روتامترها

فلومتر منطقه متغیر چیست؟
فلومتر منطقه متغیر (شکل 1) نوعی دبی سنج فشار تفاضلی (d/p) است. دبی سنج های منطقه متغیر دستگاه های ساده و همه کاره ای هستند که با افت فشار نسبتاً ثابت کار می کنند و اندازه گیری جریان مایعات، گازها و بخار را ارائه می دهند.

شکل 1: تعدادی طرح دبی متر منطقه متغیر

 

نحوه عملکرد دبی سنج های منطقه متغیر
موقعیت شناور درون خطی، پیستون یا پره دبی سنج با مساحت متغیر تغییر می‌کند زیرا دبی فزاینده ناحیه جریان بزرگ‌تری را برای عبور سیال جاری باز می‌کند. موقعیت شناور، پیستون یا پره یک نشانه بصری مستقیم از سرعت جریان ارائه می دهد. تغییرات طراحی شامل روتامر (یک شناور در یک لوله مخروطی)، ترکیب روزنه/روتامتر (روتامتر بای پس)، دروازه متغیر کانال باز، پلاگین مخروطی، و طرح های پره یا پیستون است.

یا نیروی گرانش یا فنر برای بازگرداندن عنصر جریان به حالت استراحت خود زمانی که جریان کاهش می یابد استفاده می شود. مترهای گرانشی (روتامترها) باید در حالت عمودی نصب شوند، در حالی که مترهای فنری را می توان در هر موقعیتی نصب کرد. تمام دبی سنج های منطقه متغیر با نشانگرهای محلی در دسترس هستند. اکثر آنها همچنین می توانند با سنسورها و فرستنده های موقعیت (پنوماتیک، الکترونیکی، دیجیتال یا فیبر نوری) برای اتصال به نمایشگرها یا کنترل های از راه دور ارائه شوند.

اصل کارکرد فلومتر منطقه متغیر
عملکرد فلومتر منطقه متغیر بر اساس اصل منطقه متغیر است: جریان سیال یک شناور را در یک لوله مخروطی بالا می برد و سطح عبور سیال را افزایش می دهد. هرچه جریان بیشتر باشد، شناور بالاتر می رود. ارتفاع شناور با سرعت جریان متناسب است. در مایعات، شناور با ترکیبی از شناوری مایع و سر سرعت سیال بالا می رود. با جریان گاز، شناوری ناچیز است و شناور به تنهایی به سر سرعت پاسخ می دهد. شناور متناسب با سرعت جریان سیال و ناحیه حلقوی بین شناور و دیواره لوله در لوله به بالا یا پایین حرکت می کند. هنگامی که نیروی رو به بالا توسط سیال جاری با نیروی گرانشی رو به پایین اعمال شده توسط وزن شناور برابر شود، شناور در لوله به یک موقعیت پایدار می رسد. تغییر در نرخ جریان این توازن نیروها را بر هم می زند. سپس شناور به سمت بالا یا پایین حرکت می کند و ناحیه حلقوی را تغییر می دهد تا زمانی که دوباره به موقعیتی برسد که نیروها در تعادل هستند. برای برآورده کردن معادله نیرو، فلوت سنج سطح متغیر یک موقعیت مجزا برای هر دبی ثابت در نظر می گیرد. با این حال، توجه به این نکته مهم است که از آنجایی که موقعیت شناور وابسته به گرانش است، فلومترهای منطقه متغیر باید به صورت عمودی جهت گیری و نصب شوند.

تنظیم کننده های جریان تصفیه
اگر یک شیر سوزنی در ورودی یا خروجی یک روتامتر قرار داده شود و یک تنظیم کننده d/p اختلاف فشار را در این ترکیب کنترل کند، نتیجه یک تنظیم کننده جریان تصفیه است. چنین بسته‌های ابزار دقیقی به‌عنوان دبی‌سنج‌های تصفیه مستقل استفاده می‌شوند (شکل 2). اینها جزو پرکاربردترین فلومترها هستند و قیمت پایینی دارند. کاربرد اصلی آنها کنترل جریانهای کوچک تصفیه گاز یا مایع است. آنها برای محافظت از ابزارها در برابر تماس با سیالات داغ و خورنده، برای محافظت از شیرهای فشار در برابر مسدود شدن، برای محافظت از تمیزی دستگاه های نوری، و برای محافظت از دستگاه های الکتریکی در برابر اشتعال در تماس با مواد قابل احتراق استفاده می شوند.

شکل 2: طراحی جریان سنج پاکسازی

 

روتامترها
روتامتر به دلیل هزینه از دست رفته، سادگی، افت فشار کم، برد نسبتاً وسیع و خروجی خطی، پرکاربردترین متغیر فلومتر است. عملکرد آن ساده است: برای عبور از لوله مخروطی، جریان سیال شناور را بالا می برد. هرچه جریان بیشتر باشد، شناور بالاتر می رود. در سرویس مایع، شناور به دلیل ترکیبی از شناوری مایع و سر سرعت سیال بالا می رود. با گازها، شناوری ناچیز است و شناور بیشتر به سر سرعت پاسخ می دهد.

در یک روتامتر (شکل 1)، لوله اندازه گیری به صورت عمودی نصب می شود و انتهای کوچک آن در پایین قرار دارد. سیال مورد اندازه گیری از پایین لوله وارد می شود، از اطراف شناور به سمت بالا عبور می کند و از بالا خارج می شود. هنگامی که جریان وجود ندارد، شناور در پایین قرار می گیرد. هنگامی که سیال وارد می شود، شناور اندازه گیری شروع به بالا رفتن می کند.

شناور متناسب با سرعت جریان سیال و ناحیه حلقوی بین شناور و دیواره لوله بالا و پایین می رود. با بالا رفتن شناور، اندازه دهانه حلقوی افزایش می یابد. با افزایش این ناحیه، فشار دیفرانسیل در سراسر شناور کاهش می یابد. شناور زمانی به موقعیت پایداری می رسد که نیروی رو به بالا اعمال شده توسط سیال جاری با وزن شناور برابر شود. هر موقعیت شناور مربوط به دبی خاصی برای چگالی و ویسکوزیته یک سیال خاص است. به همین دلیل لازم است روتامتر را برای هر کاربرد اندازه گیری کرد. هنگامی که اندازه صحیح باشد، سرعت جریان را می توان با تطبیق موقعیت شناور با مقیاس مدرج در قسمت بیرونی روتامتر تعیین کرد. بسیاری از روتامترها دارای یک دریچه داخلی برای تنظیم جریان به صورت دستی هستند.

چندین شکل از شناور برای کاربردهای مختلف موجود است. یکی از طرح‌های اولیه دارای شکاف‌هایی بود که باعث می‌شد شناور برای اهداف تثبیت و مرکزی بچرخد. چون این شناور می چرخید، اصطلاح روتامتر ابداع شد.

روتامترها معمولاً با داده های کالیبراسیون و مقیاس خواندن مستقیم هوا یا آب (یا هر دو) ارائه می شوند. برای اندازه گیری یک روتامتر برای سایر خدمات، ابتدا باید جریان واقعی را به یک جریان استاندارد تبدیل کرد. برای مایعات، این جریان استاندارد معادل آب در gpm است. برای گازها، جریان استاندارد معادل جریان هوا بر حسب فوت مکعب استاندارد در دقیقه (scfm) است. جداول فهرست مقادیر استاندارد gpm معادل آب و/یا scfm هوا توسط سازندگان روتامتر ارائه شده است. سازندگان اغلب قوانین جانبی، نوموگراف ها یا نرم افزارهای کامپیوتری را برای اندازه چرخش سنج ارائه می کنند.

 

نحوه انتخاب یک فلومتر منطقه متغیر: تغییرات طراحی
انتخاب گسترده ای از مواد برای شناورها، بسته بندی، حلقه های O و اتصالات انتهایی در دسترس است. لوله های روتامتر برای کاربردهای ایمن مانند هوا یا آب می توانند از شیشه ساخته شوند، در حالی که اگر شکستگی باعث ایجاد شرایط ناامن شود، با لوله های فلزی ارائه می شود. لوله های شیشه ای متداول ترین هستند - که از شیشه بوروسیلیکات محافظ ایمن تشکیل شده اند. شناورها معمولاً از شیشه، پلاستیک، فلز یا فولاد ضد زنگ برای مقاومت در برابر خوردگی ماشینکاری می شوند. سایر مواد شناور شامل کربولوی، یاقوت کبود و تانتالیوم است. اتصالات انتهایی در فلز یا پلاستیک موجود است. برخی از مایعات به لوله اندازه گیری شیشه ای حمله می کنند، مانند جریان مرطوب یا آب با pH بالا بیش از 194 درجه فارنهایت (که می تواند شیشه را نرم کند). سود سوزآور (که شیشه را حل می کند)؛ و اسید هیدروفلوئوریک (که شیشه را حکاکی می کند).

شناورها دارای لبه تیز در نقطه ای هستند که قرائت باید در مقیاس نصب شده روی لوله مشاهده شود. برای بهبود دقت خواندن، یک روتامتر لوله شیشه ای باید در سطح چشم نصب شود. مقیاس را می توان برای خواندن مستقیم هوا یا آب کالیبره کرد یا می تواند درصد محدوده را بخواند. به طور کلی، چرخش سنج های لوله شیشه ای می توانند جریان را تا 60 گرم در دقیقه آب و 200 scfh هوا اندازه گیری کنند.

یک روتامتر همبستگی دارای مقیاسی است که از آن خوانش گرفته می شود (شکل 1). سپس این قرائت با یک جدول همبستگی برای یک گاز یا مایع معین مقایسه می شود تا جریان واقعی در واحدهای مهندسی بدست آید. نمودارهای همبستگی برای نیتروژن، اکسیژن، هیدروژن، هلیم، آرگون و دی اکسید کربن به راحتی در دسترس هستند. در حالی که تقریباً به اندازه یک دستگاه خواندن مستقیم راحت نیست، یک متر همبستگی دقیق تر است. این به این دلیل است که یک دستگاه قرائت مستقیم فقط برای یک گاز یا مایع خاص در دما و فشار خاص دقیق است. دبی سنج همبستگی را می توان با طیف وسیعی از سیالات و گازها تحت شرایط مختلف استفاده کرد. در یک لوله، با استفاده از شناورهای مختلف می توان دبی های مختلف را مدیریت کرد.

چرخش سنج های لوله شیشه ای کوچک برای کار با فشارهای تا 500 psig مناسب هستند، اما حداکثر فشار کاری یک لوله بزرگ (قطر 2 اینچی) ممکن است به 100 psig نیز برسد. حد عملی دمای حدود 400 درجه فارنهایت است، اما چنین عملیاتی در دمای بالا به طور قابل ملاحظه ای فشار عملیاتی لوله را کاهش می دهد. به طور کلی یک رابطه خطی بین دمای کار و فشار وجود دارد. چرخش سنج های لوله شیشه ای اغلب در کاربردهایی استفاده می شود که در آن چندین جریان گاز یا مایع به طور همزمان اندازه گیری می شوند یا در یک منیفولد مخلوط می شوند یا جایی که یک سیال منفرد از طریق چندین کانال تخلیه می شود (شکل 3). چند متر جریان لوله اجازه می دهد تا حداکثر شش چرخش سنج در یک قاب نصب شود.

شکل 3: روتامتر چند لوله ای

 

همچنین امکان کارکردن روتامتر در خلاء وجود دارد. اگر روتامتر دارای شیر باشد، باید در خروجی بالای کنتور قرار گیرد. برای کاربردهایی که به محدوده اندازه گیری گسترده نیاز دارند، می توان از چرخش سنج دو توپی استفاده کرد. این ابزار دارای دو شناور توپ است: یک توپ سبک (معمولاً سیاه) برای نشان دادن جریان کم و یک توپ سنگین (معمولاً سفید) برای نشان دادن جریان زیاد. توپ سیاه تا زمانی که از مقیاس خارج شود خوانده می شود و سپس توپ سفید خوانده می شود. یکی از این ابزارها دارای محدوده اندازه گیری مشکی بین 235-2350 میلی لیتر در دقیقه و رنگ سفید تا 5000 میلی لیتر در دقیقه است.

برای فشارها و دماهای بالاتر فراتر از محدوده عملی شیشه، می توان از چرخش سنج های لوله فلزی استفاده کرد. این لوله ها معمولاً از فولاد ضد زنگ ساخته می شوند و موقعیت شناور توسط پیروان مغناطیسی با بازخوانی در خارج از لوله اندازه گیری تشخیص داده می شود.

چرخش سنج های لوله فلزی را می توان برای قلیایی های داغ و قوی، فلوئور، اسید هیدروفلوئوریک، آب داغ، بخار، دوغاب، گاز ترش، مواد افزودنی و فلزات مذاب استفاده کرد. آنها همچنین می توانند در کاربردهایی استفاده شوند که فشارهای عملیاتی بالا، چکش آب یا سایر نیروها می تواند به لوله های شیشه ای آسیب برساند. روتامرهای لوله فلزی در اندازه های قطری از 3/8 اینچ تا 4 اینچ موجود هستند، می توانند در فشار تا 750 psig، دما تا 540 درجه سانتیگراد (1000 درجه فارنهایت) کار کنند و می توانند جریان تا 4000 گرم در دقیقه آب 1300 scfm را اندازه گیری کنند. هوا چرخش سنج های لوله فلزی به راحتی به عنوان فرستنده جریان برای ادغام با کنترل های آنالوگ یا دیجیتال از راه دور در دسترس هستند. فرستنده ها معمولاً موقعیت شناور را از طریق کوپلینگ مغناطیسی تشخیص می دهند و اغلب با نشانه خارجی از طریق یک مارپیچ مغناطیسی قابل چرخش که نشانگر را حرکت می دهد ارائه می شوند. فرستنده می تواند ذاتاً ایمن و مبتنی بر ریزپردازنده باشد و می تواند با آلارم و یک خروجی پالس برای کلی سازی ارائه شود.

روتامترهای لوله پلاستیکی روتامترهای ارزان قیمتی هستند که برای کاربردهای سیالات خورنده یا آب دیونیزه ایده آل هستند.

 

دقت
روتامترهای آزمایشگاهی را می توان با دقت 0.50٪ AR در محدوده 4:1 کالیبره کرد، در حالی که عدم دقت روتامترهای صنعتی معمولاً 1-2٪ FS در محدوده 10:1 است. خطاهای روتامتر پاکسازی و بای پس در محدوده 5 درصد است.

روتامترها را می توان برای تنظیم دستی نرخ جریان با تنظیم باز شدن شیر و در عین حال مشاهده مقیاس برای تعیین نرخ جریان فرآیند مورد نیاز استفاده کرد. اگر شرایط عملیاتی بدون تغییر باقی بماند، روتامترها می‌توانند تا 0.25% نرخ جریان واقعی قابل تکرار باشند.

اکثر روتامترها نسبتاً به تغییرات ویسکوزیته حساس نیستند. حساس ترین چرخش سنج های بسیار کوچک با شناورهای توپی هستند، در حالی که روتامترهای بزرگتر نسبت به اثرات ویسکوزیته حساسیت کمتری دارند. محدودیت های هر طرح توسط سازنده منتشر شده است (شکل 4). شکل شناور بر محدودیت ویسکوزیته تأثیر می گذارد. اگر از حد ویسکوزیته تجاوز شود، جریان مشخص شده باید برای ویسکوزیته اصلاح شود.

 

از آنجایی که شناور به تغییرات چگالی سیال حساس است، یک روتامتر را می توان با دو شناور (یکی به چگالی، دیگری به سرعت) مجهز کرد و برای تقریبی دبی جرمی استفاده کرد. هر چه چگالی شناور بیشتر با چگالی سیال مطابقت داشته باشد، تأثیر تغییر چگالی سیال بر موقعیت شناور بیشتر خواهد بود. روتامترهای جریان انبوه با سیالات با ویسکوزیته کم مانند آب شکر خام، بنزین، سوخت جت و هیدروکربن های سبک بهترین عملکرد را دارند.

دقت روتامتر تحت تأثیر پیکربندی لوله‌کشی بالادست قرار نمی‌گیرد. این متر همچنین می تواند مستقیماً بعد از زانویی لوله بدون تأثیر نامطلوب بر دقت اندازه گیری نصب شود. روتامترها ذاتاً خود تمیز شونده هستند، زیرا با جریان یافتن سیال بین دیواره لوله و شناور، عمل آبشستگی ایجاد می کند که از تجمع مواد خارجی جلوگیری می کند. با این وجود، روتامترها باید فقط روی سیالات تمیزی استفاده شوند که شناور یا لوله را پوشش نمی دهند. همچنین باید از مایعات دارای مواد فیبری، مواد ساینده و ذرات بزرگ اجتناب شود.

 

نویسنده: محسن لطفی صومعه / منبع: omega.com - liptak