اندازه گیری جریان لوله - فلومتر ونتوری

چرا جریان یا Flow را اندازه گیری کنیم؟
در بسیاری از فرآیندهای صنعتی امروزی، اندازه گیری دقیق سرعت جریان سیال در یک سیستم به عنوان یک کل یا جزئی ضروری است. این امر به طور یکسان در مورد گازها و مایعات (مانند دی اکسید کربن، نیتروژن، نوشیدنی ها و غیره) که بخشی جدایی ناپذیر از فرآیند هستند، یا در مورد هوا، آب یا بخار فشرده که برای عملکرد کارخانه اساسی هستند، صدق می کند.

 

اصل ونتوری و معادله برنولی
فلومتر اختلاف ساز (The differential producing flowmeter) یا ونچوری Venturi سابقه طولانی در بسیاری از کاربردها دارد. ونچوری به دلیل سادگی و قابل اعتماد بودن، یکی از رایج ترین فلومترها است. بدون قطعات متحرک یا محدودیت جریان ناگهانی، Venturi می تواند دبی سیال را با حداقل افت فشار کل اندازه گیری کند. اصل کارکرد فلومتر ونتوری اثر برنولی است. Venturi با کاهش سطح مقطع جریان در مسیر جریان و ایجاد اختلاف فشار، دبی سیال را اندازه گیری می کند. پس از ایجاد اختلاف فشار، سیال از یک بخش خروجی بازیابی فشار عبور می کند که در آن تا 80٪ فشار دیفرانسیل تولید شده در گلو بازیابی می شود.

 

اصل ونچوری: افزایش سرعت سیال منجر به کاهش فشار داخلی می شود و برعکس!

 

در تصویر بالا، سیال، اعم از مایع یا گاز، در محل با سطح مقطع A1، فشار P1 و سرعت v1 وارد ونچوری می شود. این خواص پتانسیل و انرژی جنبشی سیال را در یک مکان تشکیل می دهند. انرژی در یک سیستم بسته حفظ می شود، یعنی مجموع انرژی پتانسیل و جنبشی در یک مکان باید با مجموع انرژی جنبشی و پتانسیل در هر مکان دیگر در سیستم برابر باشد. اگر انرژی پتانسیل در یک مکان کاهش یابد، انرژی جنبشی باید به طور متناسب در آن مکان افزایش یابد. مایع در حال حاضر با یک ناحیه جدید A2 وارد گلوی Venturi می شود که کوچکتر از A1 است. در یک سیستم بسته، جرم نه می تواند ایجاد شود و نه از بین برود (قانون بقای جرم، به سادگی، آنچه وارد می شود، باید خارج شود)، و به این ترتیب، دبی حجمی در ناحیه A1 باید با دبی حجمی در ناحیه A2 برابر باشد.

اگر منطقه در محل A2 کوچکتر از A1 باشد، سیال باید سریعتر حرکت کند تا دبی حجمی یکسانی را حفظ کند. این افزایش سرعت منجر به کاهش فشار می شود که از معادله برنولی پیروی می کند. نتیجه.. با دانستن فشار و سطح مقطع در دو مکان می توان سرعت سیال را محاسبه کرد. با سرعت سیال و چگالی آن می توان دبی را محاسبه کرد. یک Venturi برای تعیین دقیق جریان به دو فشار و یک اندازه گیری دما نیاز دارد. فشار اول در مکان بالادست ونتوری، P1 اندازه گیری می شود. این برای محاسبه چگالی و ورودی سمت بالا به اندازه گیری فشار دیفرانسیل استفاده می شود.

 

ونتوری متر

اصل این دستگاه اندازه گیری جریان برای اولین بار توسط J.B. Venturi در سال 1797 در ایتالیا ثبت شد. اصولی که این دستگاه ها بر اساس آن کار می کنند این است که وقتی سطح مقطع جریان کاهش می یابد مقداری از هد فشار به سرعت تبدیل می شود (معادله برنولی). بنابراین، دیفرانسیل سر را می توان بین بخش بالادست و بخش گلو اندازه گیری کرد تا سرعت جریان را تخمین بزند، و این را می توان در سطح جریان ضرب کرد تا به مقدار دبی رسید. مقطع همگرا معمولاً حدود 21 درجه است و مقطع واگرا معمولاً از 5 درجه تا 7 درجه است.

جایی که C یک ضریب بدون بعد از تقریباً 0.935 (سرعت و قطر گلوگاه کوچک) تا 0.988 (سرعت و قطر گلوی بزرگ) است. β نسبت D2 / D1 است. D1 و D2 به ترتیب قطرهای داخلی در قسمت بالادست و گلو هستند. A2 مساحت بخش گلو است. Δh دیفرانسیل سر است. و "sg" وزن مخصوص مایع مانومتر است. ضریب تخلیه، C، یک مقدار ثابت برای ابعاد ونتوری داده شده است. توجه داشته باشید که اگر D2 = D1، β = 1، و Q تعریف نشده است. اگر D2 > D1، جذر یک عدد منفی را به دست می آورید (اما هیچ یک از شرط ها برای ونتوری صدق نمی کند). ضریب C باید برای سازگاری با تغییرات دمای آب تنظیم شود. مقدار β معمولاً بین 0.25 تا 0.50 است، اما ممکن است به 0.75 برسد.

ممکن است به پره های صاف در بالادست ونتوری برای جلوگیری از جریان چرخشی نیاز باشد که می تواند به طور قابل توجهی بر کالیبراسیون تأثیر بگذارد. به طور کلی توصیه می شود که حداقل فاصله 10xD1 از لوله مستقیم در بالادست ونتوری وجود داشته باشد. افت هد HEAD در ونتوری متر معمولا بین 10 تا 20 درصد Δh است. این درصد برای ونتوری های بزرگتر و با افزایش نرخ جریان کاهش می یابد. خطای اندازه گیری دبی ونتوری اغلب در محدوده ± 0.5% تا 1±% از مقدار دبی واقعی است. ونتوری متر از فولاد، آهن، بتن، چوب، پلاستیک، برنج، برنز و مواد دیگر ساخته شده است و بسیاری از ونتوری مترهای تجاری دارای ویژگی های ثبت شده هستند.

 

    فلومتر ونتوری فلنجی

 

استانداردهای نازل های جریان، مخاطرات و روزنه ها
ISO 5167-3:2003 هندسه و روش استفاده (نصب و شرایط عملیاتی) نازل ها و نازل های Venturi را هنگامی که در مجرای پر کار قرار می گیرند برای تعیین نرخ جریان سیال در مجرای لوله مشخص می کند.

ISO 5167-3:2003 همچنین اطلاعات زمینه ای را برای محاسبه نرخ جریان ارائه می دهد و در ارتباط با الزامات ارائه شده در ISO 5167-1 قابل اجرا است.

ISO 5167-3:2003 برای نازل‌ها و نازل‌های Venturi که در آن‌ها جریان مادون صوت در سراسر بخش اندازه‌گیری باقی می‌ماند و سیال را می‌توان به عنوان تک فاز در نظر گرفت، کاربرد دارد. علاوه بر این، هر یک از دستگاه ها فقط در محدوده های مشخص شده اندازه لوله و تعداد رینولدز قابل استفاده هستند. برای اندازه گیری جریان ضربانی کاربرد ندارد. استفاده از نازل ها و نازل های Venturi در اندازه لوله های کمتر از 50 میلی متر یا بیشتر از 630 میلی متر یا برای لوله های رینولدز زیر 10000 را پوشش نمی دهد.

ISO 5167-3:2003 با دو نوع نازل استاندارد سروکار دارد، نازل ISA 1932 و نازل شعاع بلند و همچنین نازل Venturi.

دو نوع نازل استاندارد اساساً متفاوت هستند و به طور جداگانه در ISO 5167-3:2003 شرح داده شده اند. نازل Venturi دارای همان سطح بالادست نازل ISA 1932 است، اما دارای یک بخش واگرا و بنابراین، مکان متفاوتی برای فشارهای پایین دست است و به طور جداگانه توضیح داده شده است. این طرح نسبت به یک نازل مشابه افت فشار کمتری دارد.

برای هر دوی این نازل‌ها و برای نازل ونتوری آزمایش‌های کالیبراسیون مستقیم، از نظر تعداد، گسترش و کیفیت کافی انجام شده است تا سیستم‌های کاربردی منسجم را بر اساس نتایج و ضرایب آن‌ها با محدودیت‌های قابل پیش‌بینی مشخصی از عدم قطعیت ارائه کنند.

استاندارد BS 1042-1-1.2 اندازه گیری جریان سیال در مجرای بسته را مشخص می کند. دستگاه های دیفرانسیل فشار مشخصات صفحات و نازل های دهانه مربعی (دارای سوراخ های تخلیه، در لوله های با قطر کمتر از 50 میلی متر، به عنوان دستگاه های ورودی و خروجی) و سایر صفحات روزنه ای.

هندسه و روش استفاده برای صفحات دهانه ورودی مخروطی، صفحات روزنه ربع دایره و صفحات دهانه خارج از مرکز. همچنین صفحات و نازل های دهانه مربعی خارج از محدوده BS 1042: بخش 1.1.

استاندارد ASME MFC-3M هندسه و روش استفاده (نصب و شرایط جریان) را برای صفحات روزنه‌ای، نازل‌ها و لوله‌های Venturi زمانی که در مجرای پر کار قرار می‌گیرند، مشخص می‌کند تا سرعت جریان سیال را تعیین کند. همچنین اطلاعات لازم برای محاسبه نرخ جریان و عدم قطعیت مربوط به آن را می دهد. این فقط برای دستگاه‌های اختلاف فشار اعمال می‌شود که در آن‌ها جریان آشفته باقی می‌ماند و زیر صوت در سراسر بخش اندازه‌گیری ثابت است یا به آرامی با زمان تغییر می‌کند و سیال تک فاز در نظر گرفته می‌شود. علاوه بر این، عدم قطعیت‌ها در بخش‌های مناسب این استاندارد برای هر یک از این دستگاه‌ها، در محدوده اندازه لوله و تعداد رینولدز مشخص شده‌اند.

سایر ابزارها یا وسایل مورد نیاز برای اندازه گیری یا انتقال فشارهای تفاضلی به عنوان عناصر ثانویه شناخته می شوند و در ترکیب آنها به عنوان دستگاه های ثانویه شناخته می شوند. این استاندارد دستگاه های اولیه را پوشش می دهد. دستگاه های ثانویه فقط گاهی ذکر خواهند شد.

دستگاه های اولیه زیر در این استاندارد پوشش داده شده است.

(الف) صفحات روزنه ای، که می توانند با ترتیبات زیر شیرهای فشار استفاده شوند.

(1) شیرهای فشار فلنجی،

(2) شیرهای فشار D و D/2، (3) ) شیرهای فشار گوشه.

(ب) نازل ها..

(1) نازل های شعاع بلند ASME.
(ج) لوله های ونتوری..

(1) لوله های ونتوری کلاسیک.

این استاندارد اندازه لوله یا مجرای کمتر از 50 میلی متر (2 اینچ) اسمی را ندارد.
این استاندارد برای اندازه گیری کد آزمون عملکرد ASME اعمال نمی شود.
این استاندارد برای اندازه گیری جریان هر سیال (مایع، بخار یا گاز) قابل اجرا است.

 

 

نویسنده: محسن لطفی صومعه / منبع: Spirax-Sarco / USBR. Flow measurement manual