اندازه گیری جریان سیالات در صنعت بخش ۲

اندازه گیری جریان سیالات در صنعت بخش ۲

نویسنده : مهندس محمد حسن موحدی

اهمیت اندازه ­گیری علم و فنّ اندازه ­گیری [۱]، یکی از ارکان اساسی تمدن کنونی بشر است، به­ طوری­ که هر یک از پیشرفت ­های علمی، صنعتی و پژوهشی بشر در تمام اعصار (از هنگامی­ که وی در غارها می­ زیسته تا به امروز) به نوعی به قابلیت و توانایی او در امر اندازه­ گیری مربوط می ­شود. ما در داد و ستد روزانه­ خود نیز مجبور هستیم کالای مورد معامله را با یک معیار و یا به روشی قابل قبول بسنجیم (اندازه­ گیری کنیم). آیا هنگام رانندگی به این نکته توجه داشته­ اید که به­ طور مداوم در حال اندازه ­گیری (تخمین مسافت با مانع یا خودروی جلویی و یا استفاده از نمایش­گرهای مربوط به کمیت­ های اندازه­ گیری شده در جلوی داشبورد اتومبیل خود) هستید؟

نکته اندازه ­گیری یک علم است، چون بر قوانین فیزیک و ریاضی استوار است. از طرفی، اندازه ­گیری یک هنر است، چون آثار قضاوت های بشر و مهار­ت­ های او را در سایه تجربه­ به ­دست آمده از مفهوم انتزاعی به مفاهیم کاربردی، علمی و واقعی تبدیل می ­کند. پس می ­توان مدعی شد اندازه ­گیری هم علم است و هم هنر!

«لرد کلوین» دانشمند برجسته­ انگلیسی بیان می دارد: «اگر آن­چه را که در باره ­اش صحبت می ­کنید بتوانید اندازه بگیرید و آن­را به ­صورت کمّی بیان کنید، آن­گاه می ­توانید مدعی شوید که درباره­ آن چیزی می­ دانید وگرنه دانش شما درباره آن پدیده و یا شیء اندک و نارسا است.»

 

  1. کلیات

۲-۱. تاریخچه­ اندازه­ گیری جریان سیالات

امروزه با توجه به تنوع روش ­ها، فناوری­ ها و دستگاه ­های موجود، به ­راحتی می ­توانیم دستگاه مناسبی را متناسب با کاربرد مربوطه انتخاب نماییم. اما، این تنوع حاصل تجربه­ سالیان درازی بوده است. بیان این موضوع که «به­ کارگیری اولین ایده ­های اندازه ­گیری جریان به هزاران سال قبل برمی ­گردد» زیاد هم اغراق­ آمیز نیست. آیا استفاده از ساعت شنی با مجرای ثابت برای عبور ما سه­ نرم و اندازه­ گیری زمان (به ­طور غیرمستقیم) نمی­ تواند نمونه­ ای گویا از قدمت اندازه ­گیری جریان باشد؟ یا این­که «قدمت ساعت آبی [۲] به ۲۷۰ سال قبل از میلاد مسیح (ع) نسبت داده می­ شود» [۱] بیان­گر اهمیت اندازه ­گیری به طور عام و اندازه ­گیری زمان به طور خاص، نیست؟ در ساعت آبی، از جریان ثابت آب به عنوان شاخصی برای اندازه ­گیری زمان استفاده شده است.

اولین ایده­ اندازه­ گیری جریان که به طور مستند از آن یاد می­ شود، مربوط به حدود ۳۰۰۰ سال پیش است که در کشور مصر باستان برای اندازه­ گیری میزان جریان آب سد، استفاده می­ شده است. اسناد مکتوبی هم از دستور اندازه ­گیری میزان آب مصرفی از چشمه در حدود ۱۵۰ سال پیش از میلاد مسیح (ع) توسط اسکندر در دسترس هست. ۷۵ سال بعد از میلاد هم در شهر «رم» ابزاری شبیه لوله در خروجی مخازن آب و چشمه ­ها استفاده می­ نمودند که در نتیجه­ به کار بردن روشی برای کاهش اصطکاک، سرعت عبور آب افزایش می­ یافت! در چین باستان هم دانش استفاده از «هیدرولیک آب» قابل انکار نیست، به­ طوری­ که با همین دانش ابتدایی به کنترل آبیاری مزارع و تقسیم یا تخصیص منابع محدود آب به شرکای آن می پرداختند. هیچ سند قوّی و قابل ارایه ­ای از ۷۵ سال بعد از میلاد (رم) تا قرن ۱۵ میلادی مبنی بر بروز تحولات چشم­ گیر در علم اندازه­ گیری جریان سیالات در دسترس نمی­ باشد. از نیمه­ دوم قرن ۱۵ به بعد (۱۴۵۲ الی ۱۵۱۹) و در زمان «لئونارد داوینچی» مباحث علمی در این زمینه قوت گرفت. برای اولین بار نظریه جریان گردابی [۳] و هم­چنین ارتباط بین ارتفاع مایع در مخزن [۴] و شدت جریان در مایعات، توسط وی مطرح شد. چند سال قبل از قرن شانزدهم نیز متناسب با ایده­ های داوینچی و برای اولین بار، سازه­ های کانال آب در مجاورت بندری در شمال ایتالیا طراحی و ساخته شد. در نیمه­ اول قرن هفده [۵]، اندازه ­گیری جریان سیال در خروجی مخازن مبتنی بر تئوری اختلاف فشار [۶] توسط شخصی به نام «توریسلی [۷] » مطرح و به کار گرفته شد. در قرن هجده نیز دو تن از بزرگان علم اندازه­ گیری جریان سیالات، «دانیل برنولی» (۱۷۰۰ الی ۱۷۸۲) و «لئونارد اولر» (۱۷۰۷ الی ۱۷۸۳) می ­زیستند. رابطه­ مهم برنولی ارتباط فشار با سرعت را در خطوط لوله نشان می دهد (بحث مکانیک سیالات). رابطه­ اولر هم در توربو ماشین­ ها کابرد فراوانی دارد. حاصل کار این دو دانشمند پایه­ ریزی طراحی ارفیس برای اندازه ­گیری جریان سیالات، توسط دانشگاه ­های ایتالیا بود. هم­چنین در سال ۱۷۳۲ «هنری پیتوت» برای اندازه­ گیری سرعت آب داخل لوله، وسیله ­ای به نام «لوله­ی پیتوت [۸] » را ابداع نمود. بعدها شخصی به نام «دارسی» در انگلستان کاربرد «لوله­ی پیتوت» را برای اندازه ­گیری جریان تمام سیالات رواج داد. نامِ آشنای دیگر در قرن هجده، ونچوری [۹] از ایتالیا و ولت­من [۱۰] از آلمان است. ابداع لوله­ ونچوری [۱۱] و یک دستگاه مکانیکی برای اندازه­ گیری جریان حاصل کار این دو دانشمند بود. در ابتدای قرن نوزده [۱۲] «میشل فارادی» تحقیقاتی در زمینه­ مغناطیس داشت که اصول دستگاه ­های اندازه ­گیری جریان سیالات مبتنی بر مغناطیس بر اساس نتایج پژوهش های فارادی است. نیمه­ دوم قرن نوزده، با حضور دانشمندانی از جمله: کنت [۱۳]، هرشل [۱۴]، زیمنس [۱۵]، تیلور [۱۶]، هرسی [۱۷]، و کندی [۱۸] در صنعت، تحولات زیادی در روش ­ها و دستگاه­ های اندازه ­گیری جریان به وجود آمد. تا چندی پیش، سازندگان دستگاه ­های اندازه­ گیری مختلفی از نام این افراد برای نام­گذاری شرکت خود استفاده نموده بودند. قبل از شروع قرن بیستم، استفاده از ارفیس عمومیت بیشتری پیدا کرد و برای اولین بار در سال ۱۸۹۰ برای اندازه­ گیری میزان جریان گاز در خط لوله ایالت «اوهایو» استفاده شد. ولی، در سال ۱۹۱۵ ارفیس به شکل امروزی تبدیل شد. استاندارد ISO5167  (در مورد ارفیس­ ها) بر اساس مطالعات و پژوهش ­های «پروفسور سام بیلتر» [۱۹] تدوین شده است. سال ساخت دستگاه ­های Variable Area Meter به ­درستی معلوم نیست، اما به سال ۱۸۷۰ نسبت داده می­ شود. مثلاً این نوع دستگاه در سال ۱۹۰۰ توسط کارخانه­ «کنت» در لندن ساخته می­ شده است، ولی نمونه ­های حاضر آن در قرن بیستم و فقط برای نمایش محلی ارایه شده است. دستگاه­ های اندازه­ گیری توربینی که در دهه­ ششم از قرن بیستم طراحی و ساخته شد، سال­ ها به عنوان مبنا برای واسنجی [۲۰] دیگر دستگاه ­های پرکاربرد در صنایع نفت استفاده می­ شد [۳].

          سال ابداع و ساخت بعضی دیگر از دستگاه ­ها:

Vortex Flowmeters    ۱۹۶۵

Ultrasonic Doppler Flowmeters    ۱۹۷۰

Coriolis Mass flowmeters    ۱۹۷۷

 

با مقدمه ­ای که بیان شد و قبل از ورود به بحث اصلی اندازه ­گیری جریان سیالات، در ادامه پرداخته می­ شود به تعاریف کلی و پرکاربرد عمومی در امر اندازه ­گیری.

 

۲-۲. تعاریف

تعاریفی که در ادامه به آن پرداخته خواهد شد، مطالبی کلی در علم اندازه ­گیری بوده که به­ طور عام در انتخاب، خرید دستگاه و هم­چنین کار با آن می­ تواند کاربرد داشته باشد. به بیانی، این تعاریف محدود به اندازه­ گیری کمیت خاصی (مانند جریان سیال) نبوده و می­ تواند در اندازه­ گیری هر کمیت یا کیفیتی در صنعت و یا آزمایشگاه به کار گرفته شود.

 

گستره­ نامی – منظور از گستره­ نامی [۲۱]، دامنه­ تغییرات و یا گستره­ نمایش دستگاه اندازه­ گیری است که در این محدوده دستگاه ما تنظیم، کالیبره و به ­کار گرفته می ­شود. به حداقل این گستره Zero و به حداکثر آن پهنه­ اندازه گیری گفته می ­شود.

مثال :

Pressure Range : 0 ~ 100 Kg / m2

Temperature Range : _ 100 ~ +50 oC

Flow Range : 0 ~ 400 m3 / Hr

Level Range : ( 0 ~ 100 ) %

 

نکته: در گستره نامی، الزاماً همواره Zero = 0 نیست. هم­چنین در انتخاب دستگاه باید به گونه ­ای عمل شود که گستره اندازه ­گیری دستگاه از حداکثر دامنه­ تغییرات کمیت مورد اندازه ­گیری بیشتر باشد.

 

پهنه [۲۲] اندازه ­گیری در گستره­ نامی ملاحظه شد که الزاماً همواره Zero = 0 نیست، با این بیان برای محاسبه­ پهنه­ اندازه­ گیری باید اختلاف جبری آن ­دو را به­ دست آوریم (با در نظر داشتن علامت هر کدام). یعنی، منظور از گستره یا پهنه­ اندازه ­گیری، جمع جبری و یا تفاضل دو حد پایین و بالای گستره­ نامی با در نظر داشتن علامت هر کدام است. برای مثال، با داشتن گستره­ نامی  ۱۰oC- الی ۱۴۰oC+ مقدار پهنه­ اندازه­ گیری معادل ۱۵۰oC می­ شود.

 

راندگی از صفر [۲۳] با گذشت زمان و بعد از مدتی که یک دستگاه اندازه­ گیری کار می ­کند، امکان دارد خروجی دستگاه بدون تحریک ورودی دقیقاً روی صفر قرار نگیرد. به این حالت راندگی از صفر گفته می­ شود و لازم است مطابق با دستورالعمل و روش­ های بیان شده توسط سازنده آن دستگاه، عمل واسنجی یا تنظیم صفر [۲۴] انجام شود. اگر انحراف از صفر در اثر عوامل خارجی هم­چون ضربه یا عوامل محیطی مانند تغییر دما باشد به آن راندگی سطحی صفر [۲۵] (یا راندگی صفر سطحی) گفته می ­شود. اما ممکن است این انحراف ناشی از کار طولانی دستگاه، فرسودگی قطعات و یا تغییرات ویژگی حس­گر دستگاه باشد که به آن راندگی ذاتی از صفر [۲۶]  گفته می ­شود.

صحت در اندازه ­گیری در یک وسیله اندازه­ گیری صحت یا درستی اندازه­ گیری [۲۷] آن دستگاه، انحرافِ خواندن از ورودی معلومی را مشخص می­ کند. درستی بر حسب مقدار مقیاس کامل دستگاه بیان می­ شود. به بیانی ساده ­تر، در یک اندازه ­گیری هر چه به معیار خود نزدیک ­تر باشیم اندازه ­گیری توسط ما با درستی یا صحت بیشتری انجام شده است.

تذکر توجه شود، درستی یک دستگاه اندازه ­گیری به فناوری ساخت، نوع حس­گر و سازنده­ آن بستگی دارد و مفهومی کیفی است. در این­جا نباید دقت [۲۸] به جای صحت به ­کار برده شود (گرچه بر حسب عادت و حتی در همین متن نیز ممکن است به جای مفهوم درستی، دقت به کار برده شود).

تعریف دیگری از درستی – نزدیکی توافقی میان نتیجه­ اندازه­ گیری و مقدار واقعی اندازه ­ده، درستی نامیده می­ شود.

معمولاً در اندازه ­گیری جریان، درستی به دو گونه بیان می­ شود، درستی بر حسب میزان جریان عبوری و یا درستی بر حسب کلِ گستره­ اندازه­ گیری:

±۰/۲۵% Rate

±۱% FS

 

نکته: بدیهی است در دو بیان بالا تفاوت وجود دارد، برای روشن شدن تفاوت مورد نظر به مثال زیر توجه شود.

[۱] . Metrology

[2] . Water Clock

[3] . Vortex Shedding

[4] . Head

[5]. 1608 to 1647

[6] . Differential Prerssure

[7] . Torriceli

[8] . Pitot Tube

[9] . Venturi

[10] . Voltmann

[11] . Venturi Tube

[12] . 1832

[13] . Kent

[14] . Herschel

[15] . Siemens

[16] . Tylor

[17].  Heresy

[18] . Kennedy

[19] . آمریکا ۱۹۳۲

[۲۰] . calibration

[21] . Nominal Range

[22] . Span

[23] . Zero Drift

[24] . Zero Adjust

[25] . Short Term Zero Drift

[26] . Long Term Zero Drift

[27] . Accuracy

[28] . Precise / Precision

پایان بخش دوم

بخش یک این مقاله را از لینک زیر ببینید

اندازه گیری جریان سیالات در صنعت بخش ۱

درباره مدیر سایت

بررسی بیشتر

اندازه گیری جریان سیالات در صنعت بخش ۳

اندازه گیری جریان سیالات در صنعت بخش ۳ نویسنده : مهندس محمدحسن موحدی با فرض …

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *