی سنج حرارتی
دبی سنج کوریولیس (Coriolis Flow Meter):
در جریان سنج جرمی کوریولیس، پیچ و تابی در اثر نوسانی که جریان سیال ایجاد مکند پدید می آید. مقدار پیچ و تاب متناسب با جریان جرمی است که از لوله عبور میکند. سنسورها و فرستنده‌ی جریان سنج جرمی کوریولیس برای اندازه‌گیری پیچ و تاب از یک سیگنال خطی که تولید میکند، استفاده میکند.
دبی سنج کوریولیس
دبی سنج جابجایی مثبت (Displacement Flow Meter):
دبی سنج های جابجایی مثبت با به دام انداختن مکرر سیال دبی آن را اندازه می گیرد. می توان این فرایند را اینگونه نیز تفسیر کرد؛ پیش از آن که سیال دبی سنج را ترک کند و به پایین دست جریان بپیوندد، گویا سطلی را با سیال پی در پی پر می کنیم. تعداد دفعاتی که سطل پر می شود دبی جریان را به دست می دهد.
انوع مختلف این نوع دبی سنج ها:
- پیستون نوسانگر (Oscillating Piston)
- دیسک لرزان (nutating disc)
- دنده تخم مرغی (oval gear)
- مولتی پیستون (multi piston)
- روت (root)
پیستون نوسانگر
دیسک لرزان
دنده تخم مرغی
مولتی پیستون
روت
چنانچه در حوزه کاری خود به مشکلی برخورد کرده‌اید و در جستجوی فرد و یا شرکت‌های توانمند برای حل مشکلتان هستید می توانید با عضویت در سامانه گلوپ و ثبت مشکل خود با این افراد و شرکت ها ارتباط برقرار کنید.
برای مشاهده مطالب بیشتر به گلوپ پلاس مراجعه فرمایید.