در بسیاری از واحدهای صنعتی، به جای اینکه حجم سیال اندازه‌گیری شود مستقیماً جرم سیال اندازه گیری می شود. از جمله صنایعی که جرم سیال اندازه‌گیری میشود می‌توان به صنایع تولیدی مواد غذایی و بسته بندی محصولات جهت ارائه به مشتری نام برد. اما کاربرد اندازه گیری جرم نیست ، چون یکی از کاربردهای بسیار مهم این گونه ادوات اندازه گیری و استفاده از آن در صنایع وابسته به نفت است. در صنایع نفت و به ویژه زمانی که هدف ما از اندازه گیری جریان سیال به قصد فروش آن باشد، یا در زمان محاسبات مربوط به موازنه جرم در واحدهای تولیدی، اندازه‌گیری و بیان میزان سیال بر حسب جرم امری متداول است. بدیهی ترین دلیل این امر، تاثیر عوامل فیزیکی از جمله دما و فشار در حجم واقعی سیال منتقل شده عنوان می شود که این تغییرات فیزیکی روی جرم واقعی سیال تاثیر نمی گذارد.
در این شیوه اندازه گیری جریان سیالات، دو نوع دستگاه معرفی خواهد شد که روش اول بر مبنای گرمای ویژه سیال و فناوری دوم نیز بر مبنای نیروی گریز از مرکز کار می کند. مبنای کار هر کدام از این روش ها در معرفی نوع دستگاه بیان خواهد شد.
کاربرد اندازه گیری جریان سیالات به کمک شاخص جرم:
- اندازه گیری های بسیار حساس و دقیق مانند کنترل ترکیبات شیمیایی در یک راکتور
- اندازه گیری در میزان کم و دقت بالا
- اندازه گیری گازها و مایعات
- واحد های آزمایشگاهی و پژوهشی
- صدور فرآورده های نفتی
- اندازه گیری بخارات برگشتی در صدور مایعات و فراورده های نفتی
اندازه گیری جرم سیالات به روش حرارتی:
این روش اندازه گیری جریان سیال دارای طیف وسیعی از کاربردها از جمله اندازه گیری جریان کم اکسیژن خالص در کاربرد های پزشکی تا اندازه گیری در دامنه وسیع جریان سیال در صنعت را نام برد. به طور کلی کاربرد عمده این روش در اندازه گیری جرم بخار و گازها می باشد اساس این روش نیز بر مبنای گرمای ویژه، رسانایی حرارتی و تراکم پذیری گازها می باشد. اندازه گیری در این دستگاه بر مبنای میزان گرم شدن سیال توسط عنصر حرارتی و سنجش تغییرات حرارت است. دقت در این گونه دستگاه ها بستگی به ویژگیهای فیزیکی سیال دارد. کارت الکترونیک دستگاه شامل جبران کننده حرارت، فشار و گرانروی سیال، خطی سازی و آماده سازی سیگنال است. دو نوع جریان سنج حرارتی ساخته شده است:
- اندازه گیری جریان سیال به روش حرارتی با لوله فرعی
- ندازه گیری جریان سیال به روش حرارتی به کمک باد سنج
اندازه گیری جریان سیال به روش حرارتی با لوله فرعی:
در این روش به موازات مسیر اصلی جریان سیال یک مسیر فرعی ایجاد کرده و توسط عنصر حرارتی دمای سیال مسیر فرعی تغییر داده می شود.
چنانچه بتوان در مسیر فرعی دمای دو طرف عنصر حرارتی را اندازه‌گیری کرد، به وضوح می‌توان مدعی شد که اختلاف دما نسبت عکس با میزان جریان سیال دارد. می دانیم چنانچه سیال جریان نداشته باشد، اختلاف دما نیز صفر خواهد بود. با این توضیح بعضی سازندگان برای افزایش دقت، این دستگاه را با سه عنصر اندازه گیری دما می سازند.
اندازه گیری جریان سیال به روش حرارتی به کمک باد سنج:
مطابق با اصل توضیح حرارتی زمانیکه یک منبع حرارتی در مسیر جریان سیال قرار می‌گیرد، میزان و شیب سرد شدن سیال بعد از حرارت دیدن متناسب با سرعت سیال یا جریان سیال است. شکل زیر نحوه چیدمان عناصر اندازه گیری دما را نشان می دهد.
اختلاف دما که متناسب با چیدمان بالا اندازه گیری میشود، توسط پل وتستون اندازه گیری و به صورت جریان نمایش داده می شود.
مزایای اندازه گیری جریان به روش توربینی:
- درستی یا دقت بسیار بالا
- تکرار پذیری بسیار خوب
- قیمت نسبتاً ارزان در مقایسه با دقت اندازه گیری
- دارای تاییدیه از API برای کاربرد اندازه گیری به قصد فروش
- Turndown =10:1
- ایجاد افت فشار نسبتاً کم در مسیر خط لوله
- قادر به اندازه گیری جریان سیال در حجم بسیار زیاد
- طول عمر و مقاومت بالایی دستگاه
- قابلیت کار دستگاه در مقابل تغییرات دما و تغییرات فشار
- قابلیت اندازه گیری در دو جهت
معایب اندازه گیری جریان به روش توربینی:
- رسوبات احتمالی سیال تاثیر منفی روی صحت سنجش انجام شده می‌گذارد چون رسوبات یاد شده روی پره های توربین نشسته و باعث کندی سرعت توربین و کاهش دقت دستگاه می شود.
- در اندازه گیری جریان سیالات فاقد خاصیت روغن کاری غیرقابل استفاده می باشند.
- نیاز به نصب صافی و جداکننده حباب در ورودی هر دستگاه اندازه گیری با توجه به حساس بودن توربین نسبت به حباب هوا و ذرات معلق احتمالی در سیال
- نیاز به افزایش طول لوله مستقیم در بالادست و پایین دست دستگاه
- نیاز تعمیراتی و هزینه بالای دستگاه
- کاهش میزان دقت اندازه گیری با کاهش میزان جریان سیال
- عدم کاربرد دستگاه در اندازه گیری جریان سیالات دوفازی و چند فازی
- تغییر ضریب سنجش دستگاه در طول مدت کارکرد دستگاه
- تغییر ضریب سنجش دستگاه با تغییر میزان جریان، گرانروی، چگالی، دما و به ویژه فشار سیال
- نیاز به صحت سنجی و تعیین ضریب سنجش جدید به صورت مداوم
اندازه گیری جریان به روش الکترومغناطیسی:
مبنای اندازه گیری در این روش مبتنی بر قانون فارادی است. مطابق با قانون فارادی، زمانیکه یک هادی در میدان مغناطیسی ثابت و با زاویه ۹۰ درجه حرکت کند در آن هادی یک جریان الکتریکی القا می شود. میزان ولتاژ الکتریکی القا شده متناسب با سرعت جریان سیال خواهد بود. آنچه که گفته شد هر چه سرعت سیال بیشتر باشد، دامنه ولتاژ تولید شده نیز با همان نسبت به طور خطی افزایش خواهد یافت. لذا با توجه به ثابت بودن عوامل دیگر از جمله میدان مغناطیسی و طول هادی دغدغه ای برای جبران سازی خروجی دستگاه و یا تبدیل آن به یک سیگنال معتبر وجود نخواهد داشت، در هر صورت از پردازشی که الزاما باید روی سیگنال خام و اولیه تولید شده انجام بپذیرد نباید غافل شد.
فناوری ساخت دستگاه های اندازه گیری مبتنی بر اصول الکترومغناطیسی بر اساس نوع مغناطیس بکار برده شده در آن به دو دسته تقسیم می شود:
- دستگاه های اندازه گیری مبتنی بر اصول مغناطیسی با مغناطیس متناوب
- دستگاه های اندازه گیری مبتنی بر اصول الکترومغناطیسی با مغناطیس مستقیم
مزیت دستگاه هایی که با جریان متناوب کار می کنند ارزان‌تر بودن آن است اما روش تحریک با جریان متناوب نیاز به توان مصرفی بالایی دارد. این دستگاهها در برخی موارد خاص مانند وجود حباب های هوا در سیال، جریان‌های دوغابی و وجود ذرات جامد معلق در مایع گزینه مناسبی هستند.
در تحریک به روش مستقیم علاوه بر دقیق تر بودن و توانایی اندازه گیری جریان های پایین، حجم کمتر، نصب آسان تر و مصرف انرژی کمتری دارند. روش تحریک مستقیم برای استفاده در مایعات دارای قابلیت پذیرش تغییرات دمایی بالا و ضریب انتقال حرارت زیاد، شرایط محیطی با تغییرات دمایی بالا و نیز برای مایعاتی که تمایل به تشکیل رسوب دارند مناسب تر میباشد.
مزایای اندازه گیری جریان به روش الکترومغناطیسی:
- عدم وابستگی این روش به فشار، دما و گرانروی سیال
- قابلیت اندازه گیری جریان سیال های دوغابی، آب آهک، سیالات کثیف و حاوی ذرات جامد
- قابلیت پیاده سازی این روش در هر اندازه از لوله
- عدم وجود قطعات متحرک در مسیر جریان
- عدم ایجاد افت فشار در فرایند
- دقت بالا در تمام گستره اندازه گیری
- پایداری تمام ویژگی های اندازه گیری در طول مدت اندازه گیری
- هزینه کم برای نگهداری و تعمیرات
معایب اندازه گیری جریان به روش الکترومغناطیسی:
- عدم توانایی در اندازه گیری جریان مایعاتی که دارای قابلیت رسانایی الکتریکی نیستند
- نامناسب برای اندازه گیری جریان آب مقطر، هیدروکربن‌ها، بخار، گازها و مواد خالص
- محدودیت در افزایش سرعت سیال – افزایش سرعت سیال در این دستگاه ممکن است موجب آسیب دیدگی پوشش داخلی دستگاه شود
- نیاز به افزایش طول لوله مستقیم در بالادست و پایین‌دست دستگاه با توجه به آسیب پذیری آن در جریان های متلاطم
- کاهش چشمگیر دقت و صحت اندازه گیری با کاهش رسانایی سیال از حد مجاز
- ایجاد خطا در اندازه گیری به دلیل رسوبات احتمالی داخل بدنه دستگاه یا جرم‌گرفتن بدنه آن
اندازه گیری جریان به روش گردابی:
چنانچه یک مانعی در مسیر جریان سیال قرار دهیم، سیال به تلاطم افتاده و بعد از مانع به صورت گردابی به حرکت خود ادامه می دهد. شدت و تعداد این گرداب ها متناسب با میزان سرعت و یا در حقیقت متناسب با میزان جریان سیال است. گردابهای تولید شده قابل مشاهده و شمارش و نمایش می باشند.
دستگاه های اندازه گیری به روش گردابی از معدود دستگاه‌هایی است که برای اندازه گیری جریان سیالات متلاطم نیز کاربرد دارد لذا در صورت وجود شرایط و ویژگی جریان متلاطم در لوله، و ایجاد جریان گردابی چیزی از شرایط سیال کم و کاست نمی‌شود. اما شرطی که معمولاً سازنده دستگاه کاربر را ملزم به لحاظ کردن آن در اندازه گیری نموده و اساساً طراحی خود را بر این مبنا انجام داده است، سوق دادن شرایط اندازه گیری در ناحیه خطی عدد رینولدز است
مزایای دستگاه اندازه گیری جریان به روش گردابی:
- Turndown مناسب
- نداشتن قسمتهای متحرک و در نتیجه تعمیرات آسان
- ایجاد افت فشار بسیار ناچیز در مسیر خط لوله
- قابلیت استفاده برای اندازه گیری جریان سیالات متلاطم
- دارای قابلیت استفاده برای اندازه گیری میزان جریان مایعات، گازها و بخار
- دارای قابلیت نصب در مسیر لوله های افقی و عمودی
معایب دستگاه اندازه گیری جریان به روش گردابی:
- عدم دقت در اندازه گیری میزان جریان های کم
- محدودیت در حداکثر سرعت سیال که توسط سازنده اعلام می گردد
- ایجاد خطا در صورت وجود لرزش در مسیر اندازه گیری جریان
- ایجاد خطای اندازه گیری به دلیل پدیده حفره ای روی تیغه دستگاه و ایجاد خوردگی
اندازه گیری جریان به کمک امواج فراصوت:
فراصوت شامل امواجی می شود که از محدوده فرکانس قابل شنیدن انسان یعنی ۱۸ کیلوهرتز بیشتر است و این در حالی است که در کاربرد ویژه اندازه گیری جریان، امواج با فرکانس فراصوتی در حد مگاهرتز نیز استفاده میشود. برای مثال در اندازه گیری جریان گاز ها از امواج فراصوت با فرکانس ۱۰۰ کیلو هرتز و در اندازه گیری جریان مایعات از امواج فراصوت با فرکانس چند مگاهرتز استفاده شده است.
دستگاه های اندازه گیری جریان سیالات مبتنی بر امواج فراصوت از نظر ساختمان شامل نمونه های متعددی می شود برای تمام این دستگاه ها بیانگر یگانگی کامل فناوری به کار برده شده و همسانی عملکرد این دستگاه ها نخواهد بود. اما آنچه مسلم است تمام این دستگاه ها و روش ها را می توان در دو دسته کلی تقسیم بندی نمود:
- دستگاه های اندازه گیری فراصوت مبتنی بر اثر داپلر
- دستگاه های اندازه گیری فراصوت مبتنی بر اصل اختلاف زمان گذر
با تشریح دو روش بیان شده، ملاحظه خواهد شد که اصول و شرایط اندازه گیری در دو روش فوق تا حدودی با هم متفاوت است.
دستگاه های اندازه گیری فراصوت مبتنی بر اثر داپلر:
پدیده داپلر- این اصل بیان می دارد زمانی که یک جسم متحرک به عنوان هدف به یک ناظر نزدیک میشود دارای صدای بم و زمانی که در جهت مخالف و از هدف دور میشود دارای صدای زیر است.
در اندازه گیری جریان سیالات به کمک این پدیده فیزیکی، به نحوی تعداد و ابعاد ذرات موجود در سیال نیز نقش پیدا می‌کنند. اندازه گیری به این روش امکان پذیر نخواهد بود مگر آن که سیال دارای ذرات معلق و یا حباب هوا باشد. با برخورد امواج فراصوت به ذرات معلق فوق، فرکانس امواج بازگشت داده شده نسبت به امواج ارسال شده اولیه دارای تفاوت خواهد بود. کاهش یا افزایش فرکانس بستگی به فاصله منبع صوت (فرستنده) با ذره و فاصله گیرنده صوت با ذره دارد به طوری که در رفت و برگشت امواج فوق محل فیزیکی ذره تغییر پیدا کرده است.
محدودیت های روش داپلر:
- سیال مورد اندازه گیری باید به اندازه کافی دارای ذرات معلق باشد. از طرفی در صورتی که مقدار ذرات خیلی زیاد باشد اگر گیرنده و فرستنده دستگاه در مجاورت هم و در یک سمت لوله نصب شوند امواج فراصوت پس از برخورد با نزدیک‌ترین ذرات در مجاورت جداره لوله بازتاب داده خواهد شد و این اتفاق به منزله اندازه گیری میزان جریان در جداره های لوله خواهد بود.
- ذرات بایستی به اندازه کافی بزرگ باشند تا امکان برخورد و بازتاب امواج با آنها وجود داشته باشد
- صوت ایجاد شده در اثر سرعت سیال می‌تواند به طور مخرب و نامطلوب، روی اندازه گیری تاثیر گذار باشد. لذا در طراحی لوله کشی و انتخاب شیرها بایستی دقت وافر به عمل آید تا از عدم ایجاد هرگونه نویزی مطمئن شد.
- سرعت ذرات معمولاً با میانگین سرعت سیال متفاوت است لذا ممکن است تا حدودی در اندازه‌گیری ایجاد خطا کند
بسته به نوع پروفایل جریان، اندازه گیری جریان با دقت های متفاوت امکان پذیر خواهد بود - با توجه به توضیحات فوق نیاز به ادواتی جهت آرام سازی سیال می باشد.
اندازه گیری به روش فراصوت مبتنی بر اصل اختلاف زمان گذر:
اساس این روش متناسب است با میزان نفوذ امواج فراصوت ارسالی در سیال که این نفوذ خود به سرعت سیال و جهت ارسال امواج بستگی‌دارد. به بیانی، امواجی که در جهت جریان سیال ارسال می گردد در مقایسه با امواج ارسالی در جهت مخالف جریان سیال به مراتب به انرژی کمتری نیاز دارد.
حسگرهای تعبیه شده روی لوله به طور پیوسته و همزمان امواج فراصوتی را به طرف حسگر مقابل ارسال نموده و امواج ارسالی را حسگر مقابل دریافت می‌کند. زمانی که میزان جریان سیال صفر است، هر دو حسگر در زمان یکسان و بدون اختلاف زمان، امواج ارسالی را دریافت می‌کنند اما زمانی که سیال دارای جریان باشد یکی از امواج در جهت حرکت سیال حرکت می‌کند و موج دیگر در جهت مخالف آن. لذا دو موج فوق با اختلاف زمانی، متناسب با سرعت سیال و فاصله بین حسگرها به گیرنده مقابل می‌رسد. فاصله بین دو حسگر مشخص و ثابت است لذا می‌توان مدعی شد اختلاف زمان محاسبه شده صرفاً متناسب است با سرعت سیال.
روش های فراصوت در اندازه گیری جریان مایعات و به ویژه اندازه گیری جریان سیالات به قصد فروش است. اما این فناوری در اندازه گیری جریان گاز ها نیز کاربرد دارد. از نظر ساختمان دستگاه، متناسب با کاربرد آن و اینکه دستگاه فوق در اندازه گیری های موقت استفاده میشود یا اندازه گیری دائم، ممکن است ساختمان دستگاه‌های انتخاب شده با هم متفاوت باشد.
این دستگاه ها از نظر تعداد و نحوه چیدمان حسگرها که فقط در دستگاه های با کاربرد دائم موضوعیت پیدا می‌کند به سه دسته کلی تقسیم می‌شوند:
- دستگاه های تک پرتو
- دستگاه های دو پرتو
- دستگاه های با تعداد پرتو های متعدد
مزایای دستگاه های اندازه گیری فراصوت:
صرف نظر از دسته بندی های انجام شده از نظر ساخت این نوع دستگاهها، به طور کلی مزایای زیر منسوب به این نوع دستگاهها است:
- دارای تاییدیه موسسات معتبر بین المللی جهت استفاده از این نوع دستگاه ها به ویژه در اندازه گیری جریان سیالات به قصد فروش
- دقت بالا
- قابلیت اطمینان بسیار خوب
- فناوری ساخت دستگاه در تمام اندازه ها
- دارای قابلیت اندازه گیری دو جهته جریان سیالات
- سادگی نصب
- هزینه کم تعمیرات و عدم نیاز به قطعات یدکی متنوع و متعدد
- قابلیت اندازه گیری با دقت بسیار بالا در جریانات کم (Turndown =100:1)
معایب دستگاه های اندازه گیری فراصوت:
- تغییر احتمالی رژیم سیال از دقت اندازه گیری می‌کاهد لذا نیاز به حالت دهنده جریان در ورودی دستگاه می باشد
- در اندازه گیری سیالات دوغابی و کثیف نوع مبتنی بر اصل اختلاف زمانه گذر کاربرد ندارد
- قیمت بالای دستگاه
