دبی سنج گردابی | فلومتر گردابی (vortex-flowmeter) چیست؟

دبی سنج گردابی | فلومتر گردابی (vortex-flowmeter) چیست؟

دبی سنج گردابی ( vortex Flowmeter ) می توانند دبی بخار، گاز و مایع را با استفاده از ایجاد گرداب محاسبه کند. جریان گردابی هنگامی اتفاق می افتد که مانعی در مسیر جریان سیال وجود داشته باشد. لغت مانع (obstruction) در اینجا، به جسمی مقاوم در مسیر سیال اطلاق می شود که سبب ایجاد و شکل گیری حرکت چرخشی در مسیر پائین دست خود می شود.

هنگامی که گرداب ها شکل گرفته و جاری می شوند در فشار تفاضلی ایجاد شده، تغییر حاصل می شود. این تغییر فشار برای بکار انداختن سنسوری در فرکانس متناسب با جریان گردابی استفاده می شود. در جریان پیوسته سیال، یک سری از گرداب ها، پالس های الکتریکی با فرکانسی متناسب با سرعت سیال تولید می کنند. سرعت بدست آمده می تواند به نرخ جریان حجمی تبدیل مپ شود. خروجی دبی سنج گردابی وابسته به فاکتور k است. فاکتور k بیانگر فرکانس گرداب های تولید شده در سرعت سیال می باشد.

Fluid vrlocity=Vortex Frequency/ k-factor

فاکتور k با تغییر عدد رینولدز تغییر می کند. اگر چه در رنج وسیعی از دبی عملا ثابت است. اگر دبی سنج های گردابی در رنج تخت (flat range) کار کنند، نرخ دبی بصورت خطی با سرعت رابطه دارد.

دبی سنج گردابی چگونه کار می کند؟

فلومتر گردابی از اصولی به نام جلوه von Kármán استفاده می کنند. مطابق این اصل ، جریان در هنگام عبور از بدن توپک ، گرداب تولید می کند. یک بدنه توپک دارای یک جبهه گسترده و مسطح است. در یک گرداب متر ، بدنه توپک تکه ای از مواد با یک قسمت پهن و مسطح است که به صورت عمودی به داخل جریان جریان می یابد. سرعت جریان متناسب با فرکانس گرداب ها است. جریان با ضرب مساحت لوله برابر سرعت جریان محاسبه می شود.
در بعضی موارد ، فلومتر گردابی با استفاده از ون های صاف یا لوله کشی مستقیم بالادست برای از بین بردن الگوهای جریان تحریف شده و چرخش نیاز دارند. در جریان های کم ، برای گرداب سنج ها مشکل ایجاد می شود ، زیرا آنها در شرایط جریان کم گرداب ها را بطور نامنظم تولید می کنند. دقت دبی سنج گردابی بسته به مدل و سازنده آن از متوسط تا زیاد است. علاوه بر اندازه گیری جریان مایع و گاز ، از دبی سنج گردابی به طور گسترده ای برای اندازه گیری جریان بخار استفاده می شود.

فلومترهای گردابی موجود در بازار :

فلومتر گردابی به خوبی برای اندازه گیری جریان بخار مناسب هستند و برای این منظور از کاربرد گسترده ای برخوردار هستند. مسلم است که بخار ، مشکلترین مایعات برای اندازه گیری است که به دلیل فشار زیاد و دمای زیاد بخار است و به دلیل اینکه پارامترهای اندازه گیری با نوع بخار متفاوت است. انواع اصلی بخار شامل بخار مرطوب ، بخار اشباع و بخار گرم شده است.

فن آوری های چند متغیره و حسگر دوگانه ارائه شده در دبی سنج گردابی
بخار اغلب در نیروگاه های فرآوری و برای تولید برق اندازه گیری می شود. دبی سنج گردابی و DP مترهای از موارد اصلی هستند که برای اندازه گیری بخار استفاده می شوند. فلومتر های مغناطیسی قادر به اندازه گیری جریان بخار نیستند ، و جریان سنج های کوریولیس و مافوق صوت به تازگی برای این منظور استفاده می شوند. علاوه بر توانایی تحمل دما و فشار زیاد فرآیند ، دبی سنج گردابی دارای برد گسترده ای هستند. که به آنها امکان می دهد جریان بخار را با سرعت های مختلف اندازه گیری کنند. در نیروگاه های فرآوری و نیروگاه ، بخار اغلب از دیگ بخار اندازه گیری می شود.
اولین دبی سنج گردابی را در سال 1997 معرفی شد. این متر شامل یک سنسور دما RTD و یک مبدل فشار با یک فلومتر گردابی است. با استفاده از اطلاعات این سنسورها ، دبی سنج می تواند جریان حجمی ، دما ، فشار ، تراکم سیال و جریان جرم را تعیین کند. این فلومتر چند متغیره یکی از تعداد فزاینده ای از فلومتر های فن آوری جدید چند متغیره از جمله فلومتر های مغناطیسی چند متغیره و جریان سنج های DP چند متغیره است. فلومترهای اولتراسونیک چند متغیره در کاربردهای گرمایش منطقه محبوب هستند.
در چند سال گذشته ، تعدادی از تأمین کنندگان جدید فلومتر ورتکس چند متغیره را معرفی کرده اند. این موارد شامل ABB ، Yokogawa ، KROHNE ، EMCO و Endress + Hauser است. در حالی که فلومتر های چند متغیره تا حدودی گران تر از همتایان تک متغیر خود هستند ، آنها به کاربران نهایی این امکان را می دهند که اطلاعات قابل توجهی بیشتر در مورد فرآیند نسبت به یک متر حجمی تک متغیر بدست آورند. این اطلاعات اضافی می تواند منجر به افزایش کارآیی شود که بیشتر از هزینه اضافی جریان سنج چند متغیره را تشکیل می دهد. فلومتر چند متغیره گرداب همچنین قابلیت اندازه گیری جریان جرم را دارند و همین امر باعث جذابیت آن ها به ویژه برای اندازه گیری جریان بخار و گاز می شود.

انواع فلومتر گردابی

برخی از فن آوری های سنسور مورد استفاده برای اندازه گیری فرکانس طبیعی تولید شده در زمان ریختن گرداب شامل موارد زیر است:

کریستال های پیزوالکتریک و سرامیک – این مواد در پاسخ به فشار مکانیکی کاربردی بار الکتریکی ایجاد می کنند. با عبور گرداب ها از سنسور ، فشارهای لازم برای ماده پیزوالکتریک را برای تولید شارژ اعمال می کنند. قطبیت ممکن است برای تشخیص جریان متناوب و ایجاد یک فرکانس دیجیتال استفاده شود.

سنسورهای Delta P – تشکیل گرداب مطابق با اصل برنولی فشار پویا ایجاد می کند. فشار در نقطه گرداب کمترین است و با حرکت آن نقطه از مرکز فاصله می یابد. با استفاده از یک سنسور Delta P برای اندازه گیری این تغییرات فشار در هنگام عبور گردابها ، می توان فرکانس دیجیتالی ایجاد کرد.

سنسورهای اولتراسونیک – سنسورهای اولتراسونیک زمان رفت و برگشت سیگنال تولید شده از یک مبدل به دیگری را اندازه گیری می کنند. از آنجا که گرداب های متناوب از یک توپک در چرخش در جهت های مختلف چرخانده می شوند ، سیگنال ارسال شده از یک سنسور التراسونیک بر اساس جهت چرخش نسبت به مسیری که سیگنال در آن حرکت می کند سرعت یا کند می شود. این تغییر سرعت ، در مقایسه با ثابت ، می تواند برای ایجاد یک فرکانس دیجیتال استفاده شود.

مزایای اندازه گیری با دبی سنج گردابی

فلومترورتکس یک روش واقعی و طبیعی برای اندازه گیری جریان ارائه می دهد. با توجه به وقوع طبیعی ریختن گرداب هنگام معرفی پوتک ، از این روش اندازه گیری جریان می توان در بسیاری از مایعات ، گازها و حتی بخار استفاده کرد. عدم وجود اجزای مکانیکی در حال حرکت ، ساختاری مستحکم را نیز ایجاد می کند که می تواند در برخی از سخت ترین محیط های کاربردی قرار بگیرد.

اساس عملکرد فلومتر Vortex (جریان سنج گردابی)

اگر توپک در مسیر لوله ای که حاوی جریان سیال است قرار گیرد، لایه ای مرزی تشکیل می شود که در سطح بدنه توپک گسترش می یابد. به دلیل اندازه حرکت ناکافی و گرادیان فشار معکوس، جدایی اتفاق می افتد و برش لایه ای (shear layer) ناپایدار ایجاد می شود. این لایه برش یافته به گرداب هایی تبدیل می شود که از کنار توپک شروع به پخش شدن می کند. فرکانسی که در آن جفت گرداب جاری می شود متناسب با سرعت سیال است. از آنجایی که فرآیند ایجاد . جاری شدن گردابها تکرار پذیرند، از این روش می توان برای مشخص کردن دبی استفاده کرد.

برای آشکار کردن جریان جفت گرداب ها یعنی تبدیل تغییرات فشار و سرعت ناشی از گرداب ها به سیگنالهای الکتریکی از سنسورهایی استفاده می شود.

عدد st ، strouhal، فرکانس تولید جفت گردابها (f)، مشخص ابعادی مانع توپک، d، و سرعت سیال را به هم مرتبط می سازد.

U=(f*d)/st

عدد st معمولا مستقل از چگالی، فشار، گران روی و پارامترهای دیگر فیزیکی است. در چنین موقعیتی سرعت دبی مستقیما متناسب با فرکانس جاری شدن جفت گردابها است. یعنی نرخ پالس های گرداب عبارتست از:

U=ξ*f

که در آن :

ξ : ثابت است برابر با d/st

و نرخ دبی حجمی در چنین موقعیتی با رابطه زیر بیان می شود.

Qv=A*U=[(A*d)/st]*f

فاکتور K برای دبی سنج گردابی با عدد strouhal متناسب است.

K=st/[A*d]=f/qv

بنابراین :

qv=f/k

اگر چگالی سیال در دما و فشار عملیاتی مشخص باشد می توان دبی جرمی را از رابطه زیر بدست آورد:

qm=ρf*f/k