دبی سنج با ناحیه متغیر

دبی سنج با ناحیه متغیر variable area نیز یک سنسور اندازه گیری جریان است، اما افت فشار را در یک روزنه ثابت اندازه گیری نمی کند. در عوض در این تجهیزات، افت فشار نسبتاً ثابت نگه داشته می‌شود و مساحت دهانه عبوری جریان برای مطابقت با جریان عبوری تغییر می‌کند (شکل زیر). در جریان سنج‌های variable area سرعت سیال باعث بالا رفتن شناور داخل آن شده و نیروی گرانش خلاف جهت جریان شناور را به پایین می کشد و در نهایت این شناور است که باید با انرژی جنبشی جریان و نیروی گرانش وارد شده به آن در یک نقطه متعادل شود. این واحدها فقط می توانند به صورت عمودی کار کنند.

 

در صورتی که اطلاعات این مقاله بیشتر از نیاز شماست میتوانید از این لینک جهت بررسی کوتاه روتامترها استفاده کنید. هنگامی که بلند کردن شناور، پیستون یا پره به جای نیروی جاذبه توسط یک فنر مقاومت می‌کند، فلومتر را می‌توان در هر موقعیتی نصب کرد و می‌توان آن را به عنوان یک قطعه از مسیر اصلی لوله پیکربندی کرد. این مزیت در راحتی لوله‌کشی باید با این واقعیت سنجیده شود که یک فنر در مسیر فرآیند می‌تواند یک مشکل تعمیر و نگهداری باشد و ممکن است مانند گرانش نیروی ثابتی ایجاد نکند. همه دبی سنج های variable area را می توان با نشانگرهای محلی تهیه کرد. علاوه بر این، بیشتر آنها را می توان با انتقال پنوماتیک، الکترونیکی، دیجیتال یا فیبر نوری یا با ریزپردازنده ها برای عملکرد ترانسمیتر مجهز کرد.

در بحث زیر، جریان‌سنج‌های مختلف با ناحیه متغیر مورد بحث قرار خواهند گرفت و با طراحی‌های لوله مخروطی (روتامتر) شروع می‌شود.

 

 

روتامترها
روتامترها به دلیل هزینه کم، سادگی، افت فشار کم، برد نسبتاً وسیع و خروجی خطی، انتخاب های محبوبی برای اندازه گیری جریان کم هستند. آنها از این نظر محدود هستند که می توانند فقط به صورت عمودی نصب شوند، فقط می توانند روی مایعات تمیز استفاده شوند، و اگر از لوله های شیشه ای استفاده شود، می توانند خطر ایمنی ایجاد کنند (و تجمع کثیفی روی لوله شیشه ای می تواند دید را محدود کند). لوله‌های شیشه‌ای از نظر حداکثر فشار و درجه حرارت محدود هستند. فشار کار ایمن آنها با افزایش قطر لوله کاهش می یابد. از آنجایی که شناور فولادی ضدزنگ با دما بیشتر از لوله شیشه ای منبسط می شود، دمای عملیاتی برای 0.25  اینچ (قطر لوله 6 میلی‌متر) به 200 درجه فارنهایت (93 درجه سانتی گراد) محدود می شود. ، و این محدودیت برای 4 اینچ  (قطر لوله 100 میلی متر) به 120 درجه فارنهایت (49 درجه سانتی‌گراد) کاهش می‌یابد. . ظرفیت جریان فلومترهای لوله شیشه ای نیز محدود است. یک لوله با قطر 6 میلی متر 0.05 تا 0.5 GPM (0.19 تا 1.9 لیتر در دقیقه) آب یا 0.18 تا 1.8 SCFM (0.3 تا 3 سانتی متر در ساعت) هوا را عبور می دهد. برای سایز 75 میلی متر (3 اینچ)، حداکثر محدوده جریان آب 60 تا 120 GMP (225 تا 450 لیتر در دقیقه) و حداکثر جریان هوا 200 تا 500 SCFM (350 تا 900 سانتی متر در ساعت) است. 

روتامتر یک جریان سنج با سطح متغیر است. این شامل یک لوله اندازه گیری مخروطی و یک شناور است که آزادانه در داخل لوله به بالا و پایین حرکت می کند. لوله اندازه گیری به صورت عمودی با انتهای کوچک در پایین نصب شده است. سیالی که باید اندازه‌گیری شود از پایین لوله وارد می‌شود، از اطراف شناور به سمت بالا عبور می‌کند و در بالا به بیرون جریان می‌یابد. شکل زیر نمایشی از یک روتامتر است.

 

 

هنگامی که جریانی از روتامتر وجود ندارد، شناور در پایین لوله اندازه گیری قرار می گیرد، جایی که حداکثر قطر شناور تقریباً با سوراخ لوله یکسان است. هنگامی که سیال وارد لوله اندازه گیری می شود، نیروی ارشمیدس سیال شناور را سبک می کند، اما چگالی آن بیشتر از سیال است و اثر شناوری برای بالا بردن آن کافی نیست. یک دهانه حلقوی کوچک بین شناور و لوله وجود دارد. افت فشار در سراسر شناور افزایش می‌یابد و شناور را بالا می‌برد تا سطح بین شناور و لوله افزایش یابد تا زمانی که نیروهای هیدرولیکی رو به بالا که بر روی آن وارد می‌شوند با وزن آن منهای نیروی شناور متعادل شوند. شناور اندازه گیری در جریان سیال "فلوتر floater" است. floater متناسب با سرعت جریان سیال و ناحیه حلقوی بین شناور و  لوله بالا و پایین می رود. زمانی که نیروها در حالت تعادل هستند فلوتر به موقعیت پایداری در لوله می رسد. با حرکت شناور به سمت بالا به سمت انتهای بزرگتر لوله مخروطی، دهانه حلقوی بین لوله و شناور افزایش می یابد. با افزایش مساحت، اختلاف فشار در سراسر شناور کاهش می یابد. هنگامی که اختلاف فشار در سراسر شناور به اضافه اثر شناوری وزن شناور را متعادل می کند، شناور موقعیتی را در تعادل دینامیکی به خود می گیرد. هر گونه افزایش بیشتر در سرعت سیال باعث می شود که شناور در لوله بالاتر برود. کاهش جریان باعث می شود که فلوتر به یک موقعیت پایین تر سقوط کند. موقعیت قرار گیری فلوتر در هر زمان مربوط به یک نرخ فلوی سیال در همان زمان می با، البته برای سیالی با چگالی و ویسکوزیته معین. ارائه یک مقیاس خواندن یا کالیبراسیون روی لوله ضروری است و سرعت جریان را می توان با مشاهده مستقیم موقعیت شناور در لوله اندازه گیری تعیین کرد. اغلب، لوله‌های اندازه‌گیری شیشه‌ای در قاب‌های فلزی با سپرهای ضخیم نصب می‌شوند تا از اپراتور در برابر نشت یا نشت تصادفی محافظت کنند. همچنین فلومترهای اکریلیک، پلی کربنات، پلی سولفون یا دیگر پلاستیکی برای کاربردهای کم‌هزینه وجود دارد. لوله های اندازه گیری فلزی در جاهایی استفاده می شود که شیشه از نظر فنی راضی کننده نباشد(مثلا در محیط های صنعتی و نیمه صنعتی). در این مورد، موقعیت شناور باید به طور غیرمستقیم توسط تکنیک های مغناطیسی یا الکتریکی تعیین شود. استفاده از حسگرهای غیرمستقیم موقعیت شناور نیز عملکردهایی غیر از نشانه مستقیم بصری را فراهم می کند. روتامترهایی در دسترس هستند که سیگنال‌های پنوماتیک، الکترونیکی یا پالس زمانی را ارسال می‌کنند یا عملکردهای ضبط یا کنترل را ارائه می‌دهند. برای کاربردهای بسیار خورنده، فلومترهای PTFE با لوله های اندازه گیری PFA نیمه شفاف در دسترس هستند. این مترها با واشرهای PTFE  و O-ring به استثنای مواد الاستومری طراحی شده اند. 

 

سایزینگ
برای اندازه گیری یک روتامتر، مرسوم است که جریان واقعی را به جریان استاندارد تبدیل کنید. برای جریان مایع، لازم است GPM (l/min یا l/hr) معادل آب محاسبه شود. برای گازها، تعیین SCFM (l/min یا l/hr) معادل هوا ضروری است. جداول ظرفیت بر اساس این جریان های استاندارد GPM یا cm³/min آب و SCFM یا cm³/min هوا در شرایط استاندارد است. جداول همچنین بر اساس استفاده از شناورهای استنلس استیل است. معادلات لازم برای محاسبه آب یا هوا معادل در زیر ارائه شده است.

 

برای تسهیل این محاسبات، سازندگان قوانین ساده یا نمودار هایی را ارائه می دهند که به طور خاص برای فلومترهای آنها طراحی شده اند.

 

مشخصات روتامتر
طیف بسیار وسیعی از مایعات را می توان توسط روتامتر اندازه گیری کرد. انتخاب گسترده ای از لوله، شناور، اتصالات انتهایی، و بسته بندی یا مواد O-ring برای سرویس خاصی که در نظر گرفته شده است در دسترس است. حتی فلزات مایع مانند جیوه و سرب مایع را می توان اندازه گیری کرد. از آنجایی که این فلزات چگال تر از شناورهای فولادی ضد زنگ هستند، توسط یک روتامتر معکوس اندازه گیری می شوند. در این حالت، جریان از بالا به پایین است. هنگامی که روتامتر پر از فلز مایع است اما جریانی وجود ندارد، شناور فولادی ضدزنگ توسط مایع سنگین تر شناور می شود و در ورودی، که در بالا است، قرار می گیرد. هنگامی که جریان وجود دارد، جریان شناور را در برابر نیروی شناور خالص به سمت پایین وادار می کند، و شناور موقعیتی مرتبط با نرخ جریان می گیرد. روتامتر ها یک دبی سنج های  ارزان قیمت برای اندازه گیری جریان گاز هستند. افت فشار در سراسر فلومتر در محدوده عملیاتی 10:1 ثابت است. افت فشار کم است، معمولاً کمتر از 1 PSI (6.89 کیلو پاسکال). طرح های ویژه ای برای افت فشار حتی کمتر موجود است. موقعیت فلوتر در لوله اندازه گیری در یک رابطه خطی با دبی جریان متفاوت است. این در محدوده های تا نسبت 10:1 برقرار است. زینه بندی های خواندن مستقیم راحت هستند. با این حال، آنها فقط برای سیالی که برای آن طراحی شده اند و فقط در یک مجموعه منحصر به فرد از شرایط فشار و دما معتبر هستند. مقیاس‌های میلی‌متری همراه با نمودارهای کالیبراسیون که ارتفاع شناور را به نرخ جریان مرتبط می‌کنند، استفاده می‌شوند. مزیت مقیاس های جهانی، قابلیت استفاده از یک دبی سنج برای سیالات مختلف در شرایط فشار و دمای مختلف است. روتامترها می توانند به طور مستقیم جریان های تا 4000 GPM (920 L/h) را اندازه گیری کنند. حتی نرخ جریان بالاتر را می توان با استفاده از روتامترهای نوع بای پس از نظر اقتصادی و نحوه نصب و شرایط خاص مدیریت کرد. آرامک صنعت هوشمند اولین سازنده اینگونه روتامترها در ایران می باشد.

ظرفیت روتامترها را می توان با تغییر شناور تغییر داد. پیکربندی های مختلف شناور برای ظرفیت های بالاتر در دسترس هستند و با استفاده از محفظه یکسان به طور کلی اجازه تغییر 2:1 در ظرفیت را می دهند. این تغییرات می تواند با تغییر در نرخ جریان و تغییر در چگالی سیال مورد نیاز باشد. برای جریان‌های کوچکی که در آن شناورهای کروی استفاده می‌شود، زمانی که دو شناور با چگالی متفاوت در یک لوله جریان یکسان نصب می‌شوند، نتیجه ای بهتر از 20:1 حاصل می‌شود. روتامترها نسبتاً به تغییرات ویسکوزیته حساس نیستند. در روتامترهای بسیار کوچک با شناورهای توپ، اینطور نیست و فلومترها به تغییرات عدد رینولدز پاسخ می‌دهند، که باعث می‌شود آن‌ها به تغییرات هم در ویسکوزیته و هم در چگالی حساس باشند. با این حال، روتامترهای بزرگتر حساسیت کمتری دارند. آستانه ایمنی ویسکوزیته می تواند تا 100 cps (1 Pa α · s) باشد. کنتورها را می توان بالاتر از حد ویسکوزیته کار کرد. با این حال، برای این شرایط، فلومتر برای شرایط ویسکوزیته گسسته ای که قرار است با آن مواجه شویم، کالیبره شده است، و منحنی های اصلاحی برای تنظیم جریان نشان داده شده به جریان واقعی برای ویسکوزیته داده شده ارائه می شود.

با توجه به اینکه شناور به تغییرات چگالی سیال پاسخ می‌دهد، می‌توان از روتامتر برای نرخ جریان جرمی به صورت تقریبی استفاده کرد. برای یک نرخ جریان حجمی ثابت، موقعیت شناور در لوله اندازه گیری، با تغییر چگالی سیال تغییر می کند. اثر تغییرات چگالی سیال بر موقعیت شناور تابعی از چگالی نسبی شناور و سیال است. هرچه چگالی شناور به چگالی سیال نزدیک‌تر شود، تأثیر چگالی سیال معین بیشتر می‌شود و تأثیر تغییر چگالی سیال بیشتر می‌شود. به دست آمده است که، اگر چگالی شناور دو برابر چگالی سیال باشد، جبران تغییر چگالی جریان عبوری دقیق است و روتامتر یک جریان سنج جرمی است. با این حال، چگالیسیال عبوری معمولاً متفاوت است و از آنجایی که چگالی شناور برای پیروی از تغییرات چگالی سیال قابل تنظیم نیست، مصالحه انجام می شود. چگالی سیال متوسط ​​برای تعیین چگالی شناور استفاده می شود. تغییر 10% چگالی سیال نسبت به مرجع باعث عدم دقت 0.5% در اندازه گیری جریان جرمی می شود. روتامتر جرمی را می توان فقط برای سیالات کم ویسکوزیته مانند آب شکر خام، بنزین، سوخت جت و سایر هیدروکربن های سبک استفاده کرد. اگرچه اکثریت قریب به اتفاق روتامترها با خطاهای 2 تا 10 درصد از مقیاس کامل کار می کنند، برخی از آنها با عملکرد درصدی در دسترس هستند. زینه بندی های مقیاس لگاریتمی به گونه ای طراحی شده اند که در همه موقعیت های مقیاس در محدوده 10:1 فلومتر دقت یکسانی را ارائه دهند. اظهارات دقت 0.5% و 1% موجود است.  روتامتر تحت تأثیر اثرات لوله کشی بالادست قرار نمی گیرد. روتامتر را می توان با هر نوع پیکربندی لوله کشی قبل از ورودی نصب کرد. برای کاربردهای خلاء، یک دریچه باید در خروجی روتامتر نصب شود تا شرایط جوی تقریباً در ورودی و داخل لوله اندازه گیری فراهم شود. این پیکربندی به حفظ اعتبار کالیبراسیون های STP کمک می کند. روتامتر یک فلومتر با قابلیت افزودن امکانات خارجی بسیار است. این فلومترها با انتخاب بسیار گسترده ای از آلارم ها، نشانگرها، فرستنده ها، توتالایزرها، کنترل کننده ها و ضبط کننده ها در دسترس هستند. مجموعه ای از توتالایزرها، کنترل کننده ها، ضبط کننده ها، نشانگرها و آلارم ها به صورت محلی در فلومتر موجود هستند. عملاً هر ترکیبی از نیازهای سیستم را می توان توسط لوازم جانبی و ابزارهای مرتبط با روتامترها مدیریت کرد.

 

انواع روتامتر
شکل های بالا نمای مقطعی یک روتامتر همه منظوره را نشان می دهد. تنها مایعاتی که نمی توان آنها را برای روتامترها استفاده کرد آنهایی هستند که به لوله شیشه یا گلویی استیل آن آسیب وارد می کنند. روتامترها به فشار و دمای لوله اندازه گیری شیشه ای (یا آهنربا) و ملاحظات ایمنی محدود می شوند. دقت این روتامترها معمولاً 1± تا 2±% مقیاس کامل است. روتامتر لوله فلزی زمانی استفاده می شود که فلومترهای همه منظوره را نمی توان استفاده کرد. آنها را می توان برای دمای بالا (بالاتر از 100 درجه فارنهایت یا 38 درجه سانتیگراد) و سیالات قلیایی قوی (غلظت بالای 20٪)، فلوئور، اسید هیدروئیوریک، آب داغ (بالای 200 درجه فارنهایت یا 93 درجه سانتیگراد)، بخار، دوغاب استفاده کرد. ، یا فلزات مذاب که در آن شیشه نمی توان استفاده کرد. این طبقه بندی فلومترها در مواردی استفاده می شود که دما و فشار کاری از درجه بندی لوله شیشه ای بیشتر باشد یا به طور کلی در جاهایی که انتقال سیگنال های الکترونیکی یا پنوماتیکی مورد نیاز است.

 

روتامترهای بای پاس و پیتوت
هزینه نصب روتامتر را می توان کاهش داد اگر به جای یک روتامتر با اندازه کامل لوله، از یک اوریفیس یا لوله پیتوت در خط لوله اصلی برای ایجاد افت فشار استفاده شود.(شرکت آرامک صنعت تنها سازنده این تجهیزات در ایران می باشد) این به نوبه خود باعث ایجاد یک جریان کوچک مرتبط می شود که می تواند از طریق یک روتامتر بای پس ارزان هدایت شود. نوع پیتوت را می توان در اندازه لوله های 1.5 اینچ (38 میلی متر) و بزرگتر استفاده کرد، در حالی که مجموعه های بای پس دهانه از قطر لوله 0.375 تا 20 اینچ (1 تا 51 سانتی متر) در دسترس هستند. اندازه‌گیری جریان در محدوده 10:1 خطی است و در حدود 2 درصد مقیاس کامل با دهانه و تا 5 تا 10 درصد مقیاس کامل با طرح پیتوت قابل ارائه است. این واحدها معمولاً برای جریان‌های فرآیند تمیز مانند آب و هوا طراحی شده‌اند و با فیلترهایی با دسترسی آسان برای تمیز کردن دوره‌ای ارائه می‌شوند. روتامترهای بای پس با شیرهای جداسازی نیز در دسترس هستند تا امکان تعمیر و نگهداری آنها در حین کار را فراهم کنند.

 

 

 پیستون متر مخروطی
دبی سنج های Variable Area  با دوشاخه مخروطی با بدنه های فلزی ساخته شده اند و در کاربردهایی با فشار بالاتر که در آن خطاهای 5 تا 10 درصد در مقیاس کامل قابل تحمل است استفاده می شود. آنها می توانند با نیروی جاذبه  یا فنر کار کنند و می توانند فشارهای بیش از 1000 PSIG (70 بار) را تحمل کنند. اندازه آنها از 0.25 تا 4 اینچ (6 تا 100 میلی متر) متغیر است و مواد بدنه آنها شامل برنج، آلومینیوم، فولاد، فولاد ضدزنگ و PVC است. واحدهای ثقلی باید به صورت عمودی نصب شوند، در حالی که واحدهای دارای فنر نیز می توانند افقی باشند. یکی از کاربردهای رایج این تجهیزات تشخیص نرخ جریان روغن پرفشار است. یک نوع دبی سنج با ناحیه متغیر، یک پیستون را در یک سیلندر سوراخ دار کار می کند (شکل زیر). این ابزار نسبت به یک روتامتر معمولی قیمت کمتری دارد. این برای جریان مایع تمیز با سرعت تا 120 GPM (450 لیتر در دقیقه) یا جریان گاز تا 700 SCFM (20 SCMM) با فشار تا 100 PSIG (7 بار) و دما تا 400 درجه فارنهایت (205) طراحی شده است.

 

روتامترهای دروازهای
خانواده‌ای از دبی‌سنج‌های Variable Area که به‌وسیله جریان جاری کار می‌کنند و دروازه‌های لولایی را بالا می‌برند یا پره‌های فنری را مجبور می‌کنند باز شوند. دروازه متغیر ترکیبی از یک منطقه متغیر و یک جریان سنج از نوع فلوم است. برای اندازه گیری فاضلاب یا مایعات دیگر در کانال های باز یا در لوله های نیمه پر استفاده می شود. این فلومتر را می توان در لوله های  6 یا 8 اینچ قرار داد. یک حلقه از جنس استنلس استیل آن را در جای خود نگه می دارد و یک فنر مسیر را می بندد تا تمام جریان از دهانه دروازه عبور کند. دقت معقولی در این محدوده جریان تقریباً 2000:1 به دست می آید. تا 10 GPM (38 لیتر در دقیقه)، حداکثر خطا 0.75 GPM (2.8 لیتر در دقیقه) است. در جریان های بالاتر، ادعا می شود که 7.5٪ از قرائت واقعی است. این متر با قابلیت ذخیره سازی داده ها، چاپگر و قابلیت نظارت محلی یا از راه دور ارائه می شود. یک دبی سنج با ناحیه متغیر از نوع پره ای شبیه یک دریچه پره ای است. تغییر جریان در ناحیه روزنه، پره فنری را مجبور به چرخش می کند. شفت متصل به پره، نشانگری را به کار می اندازد که نرخ جریان محلی را نشان می دهد. خطای اندازه گیری 2 تا 5 درصد از مقیاس کامل است. فلومتر را می توان روی روغن، آب، هوا و سایر خدمات استفاده کرد و در سایزهای  0.25 تا 4 اینچ موجود است. این دبی سنج با ناحیه متغیر اغلب به عنوان یک سوئیچ جریان نشان دهنده برای اهداف قفل ایمنی استفاده می شود. دبی سنج سطح متغیر دیگری از نوع پره ای که به صورت مغناطیسی با پره جفت می‌شود و ادعا می‌شود که نشان‌دهنده در 2% مقیاس کامل در محدوده 10:1 دقیق است. جهت جریان از طریق متر می تواند از چپ به راست، راست به چپ یا عمودی باشد. فشار عملیاتی به 200 PSIG (1.4 مگاپاسکال) محدود شده است. دمای عملیاتی به 250 درجه فارنهایت (120 درجه سانتیگراد) در استاندارد و به 400 درجه فارنهایت (205 درجه سانتیگراد) در واحدهای دارای حلقه های اورینگ ویتون محدود می شود. محفظه می تواند آلومینیوم، برنج، مس در هر نیکل یا فولاد ضدزنگ باشد. یک محدودیت یا یک منبع احتمالی خطا که برای این نوع مساحت متر متغیر در نظر گرفته می شود، توسط میدان های الکترومغناطیسی قوی در نزدیکی ایجاد می شود که می تواند در جفت مغناطیسی نشانگر تداخل ایجاد کند.

 

 

   نویسنده: محسن لطفی صومعه / منبع: liptak