انواع فلومتر

فلو و فلومتری را میتوان به دو گروه اندازه گیری جریان یا فلو در کانال باز و جریان لوله بسته تقسیم بنده کرد.

فلومتر کانال باز همانگونه که نامش پیداست برای جریان سنجی کانالها و مسیرهایی که دارای سطح آزاد یا بدون سرپوش و باز به جو است مورد استفاده قرار میگیرند . جریانهای موجود در کانالها یا خطوط لوله خروجی مانند تخلیه و فاضلاب که در کانال یا مسیر هستند که پر نیستند .
در کانالهای باز نیروی گرانش را باعث عبور جریان میشوند و با سقوط یا کاهش مداوم در ارتفاع آب به هنگام جریان به سمت پایین حرکت می کند.

فلو در کانال بسته یا لوله زمانی جریان میبابد که اختلاف فشار در لوله وجود دارد . جریان در لوله های تامین آب یا لوله های حرارت مرکزی نمونه های معمولی است. فلو و جریان به طور عمده بستگی به تفاوت فشار بین انتها، فاصله بین انتها، مساحت کانال و خواص هیدرولیکی لوله موانع و محدودیت هایی مانند خم شدن و شکل لوله است .

اصول اندازه گیری فلو و جریان در سیالات

• • فلومتری از طریق اختلاف فشار
  • فلومتر بر اساس سرعت سیال
  • فلومتر جابجایی مثبت
  • فلومتر جرمی یا مس فلومتر
  • فلومتر برای کانال باز - حوضچه ها، flume ، رودخانه و ...

فلومتر با مکانیزم اختلاف فشار

در یک فلومتر با مکانیزم اختلاف فشار بر مبنای قوانین فیزیکی سیالات یا قانون برنولی در این معادله یا اصل در مکانیک سیالات رفتار جریان سیال را در موارد ییکنواخت را توضیح می‌دهد و فرم ریاضی قانون بقای انرژی در سیالات است. به زبان ساده چنین است: در شاره‌ای که جریان دارد، افزایش سرعت جریان با کاهش فشار هم‌زمان است، به شرطی که ارتفاع سیال ثابت بماند. معادله برنولی بیان دقیق‌تر این اصل است، به عبارت دیگر اگر سرعت یک سیال افزایش پیدا کند، فشاری که بر یک سطح وارد می‌کند کاهش می‌یابد و بالعکس.

در معادله بالا

v سرعت شاره

g شتاب گرانش زمین

h ارتفاع از نقطه‌ای دلخواه در جهت گرانش زمین

p فشار در شاره

ρ چگالی شاره میباشد.

فرمول به صورت خلاصه تر dp = ρ v2 / 2 میباشد که نشان میدهد اختللاف فشار با مربع سرعت رابطه مستقیم دارد با به دست آوردن سرعت و داشتن سطح مقطع فلوی عبوری از مقطع مورد نظر به دست می آید .

رایجترین مدلهای فلومتری با استفاده از اختلاف فشار موارد زیر هستند .

• Orifice Plates مدل اورفیس پلیت
•Flow Nozzles مدل نازل
•Venturi Tubes مدل ونتوری

•Variable Area - Rotameters روتامتر یا سطح متغیر

اورفیس پلیت

با ایجاد مانع در مسیر به کمک یه صفحه فلزی سوراخ دار اختلاف فشار در طرف بالادستی و پایین دست مسیر فلو در لوله ایجاد میشود که به کمک قانون برنولی متناسب با مربع سرعت سیال میباشد و اساس کار این مکانیزم فلومتری است

مکانیزم اورفیس پلیت ها ساده و ارزان هستند و می توانند برای تقریبا هر کاربرد و هر ماده ای عرضه شوند.نرخ نسبت رنج برای اورفیس پلیتها کمتر از 5: 1 میباشد و دقت اندازه گیری آنها در رنجهای پائین کم است و این دقت بسته شکل و تیزی لبهای آنها برای کاهش مشکلات اندازه گیری متغیر است .

فلومتر ونتوری

با توجه به سادگی و قابلیت اطمینان مناسب، فلومتر ونتوری ( Venturi ) اغلب در کاربردهای که در آن نسبت رنج بالا به پائین بیشتری و یا افت فشار پایین تر نسبت به اورفیس پلیت نیاز است مورد استفاده قرار می گیرد .
در لوله Venturi فلو یا جریان مایعات با کاهش سطح جریان مقطع جریان در مسیر که باعث ایجاد اختلاف فشار می شود اندازه گیری می شود . سیال بعد از ناحیه محدود یا تنگ شده از طریق بخش خروجی خارج میگردد که باعث برگشت فشار به حالت قبل تا حدود80٪ فشار دیفرانسیل تولید شده در ناحیه محدود شده، میباشد .

با تیوبینگ مناسب و کالیبره جریان، فلومتر ونتوری تیوب Venturi Tube می تواند با دقت فول اسکیل حدود 10٪ از محدوده مقیاس کامل خود را با دقت مناسب اندازه گیری کند در حالی که با مقدار نسبت رنج 10: 1 نسبت به اورفیس پلیت رنج وسیعتری را پوشش میدهد. توجه داشته باشید که فشارسنجی برای مدل ونتوری باید زیر لوله یا خط هیدرولیکی نصب شود .

نازل

فلومتری با نازل اغلب برای اندازه گیری برای جریان هوا و گاز در کاربردهای صنعتی استفاده می شود.

نازل فلو نسبتا ساده و ارزان است و برای بسیاری از کاربردها از مواد ساخته میشود . نرخ نسبت رنج و دقت را می توان با اورفیس پلیت مقایسه کرد.

نازل سونیک یا نقطه بحرانی(choked)

هنگامی که یک گاز از طریق یک نازل شتاب می یابد، سرعت افزایش می یابد و فشار و تراکم گاز کاهش می یابد. حداکثر سرعت در گلوی نازل یا منطقه حداقلی، جایی که سرعت یک ماخ یا سونیک ، به دست می آید. در این مرحله امکان افزایش جریان با کاهش فشار پایین دست به وجود نمی آید و جریان یا فلو چوک میشود choked .
این وضعیت در بسیاری از سیستم های کنترل برای حفظ جریان ثابت، دقیق و قابل تکرار بدون تاثیر از فشار پائین دست استفاده میشود .

بازیابی افت فشار در فلومترهای اورفیس پلیت ، نازل و ونتوری

پس از ایجاد اختلاف فشار در جریان سنجهای دیفرانسیلی ، سیال عبوری از بخش خروجی یا بازیابی فشار عبور میکند ، جایی که فشار دیفرانسیل تولید شده در ناحیه محدود شده تا حدودی بهبود می یابد. در نمودار زیر تفاوت این بازیابی مشخص شده است.

همانطور که ملاحظه میکنید افت فشار در اورفیس پلیت به شکل قابل ملاحظه ای از فلومتر ونتوری بیشتر است.

روتامتر یا فلومتر سطح متغیر

Rotameter روتامتر شامل یک لوله شیشه ای (یا پلاستیکی) عمودی است که دارای انتهای بزرگتر در بالای صفحه و یک شناور کالیبره شده است که در داخل لوله به صورت آزاد به بالا و پائین حرکت میکند تشکیل شده است . جریان سیالات و خاصیت شناوری باعث می شود و در طول لوله همزمان با افزایش فشار و تغییرات فشار دیفرانسیل نیرو وارد بر شناور بر نیروی ناشی از وزن آن غلبه کند و به حالت تعادل دینامیکی برسد و بر روی درجه کالیبره شده متناسب با فلوی عبوری که به صورت عمودی مدرج شده ثابت شود .

روتامتر با رنج 10 به یک قابلیت تنظیم رنج و کالیبره دارد و با دقتی بین 10 تا یک درصد فول اسکیل توانایی اندازه گیری فلوی مایعات و گازها را داراست . در مدل های پیشرفته تر فلوتر یا شناور مغناطیسی امکان گرفتن سوئیچ و یا خروجی سیگنال را به دستگاه میدهد .

فلومتری با اندازه گیری سرعت

در یک فلومتر سرعتی جریان با اندازه گیری سرعت در یک یا چند نقطه در جریان محاسبه می شود و فلوی کل از انتگرال این سرعتها در مقطعی که فلو جابجای میشود محاسبه میگردد .

Pitot Tubes فلومتر پیتوت تیوب

روش پیتوت تیوب Pitot tube یکی از روش های رایج ترین (و ارزان ترین) برای اندازه گیری جریان سیال، به ویژه در کاربردهای هوا مانند سیستم های تهویه و تهویه مطبوع است، حتی در هواپیما برای اندازه گیری سرعت استفاده می گردد .

لوله پیتوت، سرعت فلوی سیال ناشی از تبدیل به انرژی جنبشی جریان به انرژی پتانسیل اندازه گیری می کند. استفاده از لوله پیتوت محدود به اندازه گیری یک نقطه است.

با استفاده از پروب "annubar" و یا پراب چندنقطه ای پیتوت ، فشار دینامیک را می توان در پروفیل سرعت اندازه گیری کرد . باAnnubar یک متوسط گیری سرعت انجام میگردد .

فلومتری از طربق کالریمتر

اصل کالریمتریک برای اندازه گیری جریان سیال براساس دو سنسور دما در تماس نزدیک با مایع میباشد در حالی که از نظر گرمایی از یکدیگ عایق شده است.

یکی از دو سنسور به طور مداوم گرم می شود و از اثر خنک کنندگی فلوی سیال برای مانیتور میزان فلو یا جریان استفاده می شود. در یک وضعیت مایع ثابت (بدون جریان) یک اختلاف دمای ثابت بین سنسور با المان دمایی و سنسور دما وجود دارد. هنگامی که جریان مایع افزایش می یابد، انرژی گرما از سنسور گرما کشیده می شود و تفاوت دما بین سنسور ها کاهش می یابد. کاهش آن متناسب با سرعت جریان مایعات است.

هدایت حرارتی مایع ، باعث میشود زمان پاسخ متفاوت باشد . به طور کلی هدایت حرارتی پایین تر برای اندازه گیری مناسب نیاز به سرعت بیشتری دارد.
جریان فلومتر کالریمتری می تواند دقت نسبتا بالا در جریانهای کم فلو داشته باشد.

فلومتر توربینی

فلومترهای توربینی در طراحی بسیار متنوعی از شرکتهای مختلف وجود دارد، اما به طور کلی همه آنها بر اساس یک اصل ساده کار میکنند که درصورتی که یک سیال که طریق یک لوله حرکت میکند بر روی لبه های توربین عمل فشار وارد کند ، توربین شروع به چرخش می کند. سرعت چرخش برای محاسبه جریان اندازه گیری می شود. نسبت رنج فلومترهای توربینی ممکن است بیش از 100: 1 باشد، و در شرایط خاص در صورتیک ه برای یک مایع واحد کالیبره شده باشد و شرایط استفاد ثابت باشد دقت ممکن است بهتر از +/- 0.1٪ باشد.

فلومتر ورتکس

در صورتی که یک انسداد یا مانع در جریان سیال ایجاد شود موجب ایجاد گرداب در جریان پایین دست میشود می شود و هر انسدادی دارای سرعت جریان مشخصی برای ایجاد گرداب دارد . در حقیقت گردابها در سیال نمونه ای از ایجاد مناطق کم فشار در پایین دست میباشد که بوسیله مانع به وجود می آیند .این مکانیزم اساس کار فلومترهای ورتکس است. در عمل با نصب سنسور در مکانی که این گردابهای بیشتر ایجاد میشوند و اندازه گیری شدت آنها میتوان میزان فلو را اندازه گیری نمود .

فلومتر الکترومغناطیسی

یک فلومتر الکترومغناطیسی بر اساس قانون فارادی در القا الکترومغناطیسی عمل می کند که بیان می کند یک ولتاژ در خلال حرکت یک هادی از درون یک میدان مغناطیسی ایجاد میشود . مایع به عنوان هادی عمل می کند و میدان مغناطیسی توسط کویل های در خارج از لوله و عبور جریان الکتریکی از آنها باعث ایجاد ولتاژ خفیفی میگردد .
ولتاژ تولید شده به طور مستقیم با فلوی جریان متناسب است. دو الکترود نصب شده در دیواره لوله ولتاژ را که توسط یک عنصر ثانویه اندازه گیری می شود شناسایی می کند.
جریان سنج الکترومغناطیسی می تواند مایعات سخت و خورنده بسته به جنس الکترودهایی که در تماس با سیال هستند اندازه گیری کند و امکان اندازه گیری جریان را در هر دو جهت با دقت برابر دارد .
مصرف جریان برق در فلومترهای الکترومغناطیسی نسبتا بالا است و می تواند فقط برای مایعات نظیر آب با هدایت الکتریکی آب استفاده شود.

فلومتر آلتراسونیک

تاثیر حرکت یک منبع صوتی و اثرات آن بر فرکانس صدا توسط یوهان داپلر مشاهده و توصیف شده است .تاثیر حرکت یک منبع صوتی و اثرات آن بر فرکانس صدا توسط یوهان داپلر مشاهده و توصیف شده است .
فرکانس سیگنال انعکاسی با تغییرات سرعت و جهت جریان سیال تغییر میکند . اگر سیال به سمت مبدل حرکت کند، فرکانس سیگنال بازگشتی افزایش می یابد و به همان نسبت اگر سیال در جهت مخالف مبدل حرکت کند، فرکانس سیگنال بازگشتی کاهش می یابد .
تفاوت فرکانس برابر با فرکانس منعکس شده منهای فرکانس اولیه است و می تواند برای محاسبه سرعت جریان سیال استفاده شود.

فلومتر جابجایی مثبت

جریان سنج جابجایی مثبت میزان جریان سیالات را با روتور هایی که به صورت فیت درون محفظه خود نصب شده به شکل پیمانه های مشخص اندازه گیری می کند. حجمهای مشخص شده ثابت بین روتورها در شرخش شافت جابجای شده و با شمارش آنها میزان فلو به شکلی دقیق اندازه گیری میشود با تناسبی که چرخش روتور ها با حجم مایع جابجا شده دارد به این فلومترهای جابجایی مثبت یا دنده ای میگویند .

تعداد چرخش های روتور توسط یک فرستنده پالس الکترونیکی متناوب شمارش می شود و به حجم و فلوی سیال تبدیل می شود.
ساخت روتور جابجایی مثبت می تواند به چندین روش انجام شود:
• پیستون های رفت و برگشتی دارای انواع تک و چند پیستونی هستند.
• چرخ دنده های Oval یا بیضی شکل به شکلی که دو چرخ دنده ی بیضی شکل با دندانه های هماهنگ و نزدیک به هم به شکلی طراحی میگردند که یک مقدار ثابت مایع از طریق فلومتر در هر دور گردش عبور می کند. سرعت چرخش شفت را میتوان برای دستیابی به سرعت جریان خاصی کنترل کرد .

• دیسک های Nutating که دیسکهای قابل جابجایی نصب شده بر روی یک کره به صورت متحد المرکز که در اتاقک کروی قرار دارند. فشار مایع که از طریق محفظه اندازه گیری باعث می شود که دیسک در مسیر گردشی بدون چرخش در محور خودش چرخش یابد. این تنها قسمت متحرک در محفظه اندازه گیری است.

• فلومترهای مدل چرخشی ون از دو یا چند قسمت چرخنده برابر با هم در داخل محفظه ی طراحی شده است که پروانه ها در تماس مداوم با پوسته و بدنه تجهیز قرار دارند. حجم ثابت مایع به صورت خروجی از فلومتر در هر چرخش و در تماس با حفظه خارج میشود . چرخش پروانه ها در واحدهای حجمی شمارش شده و ثبت می شوند.

فلومترهای جابجایی مثبت برای تمام مایعات نسبتا غیر قابل اندازه گیری مانند روغن های گرمایش، روغن های روانکاری، افزودنی های پلیمری، چربی های حیوانی و گیاهی، جوهر چاپی، Dichlorodifluoromethane R-12 و بسیاری دیگر استفاده می شود.
دقت ممکن است تا 0.1٪ از میزان کامل با TurnDown 70: 1 یا بیشتر باشد

فلومترهای جرمی

فلومترهای جرمی قابلیت اندازه گیری مستقمم جرم مواد جابجا شده در لوله را دارا هستند . در واکنشهای شیمیایی ، صنایع پتروشیمی ، انتقال دما معمولا از فلومترهای جرمی استفاده میگردد نظیر کوریالیس یا ترمال مس

فلومتر جرمی ترمال

جریان سنج جرمی حرارتی به طور سنتی برای اندازه گیری گاز استفاده شده است، اما در مدلهایی اندازه گیری جریان مایع در نظر گرفته شده است . این جریان سنج های جرمی مستقل از دانسیته ، فشار و ویسکوزیته عمل می کنند. فلومترهای حرارتی جرمی از یک سنسور گرم شده و ایزوله از مسیر جریان سیال استفاده می کنند. جریان سیال باعث انتقال حرارت از قسمت حسگر میگردد . گرمای انتقال داده شده به طور مستقیم با میزان جریان جرم متناسب است. سنسور هرگز به تماس مستقیم با مایع نمی رسند . قسمت الکترونیک دستگاه شامل تجزیه کننده جریان، جبران کننده دما و یک فرم دهنده سیگنال است که خروجی خطی را به طور مستقیم با جریان جرم ارائه می دهد.

فلومتر کوریالیس

اندازه گیری مستقیم جرم فلومترهای کوریلولیس تکنولوژی منحصر به فردی نسبه به سایر روشهاست . اندازه گیری جرم در این روش ازتغییرات فشار، دما، ویسکوزیته و تراکم حساس مستقل است و در این روش با امکان اندازه گیری فلوی انواع مایعات، گازها، لجن و ... فلومتری یونیورسال میباشند .

فلومتر کریولیس با استفاده از اثر Coriolis اندازه گیری مقدار جرم را از طربق یک جزء جابجای شونده U شکل که با عبور فلو موجب ارتعاش و نوسان هارمونیک زاویه ای میشود انجام میدهد . با توجه به نیروهای Coriolis، لوله ها جابجا میشوند و اجزای لرزش اضافی به نوسان در می آیند . این مولفه اضافی موجب تغییر فاز در برخی از نقاط لوله می شود که می تواند با سنسور اندازه گیری شود.
جریان سنجهای کوریلولس به طور کلی بسیار دقیق است، بهتر از +/- 0.1٪ با نرخ نسبت رنج بیش از 100: 1. فلومتر کریولیس می تواند برای اندازه گیری مایعات متراکم استفاده گردد .

فلومتر های کانال باز

"کانال باز" اشاره به هر کانالی است که در آن مایع جریان با یک سطح آزاد میباشد . شامل تونل ها، فاضلاب غیر فشرده، لوله ها، کانال ها، جریان ها و رودخانه ها است. از تکنیک های بسیار برای نظارت بر جریان های کانال باز، روش های مرتبط با عمق شایع ترین هستند. این تکنیک ها فرض می کنند که فلوی جریان لحظه ای ممکن است از اندازه گیری عمق آب یا هد و ارتفاع آب تعیین شود. حوضه ها و فوم ها قدیمی ترین و وسیع ترین دستگاه های اصلی برای اندازه گیری جریان های کانال باز هستند.

Wier یا آب بند بر اساس این اصل عمل می کنند که یک انسداد در یک کانال، آب را به عقب می کشد و سطح بالاتر یا هد در پشت مانع ایجاد می کند. این ارتفاع بالاتر تابع سرعت جریان است، و بنابراین تابع نرخ فلو از طریق دستگاه. Weir ها از میله ها شامل صفحات عمودی با برآمدگی تیز است. بالای صفحه می تواند مستقیما یا منحنی باشد. آب بندها مطابق با شکل شکاف طبقه بندی می شوند. انواع اساسی V-neck، مستطیل شکل و ذوزنقه است.

Flume یا کانال ها به طور کلی وقتی که از دست دادن هد و ارتفاع باید حداقل باشد مورد استفاده قرار می گیرند ، یا اگر مایع جاری حاوی مقادیر زیاد مواد جامد معلق باشد. کانالها در اندازه گیری فلوی کانال باز زمانی که لوله های ونتوری به لوله های بسته متصل هستند نیز مورد استفاده قرار میگیرد . کانال های معروف های محبوب مدل Parshall و Palmer-Bowlus میباشند .