اصل کار
(I) جریان سنج گرداب: کاربرد مهندسی اثر خیابان گرداب کارمان
جریان سنج گردابی بر اساس-اثر خیابان گرداب معروف کارمان کار می کند. هنگامی که سیال از طریق یک شیء بدون جریان جریان می یابد، به عنوان مثال، یک مولد گرداب، دو ردیف گردابه با فاصله منظم به طور متناوب در هر دو طرف پایین دست ایجاد می شود. این گرداب ها که شبیه ردیف های منظمی هستند، خیابان گرداب کارمان نامیده می شوند. فرکانس این تولید گرداب ارتباط نزدیکی با سرعت سیال دارد. با اندازه‌گیری دقیق فرکانس گرداب، می‌توان سرعت سیال را هوشمندانه محاسبه کرد و در نتیجه سرعت جریان را تعیین کرد.
به عنوان مثال، تصور کنید که در کنار رودخانه ای ایستاده اید و می بینید که آب از روی سنگ ها جاری است و گرداب های کوچک و چرخشی در پشت آنها ایجاد می کند. اگر بتوانیم سرعت این گرداب ها را بشماریم، می توانیم به طور تقریبی میزان جریان آب را تخمین بزنیم. دبی سنج ورتکس از این اصل استفاده می کند، اما دقیق تر و علمی تر است. از سنسورهایی برای تشخیص تغییرات فشار یا ارتعاشات ناشی از تولید گرداب استفاده می کند و آنها را به سیگنال های الکتریکی تبدیل می کند. پس از پردازش سیگنال و محاسبه، سرعت جریان سیال را می توان به دقت نمایش داد.
(II) دبی سنج توربین: اندازه گیری سرعت چرخش انرژی جنبشی سیال
دبی سنج توربین به نیروی سیال برای هدایت چرخش توربین متکی است. هنگامی که سیال وارد دبی سنج می شود، ابتدا از یک پره راهنما عبور می کند که مانند یک افسر راهنمایی و رانندگی عمل می کند و سیال را برای ضربه زدن به توربین در نرخ جریان و جهت پایدار سازماندهی می کند. تحت تاثیر سیال، توربین به سرعت شروع به چرخش می کند و سرعت چرخش آن به طور مستقیم با سرعت جریان سیال متناسب است. این شبیه به استفاده از یک فن برای تغذیه آسیاب بادی است. هرچه باد قوی‌تر باشد، آسیاب بادی سریع‌تر می‌چرخد.
برای اندازه گیری دقیق سرعت چرخش توربین، دبی سنج توربین از یک سنسور مغناطیسی استفاده می کند. یک هادی مغناطیسی بر روی قسمت دوار توربین نصب شده است. با چرخش توربین، هادی مغناطیسی نیز می چرخد و به طور دوره ای مقاومت مغناطیسی مدار مغناطیسی را تغییر می دهد. با توجه به اصل القای الکترومغناطیسی، این تغییر در مقاومت مغناطیسی سیگنال های پالس الکتریکی مربوطه را در سیم پیچ القا می کند. با جمع آوری، تجزیه و تحلیل و پردازش فرکانس این سیگنال های پالس الکتریکی، می توان نرخ جریان سیال مربوطه را محاسبه و نمایش داد.
با درک اصول کار آنها، اکنون ویژگی های عملکرد دبی سنج های گردابی و فلومترهای توربین را با هم مقایسه می کنیم که به ما در انتخاب مناسب تری در کاربردهای عملی کمک می کند.
ویژگی های عملکرد
(I) عملکرد دقت
از نظر دقت، دبی سنج‌های توربین عالی هستند و دقت اندازه‌گیری فوق‌العاده بالایی با محدوده خطا که معمولاً در محدوده 0.5±% - ±1% کنترل می‌شود. این شبیه به استفاده از یک ترازوی دقیق-برای وزن کردن است که مقادیر بسیار دقیقی را ارائه می‌کند. این دقت بالا، فلومترهای توربین را به انتخاب ارجح در کاربردهایی که نیاز به دقت جریان بسیار بالا دارند، مانند نشست تجاری و تولید مواد شیمیایی خوب تبدیل می‌کند. در تجارت نفت، هم خریداران و هم فروشندگان به اندازه گیری دقیق نرخ جریان نفت نیاز دارند. دقت بالای کنتورهای جریان توربین، معاملات منصفانه و بی طرفانه را تضمین می کند و از اختلافات اقتصادی ناشی از خطاهای اندازه گیری جلوگیری می کند.
فلومترهای گردابی نیز دقت خوبی ارائه می‌دهند، معمولاً با محدوده خطای ±1% - ±2%. در حالی که دقت کمی کمتر از دبی سنج های توربین است، این سطح از دقت برای اکثر کاربردهای صنعتی کافی است. در فرآیندهای تولید صنعتی که الزامات دقت به ویژه سختگیرانه نیست، فلومترهای گردابی با ویژگی‌های ذاتی خود نیز می‌توانند نقش مهمی را ایفا کنند و داده‌های جریان قابل اعتماد را برای فرآیند تولید فراهم کنند.
(II) رسانه های کاربردی
فلومترهای گردابی مانند همه{0}}گردنده‌ها هستند و با انواع رسانه‌های مختلف سازگاری بالایی دارند. چه مایعات، چه گازها یا بخار، آنها می توانند به راحتی آنها را اداره کنند. در تولید مواد شیمیایی، اغلب لازم است سرعت جریان سیالات با خواص مختلف اندازه گیری شود. فلومترهای گردابی می توانند به طور پایدار و دقیق در چنین محیط های رسانه ای پیچیده ای کار کنند. علاوه بر این، آنها به تغییرات در چگالی و ویسکوزیته سیال بسیار حساس نیستند. حتی اگر این ویژگی های محیط تا حدی تغییر کند، جریان سنج گردابی همچنان می تواند دقت اندازه گیری بالایی را حفظ کند.
از سوی دیگر، دبی سنج های توربین بیشتر شبیه «فریکس های تمیز» هستند. آنها برای اندازه گیری مایعات پاک-با ویسکوزیته کم، مانند آب و روغن های سبک مناسب تر هستند. این به این دلیل است که دبی سنج های توربین دارای قطعات چرخشی در داخل هستند. اگر سیال حاوی ذرات معلق، فوم یا سایر ناخالصی‌ها باشد، به راحتی می‌تواند باعث آسیب یا گیر کردن روتور توربین شود که به شدت بر دقت اندازه‌گیری تأثیر می‌گذارد و احتمالاً باعث اختلال در عملکرد سنج می‌شود. در صنایع غذایی و آشامیدنی، جایی که اندازه گیری دبی مواد خام مایع خالص ضروری است، دبی سنج های توربین به دلیل دقت بالا و سازگاری خوب با مایعات تمیز می توانند عملکرد عالی داشته باشند. با این حال، اگر اندازه گیری دبی فاضلاب حاوی ناخالصی ضروری باشد، دبی مترهای توربین مناسب نیستند. در این مورد، فلومتر گردابی ممکن است انتخاب بهتری باشد.
(III) هزینه و نگهداری
از منظر هزینه، کنتورهای جریان گردابی سرمایه گذاری اولیه نسبتا کمی دارند که برای شرکت هایی با بودجه محدود جذاب است. علاوه بر این، هزینه های نگهداری آنها نیز کم است، با هزینه های نگهداری سالانه تقریباً 1٪ از ارزش تجهیزات اصلی. این عمدتاً به دلیل عدم وجود قطعات مکانیکی متحرک، ساختار ساده و مستحکم و حساسیت کم به نقص در حین کار است که منجر به بار کاری و فرکانس تعمیر و نگهداری کمتر می شود. در پروژه‌های صنعتی بلندمدت، هزینه نگهداری کم جریان سنج‌های گردابی می‌تواند باعث صرفه‌جویی قابل توجهی در شرکت‌ها شود.
فلومترهای توربین به دلیل فرآیندهای تولید بالاتر و نیازهای دقیق، سرمایه گذاری اولیه نسبتاً بالاتری دارند. با این حال، هزینه های نگهداری آنها را نباید دست کم گرفت. به دلیل وجود قطعات چرخان در داخل، کالیبراسیون و روانکاری منظم برای اطمینان از دقت اندازه گیری و عملکرد عادی ضروری است. هزینه نگهداری سالانه یک دبی متر توربین می تواند به 3 تا 5 درصد از ارزش تجهیزات اصلی برسد. در حین استفاده، چرخش توربین باید به طور مرتب بررسی شود تا از گیر کردن توربین ناشی از ناخالصی یا خوردگی سیال جلوگیری شود. در صورت مشاهده سایش توربین، قطعات باید به سرعت تعویض شوند. این وظایف نگهداری نیازمند سرمایه گذاری مشخصی از نیروی انسانی و منابع است.
ملاحظات انتخاب
در کاربردهای عملی، نصب و استفاده مناسب برای عملکرد دبی سنج ها بسیار مهم است. در زیر برخی از ملاحظات برای نصب و استفاده از فلومترهای گردابی و فلومترهای توربین ارائه شده است.
(I) نقاط نصب
فلومترهای ورتکس دارای الزامات نسبتاً آرامی برای شرایط نصب هستند که یکی از دلایل محبوبیت آنها در زمینه های صنعتی است. به طور کلی، آنها نیاز کمتری برای بخش های لوله مستقیم بالادست و پایین دست دارند. طول بخش لوله مستقیم بالادست معمولاً فقط باید 10 برابر قطر لوله (10D) باشد و طول بخش لوله مستقیم پایین دست فقط باید 5 برابر قطر لوله (5D) باشد. این امکان نصب آسان را حتی در شرایطی با فضای محدود و چیدمان لوله های پیچیده فراهم می کند. علاوه بر این، فلومترهای گردابی در جهت نصب انعطاف پذیر هستند و می توانند به صورت افقی یا عمودی نصب شوند. هنگام نصب افقی، به موقعیت سنسور توجه کنید و سعی کنید از نصب آن در پایین ترین نقطه لوله جلوگیری کنید تا از تأثیر حباب های هوا یا ناخالصی ها بر اندازه گیری جلوگیری شود. هنگام نصب عمودی، سیال باید از پایین به بالا جریان یابد تا از تجمع گاز در داخل سنسور جلوگیری شود و از دقت اندازه گیری اطمینان حاصل شود.
در مقابل، دبی سنج های توربین الزامات سخت گیرانه تری برای شرایط نصب دارند. این نیاز به تضمین دقیق یک بخش لوله مستقیم 20 برابر قطر لوله (20D) در بالادست و یک بخش لوله مستقیم 5 برابر قطر لوله (5D) در پایین دست دارد. این به این دلیل است که دقت اندازه گیری دبی سنج توربین به شدت به پایداری رژیم جریان سیال بستگی دارد. فقط یک بخش لوله مستقیم به اندازه کافی طولانی می تواند اطمینان حاصل کند که سیال در هنگام ورود به دبی سنج سرعت و جهت جریان ثابتی را حفظ می کند و از نیروهای ناهموار ناشی از رژیم های جریان ناپایدار مانند گرداب ها و آشفتگی بر روی پره های توربین جلوگیری می کند و در نتیجه دقت نتایج اندازه گیری را تضمین می کند. اگر طول بخش مستقیم لوله بالادست ناکافی باشد، سیال ممکن است به محض ورود به دبی متر به طور نامنظم جریان یابد و منجر به افزایش خطاهای اندازه گیری شود. هنگام نصب دبی سنج توربین، باید توجه ویژه ای به جهت سیال شود. باید اطمینان حاصل شود که جهت جریان سیال با جهت نشان داده شده توسط فلش روی محفظه سنسور مطابقت دارد. اگر جهت نصب نادرست باشد، توربین به درستی نمی چرخد و اندازه گیری دقیق جریان را غیرممکن می کند و حتی ممکن است به دبی متر آسیب برساند.
(II) اقدامات احتیاطی برای استفاده
هنگام استفاده از دبی سنج ورتکس، باید مراقبت های ویژه ای برای جلوگیری از تداخل خارجی انجام شود. از آنجایی که فلومتر گردابی جریان را با تشخیص سیگنال های تولید شده توسط گرداب ها اندازه گیری می کند، این سیگنال ها نسبتا ضعیف هستند و به راحتی تحت تاثیر میدان های الکترومغناطیسی خارجی، ارتعاشات و عوامل دیگر قرار می گیرند. بنابراین، در هنگام نصب، فلومترهای گردابی باید از منابع تداخل الکترومغناطیسی قوی مانند موتورهای بزرگ و ترانسفورماتورها دور نگه داشته شوند. به طور همزمان، اطمینان حاصل کنید که فلومتر دارای زمین مناسب برای کاهش تأثیر تداخل الکترومغناطیسی بر روی سیگنال است. اگر فلومتر گردابی در محیطی با ارتعاش قوی نصب شده باشد، اقدامات موثر در میرایی ارتعاش مانند استفاده از پدهای لرزش گیر و اتصالات انعطاف پذیر برای جلوگیری از انتقال ارتعاش به فلومتر و تأثیرگذاری بر دقت اندازه گیری ضروری است.
برای دبی سنج های توربین، اجتناب از ارتعاشات و ضربه های شدید در طول استفاده بسیار مهم است. از آنجایی که توربین داخل فلومتر یک جزء چرخشی دقیق است، لرزش یا ضربه شدید ممکن است باعث تغییر شکل یا آسیب به روتور توربین شود یا سایش یاتاقان را تسریع کند و در نتیجه بر دقت اندازه گیری و عمر مفید فلومتر تأثیر بگذارد. در عملیات روزانه، از راه اندازی یا توقف تجهیزات بزرگ در نزدیکی فلومتر خودداری کنید، زیرا ممکن است باعث لرزش خط لوله شود. همچنین، هنگام نگهداری یا تعمیر سیستم خط لوله، مراقب باشید که فلومتر توربین را از ضربه های تصادفی محافظت کنید. علاوه بر این، از آنجایی که دقت اندازه گیری فلومترهای توربین تحت تأثیر تغییرات دما و فشار سیال است، دما و فشار سیال را در حین استفاده به دقت کنترل کنید تا اطمینان حاصل کنید که در محدوده عملکرد فلومتر باقی می مانند. اگر تغییرات دما و فشار قابل توجه باشد، جبران و اصلاح نتایج اندازه گیری ممکن است برای اطمینان از دقت لازم باشد.
سناریوهای کاربردی معمولی
در صنعت پتروشیمی، فلومترهای گردابی به طور گسترده ای برای اندازه گیری بخار و اندازه گیری محیط های خورنده استفاده می شود. دبی سنج های توربین به دلیل دقت بالا بیشتر در کاربردهای تجارت و انتقال نفت تصفیه شده استفاده می شوند.
در سیستم‌های گرمایش شهری، دبی‌سنج‌های گردابی انتخاب ارجح برای اندازه‌گیری آب گرم هستند، زیرا مقاومت در برابر حرارت بالا و افت فشار پایین کاملاً با نیازهای سیستم مطابقت دارند.
در صنایع غذایی و دارویی، جایی که الزامات بهداشتی بسیار بالاست، همه{0}}دومترهای توربین فولادی ضد زنگ مناسب‌تر هستند، زیرا دیواره‌های داخلی صاف آنها کمتر مستعد رشد باکتری‌ها هستند.
فلومترهای گردابی اغلب برای نظارت بر خطوط لوله در مسافت‌های طولانی انتخاب می‌شوند، زیرا تقریباً افت فشار سیستم را افزایش نمی‌دهند، که برای کاهش مصرف انرژی پمپاژ بسیار مهم است.
رهنمودهای تصمیم گیری انتخاب
اصل اولویت رسانه:
فلومترهای گردابی برای سناریوهایی که شامل ناخالصی ها، رسانه های خورنده یا جریان چند فازی هستند ترجیح داده می شوند. دبی سنج های توربین برای سیالات تمیز و با ویسکوزیته کم-که نیاز به اندازه گیری دقیق- دارند انتخاب می شوند.
اصل تطبیق دقت:
برای سناریوهایی مانند تسویه تجاری و کنترل دقیق، دبی سنج های توربین به دقت ± 0.5٪ نیاز دارند. فلومترهای گردابی را می توان برای کنترل معمول فرآیند صنعتی استفاده کرد.
اصل سازگاری نگهداری:
کنتورهای جریان گردابی برای مناطق دورافتاده بدون شرایط تعمیر و نگهداری یا پروژه های عملیاتی بلند مدت انتخاب می شوند. کنتورهای جریان توربین برای سناریوهایی با قابلیت های تعمیر و نگهداری منظم و الزامات دقت دقیق انتخاب می شوند.
