انواع فلومترها برای کاربردهای مختلف

فلومتر چیست؟

فلومتر (یا سنسور جریان) یک ابزار جریان است که برای نشان دادن مقدار مایع، گاز یا بخار در حال حرکت از طریق لوله یا مجرا با اندازه‌گیری دبی خطی، غیرخطی، جرمی یا حجمی استفاده می‌شود. از آنجایی که کنترل جریان اغلب ضروری است، اندازه‌گیری جریان مایعات و گازها برای بسیاری از کاربردهای صنعتی یک نیاز حیاتی است – و انواع مختلفی از فلومترها وجود دارد که بسته به ماهیت کاربرد می‌توان از آنها استفاده کرد.

هنگام انتخاب فلومتر برای خرید، باید عوامل نامشهودی مانند آشنایی پرسنل کارخانه، تجربه آنها با تعمیر و نگهداری، در دسترس بودن قطعات یدکی و فاصله زمانی بین تاریخچه خرابی و غیره در محل کارخانه خاص را در نظر گرفت. همچنین توصیه می شود که هزینه نصب تنها پس از انجام این مراحل محاسبه شود. یکی از رایج‌ترین اشتباهات اندازه‌گیری جریان، معکوس کردن این توالی است: به جای انتخاب سنسوری که عملکرد مناسبی داشته باشد، سعی می‌شود استفاده از یک دستگاه به دلیل ارزان‌تر بودن آن توجیه شود. این خریدهای “ارزان” می توانند پرهزینه ترین نصب ها باشند.

انواع فلومتر و کاربردها

فلومترهای فشار تفاضلی

استفاده از فشار تفاضلی به عنوان اندازه گیری استنباط شده سرعت جریان مایع به خوبی شناخته شده است. دبی سنج های فشار تفاضلی رایج ترین واحدهایی هستند که امروزه مورد استفاده قرار می گیرند. این کنتورها (مترها) که از دقت بالایی برخوردارند، جریان سیال را با خواندن افت فشار در یک محدودیت لوله محاسبه می کنند. برآوردها حاکی از آن است که بیش از 50 درصد از تمام برنامه های اندازه گیری جریان مایع از این نوع واحد استفاده می کنند.

اصل عملیاتی کنتورهای فشار تفاضلی بر این فرض استوار است که افت فشار در سراسر کنتور متناسب با مجذور دبی است. دبی با اندازه گیری اختلاف فشار و استخراج ریشه دوم بدست می آید.

دبی سنج های فشار تفاضلی مانند اکثر دبی سنج ها دارای عنصر اولیه و فرعی هستند. عنصر اولیه باعث تغییر در انرژی جنبشی می شود که باعث ایجاد فشار تفاضلی در لوله می شود. واحد باید به درستی با اندازه لوله، شرایط جریان و خواص مایع مطابقت داشته باشد. و دقت اندازه گیری عنصر باید در محدوده معقولی خوب باشد. عنصر ثانویه فشار تفاضلی را اندازه گیری می کند و سیگنال یا خواندنی را ارائه می دهد که به مقدار جریان واقعی تبدیل می شود.

فلومتر اوریفیس

دبی سنج های اوریفیس محبوب ترین فلومترهای مایع هستند که امروزه مورد استفاده قرار می گیرند. دهانه به سادگی یک قطعه فلزی صاف است که سوراخی با اندازه مشخص در آن حفر شده است. بیشتر دهانه های مورد استفاده از نوع متحدالمرکز هستند، اما طرح های غیرعادی، مخروطی (ربع) و سگمنتال نیز موجود است.

در عمل پلت اوریفیس در لوله بین دو فلنج نصب می شود. روزنه که به عنوان وسیله اولیه عمل می کند، جریان مایع را محدود می کند تا اختلاف فشار در سراسر صفحه ایجاد شود. شیرهای فشار در دو طرف صفحه برای تشخیص تفاوت استفاده می شود. مزیت اصلی روزنه ها این است که قطعات متحرک ندارند و هزینه آنها با اندازه لوله افزایش قابل توجهی ندارد.

دهانه های مخروطی و ربع نسبتاً جدید هستند. این واحدها عمدتاً برای اندازه گیری مایعاتی با اعداد رینولدز پایین ساخته شده اند. اساساً ضرایب جریان ثابت را می توان در مقادیر R زیر 5000 نگه داشت. صفحات دهانه مخروطی دارای یک مخروط بالادست هستند که عمق و زاویه آن باید برای هر کاربرد محاسبه و ماشینکاری شود.

گوه سگمنتال نوعی از روزنه سگمنتال است. این یک روزنه محدود است که در درجه اول برای اندازه گیری جریان مایعات حاوی جامدات طراحی شده است. این واحد توانایی اندازه گیری جریان ها با اعداد رینولدز پایین را دارد و همچنان رابطه ریشه مربع مورد نظر را حفظ می کند. طراحی آن ساده است و تنها یک بعد مهم در شکاف گوه وجود دارد. افت فشار از طریق واحد فقط نصف روزنه های معمولی است.

فلومترهای ونتوری

لوله های ونتوری این مزیت را دارند که می توانند حجم های جریان زیادی را در افت فشار کم تحمل کنند. لوله ونتوری در اصل قسمتی از لوله با ورودی مخروطی و گلوی مستقیم است. با عبور مایع از گلو، سرعت آن افزایش می یابد و باعث اختلاف فشار بین ناحیه ورودی و خروجی می شود.

فلومترها هیچ قسمت متحرکی ندارند. آنها را می توان در لوله های با قطر بزرگ با استفاده از اتصالات فلنجی، جوشی یا رزوه ای نصب کرد. برای میانگین فشار اندازه گیری شده معمولاً چهار یا چند شیر فشار همراه دستگاه نصب می شود. لوله های ونتوری را می توان با اکثر مایعات، از جمله آنهایی که محتوای جامد بالایی دارند، استفاده کرد.

فلومتر لوله پیتوت

لوله‌های پیتوت معمولاً با جوش دادن یک کوپلینگ روی لوله و قرار دادن پروب از طریق کوپلینگ نصب می‌شوند. استفاده از اکثر لوله های پیتوت محدود به اندازه گیری های تک نقطه ای است. واحدها مستعد وصل شدن توسط مواد خارجی در مایع هستند. از مزایای لوله های پیتوت می توان به هزینه کم، عدم وجود قطعات متحرک، نصب آسان و حداقل افت فشار اشاره کرد.

فلومترهای جابجایی مثبت

عملکرد این واحدها شامل جداسازی مایعات به گام های دقیق اندازه گیری شده و حرکت آنها می باشد. هر بخش توسط یک ثبات اتصال شمارش می شود. از آنجا که هر افزایش نشان دهنده یک حجم گسسته است، واحدهای جابجایی مثبت برای کاربردهای دسته بندی خودکار و حسابداری محبوب هستند. کنتورهای جابجایی مثبت نامزدهای خوبی برای اندازه گیری جریان مایعات چسبناک یا برای استفاده در جاهایی هستند که به یک سیستم متر مکانیکی ساده نیاز است.

متر پیستونی رفت و برگشتی از نوع تک پیستونی و چند پیستونی می باشد. انتخاب خاص به محدوده نرخ جریان مورد نیاز در برنامه خاص بستگی دارد. پیستون متر را می توان برای جابجایی طیف گسترده ای از مایعات استفاده کرد. یک پیستون متر نوسانی مغناطیسی در شکل 1 نشان داده شده است. مایع هرگز با چرخ دنده ها یا سایر قطعاتی که ممکن است مسدود یا خورده شود تماس پیدا نمی کند.

شکل 1: متر پیستونی نوسانی بر اساس اصل محرکه مغناطیسی کار می کند به طوری که مایع با قطعات تماس پیدا نمی کند. یک صفحه پارتیشن بین درگاه های ورودی و خروجی، مایع ورودی را مجبور می کند تا در اطراف یک محفظه اندازه گیری استوانه ای و از طریق درگاه خروجی جریان یابد. حرکت پیستون نوسانی در واحد به یک مجموعه مغناطیسی در محفظه اندازه گیری منتقل می شود که به یک آهنربای پیرو در طرف دیگر دیواره محفظه جفت می شود.

فلومترهای چرخ دنده بیضوی:

دارای دو چرخ دنده بیضی شکل با دندانه های هماهنگ و نزدیک می باشند. مقدار ثابتی مایع برای هر دور از متر عبور می کند. چرخش شفت را می توان برای به دست آوردن نرخ های جریان خاص نظارت کرد.

فلومتر دیسکی:

دارای یک دیسک متحرک است که بر روی یک کره متحدالمرکز واقع در یک محفظه کروی دیواره جانبی نصب شده است. فشار مایعی که از محفظه اندازه گیری می گذرد باعث می شود دیسک در یک مسیر گردشی بدون چرخش حول محور خود تکان بخورد. این تنها بخش متحرک در محفظه اندازه گیری است.

یک پین که به صورت عمود از دیسک امتداد دارد به یک شمارنده مکانیکی متصل است که حرکات تکان دادن دیسک را کنترل می کند. هر چرخه متناسب با مقدار خاصی از جریان است. همانطور که در مورد تمام کنتورهای جابجایی مثبت صادق است، تغییرات ویسکوزیته زیر یک آستانه معین بر دقت اندازه گیری تأثیر می گذارد. اندازه ها و ظرفیت های زیادی موجود است. واحدها را می توان از طیف گسترده ای از مصالح ساختمانی ساخت.

فلومتر پره-چرخشی در چندین طرح موجود است، اما همه آنها بر اساس یک اصل عمل می کنند. واحد اصلی شامل یک پروانه چرخان به طور مساوی تقسیم شده (شامل دو یا چند محفظه) است که در داخل محفظه کنتور نصب شده است. پروانه در تماس مداوم با بدنه است. با چرخش پروانه، حجم ثابتی از مایع از هر محفظه به خروجی کنتور کشیده می شود. دورهای پروانه در واحدهای حجمی شمارش و ثبت می شود.

فلومترهای هلیکس:

از دو روتور مارپیچی با شیب رادیکال تشکیل شده است که به هم متصل شده اند، با فاصله کمی بین روتورها و پوشش. دو روتور مایع را به صورت محوری از یک انتهای محفظه به انتهای دیگر جابجا می کنند.

فلومترهای حجمی

این ابزارها با توجه به سرعت جریان حجمی به صورت خطی عمل می کنند. از آنجایی که هیچ رابطه ریشه مربعی وجود ندارد (مانند دستگاه های فشار تفاضلی)، برد آنها بیشتر است. فلومترهای حجمی در اعداد رینولدز بالای 10000 حداقل حساسیت را نسبت به تغییرات ویسکوزیته دارند. اکثر محفظه‌های سرعت سنج مجهز به فلنج یا اتصالات هستند تا به آنها امکان اتصال مستقیم به خطوط لوله را بدهد.

فلو متر توربینی

فلومترهای کاربرد گسترده ای برای کاربردهای اندازه گیری دقیق مایع پیدا کرده اند. این واحد شامل یک روتور چند پره است که با یک لوله عمود بر جریان مایع نصب شده است. روتور با عبور مایع از تیغه ها می چرخد. سرعت چرخش تابعی مستقیم از سرعت جریان است و می‌تواند توسط پیک‌آپ مغناطیسی، سلول فوتوالکتریک یا چرخ دنده‌ها حس شود. پالس های الکتریکی را می توان شمارش و جمع کرد، شکل 2.

شکل 2: دبی سنج توربین شامل یک روتور فلزی با چند پره، چرخش آزاد و قابل نفوذ است که در بدنه ای از فولاد ضد زنگ غیر مغناطیسی قرار گرفته است. در حین کار، تیغه های دوار یک سیگنال فرکانس متناسب با نرخ جریان مایع تولید می کنند که توسط پیکاپ مغناطیسی حس می شود و به یک نشانگر بازخوانی منتقل می شود.

تعداد پالس های الکتریکی شمارش شده برای یک دوره زمانی معین به طور مستقیم با حجم جریان متناسب است. برای اندازه گیری سرعت چرخش توربین و تعیین سرعت جریان مایع می توان یک سرعت سنج اضافه کرد. فلومترهای توربینی، زمانی که به درستی مشخص و نصب شوند، دقت خوبی دارند، به ویژه در مورد مایعات با ویسکوزیته پایین.

یکی از نگرانی های عمده در مورد فلومترهای توربینی، سایش یاتاقان است. برای جلوگیری از این مشکل یک طرح “بدون بلبرینگ” ایجاد شده است. مایعی که وارد متر می شود از طریق پره های مارپیچی استاتور حرکت می کند که چرخش را به جریان مایع می دهد. جریان بر روی یک کره عمل می کند و باعث می شود که در فضای بین استاتور اول و استاتور دوم مارپیچی مشابه بچرخد. حرکت مداری کره به صورت الکترونیکی تشخیص داده می شود. فرکانس خروجی پالس حاصل متناسب با سرعت جریان است.

فلومترهای گردابی(vortex)

این فلومترها از یک پدیده طبیعی استفاده می کنند که زمانی اتفاق می افتد که مایعی در اطراف یک شی بلوف(توپی یا گرد) جریان دارد. گردابه ها یا گرداب ها به طور متناوب در پایین دست جسم ریخته می شوند. فرکانس ریزش گرداب مستقیماً با سرعت جریان مایع در کنتور متناسب است، شکل 3.

شکل 3: فلومتر گردابی بر اساس این اصل عمل می کنند که وقتی یک جسم غیر جریانی در وسط جریان قرار می گیرد، یک سری گردابه به طور متناوب در پایین دست جسم ریخته می شود. فرکانس ریزش گرداب مستقیماً با سرعت جریان مایع در خط لوله متناسب است.

سه جزء اصلی فلومتر عبارتند از یک بدنه بلوف که در سرتاسر سوراخ فلومتر نصب شده است، یک سنسور برای تشخیص وجود گرداب و تولید یک ضربه الکتریکی، و یک فرستنده تقویت کننده و تهویه سیگنال که خروجی آن متناسب با سرعت جریان است. ، شکل 4. این فلومتر برای اندازه گیری میزان جریان یا کل جریان مناسب است. استفاده برای دوغاب یا مایعات با ویسکوزیته بالا توصیه نمی شود.

فلومترهای الکترومغناطیسی

فلومترهای الکترومغناطیسی می توانند اکثر مایعات و دوغاب ها را کنترل کنند، مشروط بر اینکه مواد اندازه گیری شده رسانای الکتریکی باشند. لوله جریان مستقیماً در لوله نصب می شود. افت فشار در سرتاسر فلومتر به همان اندازه است که از طریق یک لوله معادل است زیرا هیچ قسمت متحرک یا مانعی برای جریان وجود ندارد. ولت متر را می توان مستقیماً به لوله جریان متصل کرد یا می توان آن را از راه دور نصب کرد و توسط یک کابل محافظ به آن متصل شد.

دبی سنج های الکترومغناطیسی بر اساس قانون القای الکترومغناطیسی فارادی عمل می کنند که بیان می کند زمانی که هادی در میدان مغناطیسی حرکت می کند ولتاژ القا می شود. مایع به عنوان هادی عمل می کند. میدان مغناطیسی توسط سیم پیچ های پرانرژی خارج از لوله جریان ایجاد می شود. دو الکترود نصب شده در دیواره لوله، ولتاژ را تشخیص می دهند که توسط عنصر ثانویه اندازه گیری می شود.

شکل 5: اجزای اصلی لوله جریان سنج الکترومغناطیسی بدون انسداد شامل الکترودها و سیم پیچ ها هستند.

فلومتر التراسونیک

فلومتر التراسونیک را می توان به دو دسته داپلر متر و متر زمان سفر (یا ترانزیت) تقسیم کرد. فلومتر داپلر تغییرات فرکانس ناشی از جریان مایع را اندازه گیری می کند. دو مبدل در یک جعبه متصل به یک طرف لوله نصب شده است. یک سیگنال با فرکانس شناخته شده به مایع برای اندازه گیری ارسال می شود. جامدات، حباب‌ها یا هر گونه ناپیوستگی در مایع باعث می‌شود که پالس به عنصر گیرنده منعکس شود، شکل 6. از آنجایی که مایع ایجادکننده انعکاس در حال حرکت است، فرکانس پالس برگشتی تغییر می‌کند. تغییر فرکانس متناسب با سرعت مایع است.

فلومتر جرمی

نیاز مستمر به اندازه گیری دقیق تر جریان در فرآیندهای مرتبط با جرم (واکنش های شیمیایی، انتقال حرارت و غیره) منجر به توسعه فلومترهای جرمی شده است. طرح های مختلفی در دسترس است، اما یکی از رایج ترین مورد استفاده برای کاربردهای جریان مایع، دبی سنج جرمی Coriolis است. عملیات آن بر اساس پدیده طبیعی به نام نیروی کوریولیس است، و از این رو نامگذاری شده است.

دبی سنج های کوریولیس جرم سنج های واقعی هستند که میزان جرم جریان را به طور مستقیم بر خلاف جریان حجمی اندازه گیری می کنند. از آنجایی که جرم تغییر نمی کند، فلومتر خطی است بدون نیاز به تنظیم برای تغییرات در خواص مایع. همچنین نیاز به جبران تغییر شرایط دما و فشار را از بین می برد. این فلومتر مخصوصاً برای اندازه گیری مایعاتی که ویسکوزیته آنها با سرعت در دماها و فشارهای معین تغییر می کند مفید است.

متر کوریولیس نیز در طرح های مختلف موجود است. یک واحد محبوب شامل یک لوله جریان U شکل است که در محفظه حسگر متصل به یک واحد الکترونیکی محصور شده است. واحد سنجش را می توان مستقیماً در هر فرآیندی نصب کرد. واحد الکترونیکی را می توان تا 500 فوت از سنسور قرار داد.

در داخل محفظه حسگر، لوله جریان U شکل با فرکانس طبیعی خود توسط یک دستگاه مغناطیسی واقع در خم لوله به لرزه در می آید. ارتعاش شبیه به یک چنگال تنظیم است که کمتر از 0.1 اینچ را پوشش می دهد و یک چرخه کامل را حدود 80 بار در ثانیه کامل می کند. هنگامی که مایع در لوله جریان می یابد، مجبور می شود حرکت عمودی لوله را به عهده بگیرد، شکل 7. هنگامی که لوله در طول نیمی از چرخه خود به سمت بالا حرکت می کند، مایعی که به داخل فلومتر جریان می یابد در برابر فشار دادن به پایین مقاومت می کند.