اندازه گیری جریان سیالات در صنعت – بخش ۶

اندازه گیری جریان سیالات در صنعت – بخش ۶

 

چگالی سیال

چگالی گازها با چگالی هوا سنجیده می شود و چگالی مایعات با چگالی آب سنجیده می شود. مثلاً چگالی آب خالص را یک در نظر می گیرند و بقیه مایعات را با آن می سنجند. با افزایش چگالی یا دانسیته سیال، باید فشار استاتیک (یا انرژی لازم) را افزایش دهیم تا جریان سیال ثابت بماند. در گازها که خاصیت تراکم پذیری دارند، برای دقت در اندازه گیری جریان گاز، از تکنیک های خاصی برای اندازه گیری جریان باید کمک بگیریم. در ضمن، در اندازه گیری جریان گاز باید تصحیح کننده فشار و دما [۱] در خروجی سامانه اندازه گیر داشته باشیم تا صحت رقم حاصل از اندازه گیری تضمین گردد.

قانون برنولی

قانون برنولی که بیانگر ارتباط بین سطوح مختلف انرژی برای سیال است، یکی از قوانین مهم و پرکاربرد در اندازه گیری جریان سیالات می باشد. این قانون بیان می دارد که مجموع سه سطح انرژی در تمام نقاط لوله با هم برابر و ثابت است:

K1+P1+Z1 = K2+P2+Z2 = K3+P3+Z3 = Constant

که در آن:

K انرژی جنبشی

P انرژی حاصل از ستون مایع که به آن استاتیک گفته می شود.

Z انرژی حاصل از اختلاف فشار هیدرولیک حاصل از اختلاف سطح لوله ها که به آن انرژی پتانسیل گفته می شود.

قانون بقای جرم – منظور از قانون بقای جرم [۲] این است که، در حالی که ماده نه خلق می شود و نه نابود، جرم کلی حاصل از جریان عبوری از هر جای خط لوله ثابت است. یعنی:

m = A1 .ρ۱ . v1 = A2 . ρ۲ . v2

جایی که:

m میزان جرم

A سطح مقطع لوله

ρ چگالی سیال

v میانگین سرعت سیال

همان طور که از رابطه بالا مشاهده می شود، با تغییر سطح مقطع جریان عبوری، سرعت در آن نقطه نیز تغییر می کند. این موضوع به ما گوشزد می کند که در اندازه گیری جریان گازها با ملاحظات بیشتری روبرو هستیم.

قانون پیوستگی

منظور از قانون پیوستگی [۳] این است که در تمام مسیر یک خط لوله، حاصل ضرب سطح مقطع لوله در سرعت سیال ثابت است:

QV =A1.V1 = A2.V2 = A3.V3

یعنی در صورتی که سطح مقطع لوله در مسیر جریان کاهش یابد، در همان نقطه سرعت سیال افزایش میابد. این پدیده در شیرها و اتصالات به دفعات اتفاق می افتد. حال، چنان چه سطح مقطع لوله به یک باره افزایش یابد (مثلاً در قسمت خروجی شیرها یا ادوات اندازه گیری) سرعت سیال و هم چنین فشار نیز کاهش یافته و در مایعات امکان دوفاز شدن وجود دارد. پدیده دوفاز شدن مایعات، اندازه گیری جریان را دچار اختلال کرده و امکان آسیب رسیدن به دستگاه نیز می باشد.

سیال های چندفاز

منظور از سیال چندفاز (یا دوفاز)، وجود ترکیب های مختلفی از مایعات و گازها در لوله است. پدیده دوفاز شدن سیال در واحدهای فرآیندی کمتر اتفاق می افتد و ضمن این که در زمان طراحی و ساخت، تمهیدات لازم برای پرهیز از این اتفاق پیش بینی شده است متولیان بهره برداری نیز همواره تمام سعی و همت خود را برای فرار از آن به کار می گیرند. پس می توان مدعی شد که بروز جریان چندفازی در واحدهای تولیدی فقط در صورت پیش آمدن ایرادات فرآیندی امکان پذیر خواهد بود.

از جانب دیگر وجود سیال دوفاز در اندازه گیری جریان سیالات واحدهای فرآیندی باعث آسیب دیدن ادوات اندازه گیری (مانند اندازه گیر توربینی) و یا حداقل سبب بروز خطای فاحش در نتیجه اندازه گیری خواهد شد (مانند اندازه گیری جریان سیالات به روش اختلاف فشار). با این وجود در زمان استخراج نفت خام، به علت وجود ترکیبات مختلفی از آب، گاز و نفت خام پدیده چندفازی در تأسیسات سرچاهی اجتناب ناپذیر است.

از سوی دیگر، امکان بروز حالت چندفازی در خطوط لوله انتقال مواد هیدروکربوری نیز وجود دارد. به طور کلی، پیش بینی رفتار سیال های چندفاز کاری دشوار یا غیر ممکن است ضمن این که نسبت ترکیب گاز و مایع هیچ گاه ثابت نخواهد بود. در واحدهای فرآیندی چنان چه این اتفاق رخ دهد، در حالی که هنگام طراحی بروز آن پیش بینی شده باشد، تجهیزات مناسبی برای حذف آن در نظر گرفته شده است. اما اگر این امر برای طراح قابل پیش بینی نبوده است، بهره بردار از تجربیات خود برای حذف آن خواهد کوشید.

در هر صورت در واحدهای فرآیندی نیازی به اندازه گیری جریان سیالات چندفاز نیست. از طرف دیگر، با توجه به این که به طور عام نمی توان منکر بروز این پدیده شد، سازندگان دستگاه های اندازه گیری جریان سیالات با استفاده از فناوری های موجود نسبت به ساخت این گونه دستگاه ها اقداماتی نموده اند که در جای خود معرفی خواهد شد.

میزان جریان سیال

جریان سیال در لوله برابر است با سرعت سیال ضرب در سطح مقطع لوله یعنی:

Flow Rate = V.A = {[m]/[Sec.]}.m2 =[ m]3/[Sec.]

حجم یا کمیت سیال منتقل شده

منظور از جریان حجمی، همان رقمی است که کنتور نشان می دهد. پس کافی است میزان جریان سیال را در مدت زمانی که جریان فوق ادامه داشته است ضرب کنیم:

Quantity = [Flow Rate] . [Time] = {[m]3/[Sec.]} . [Sec.] = [m3]

نکته ۱: رابطه بالا به شرطی قابل استناد است که میزان جریان سیال در طول دوره محاسبه کمیت ثابت باشد. اما آیا همیشه این شرط قابل حصول است؟ بدیهی است که جواب سؤال فوق منفی است. برای داشتن رقمی واقعی باید انتگرال زیر سطح تغییرات جریان سیال در زمان مورد نظر گرفته شود. دستگاهی که این کار را انجام می دهد به Totalizer و یا Integrator شناخته می شود. در گذشته این دستگاه به صورت سخت افزاری در دسترس بود؛ ولی امروزه در سامانه کنترل و یا رایانه محاسبه جریان سیال [۴] به صورت نرم افزاری قابل تعریف است. رقمی که در صورت حساب خریداران به عنوان سیال منتقل شده قابل استناد است همان خروجی کنتور و یا Totalizer است.

نکته ۲: دستگاه های اندازه گیری جریان سیالات به قصد فروش (در مبادی خروجی و اسکله ها) دو رقم را برای ما به نمایش می گذارند:

• Counter
• Totalizer

رقم نمایش داده شده روی Counter، مربوط به حجم مبادله شده سیال در یک بارگیری بوده و کنتور آن قابلیت صفر کردن را دارد. در بارگیری بعدی شمارنده از صفر شروع به شمارش می کند.

رقم نمایش داده شده روی Totalizer، مربوط به حجم مبادله شده کل سیال از ابتدای نصب بوده و کنتور آن قابلیت صفر کردن را ندارد مگر در کارگاه و هنگام تعمیر. بدیهی است هنوز روی ارقام نمایش داده شده توسط این شمارنده عملیات جبران سازی فشار و دما انجام نشده است.

امروزه بسیاری از دستگاه های اندازه گیری جریان سیالات با فناوری نوین به صورت سخت افزاری فاقد این امکانات بوده و تنها خروجی ای که می سازند (به صورت پالس یا آنالوگ) به سامانه نرم افزاری اندازه گیری ارسال و تبدیل سیگنال فوق در سامانه انجام خواهد شد. توضیحات بیشتر در بخش “اندازه گیری جریان سیالات به قصد فروش” خواهد آمد.

عدد رینولدز

عدد رینولدز [۵] به عنوان یک شاخص مطرح بوده که مقدار آن نوع یا رژیم جریان عبوری از لوله را بیان می کند.

انواع رژیم جریان عبوری از لوله:

• جریان ملایم [۶] ( Re No ≤ ۲۳۰۰ )

• جریان آشفته یا متلاطم [۷] ( Re No ≥ ۴۰۰۰ )

• جریان گذرا [۸] ( ۲۳۰۰ < Re No > 4000 )

نکته– ملاحظه می شود، هر چه عدد زینولدز بزرگتر باشد به حالت جریان متلاطم نزدیک تر می شویم. عدد رینولدز تابعی از چگالی، سرعت و چسبندگی سیال و همچنین قطر لوله می باشد. طبق تعریف، Re. No. این گونه محاسبه می شود:

Re=ρuD/µ

که در آن:

ρ بیانگر چگالی یا دانسیته سیال،

u میانگینِ سرعت سیال (میانگین سرعت در مرکز و جداره های لوله) بر حسب m/Sec

D قطر داخلی لوله بر حسب متر

µ بیانگر گران روی سیال بر حسب Poise

شکل ۲ حالت های مختلف پروفایل جریان سیال را نمایش می دهد:

اندازه گیری جریان , روش های اندازه گیری , عوامل مؤثر بر جریان سیال , flowmeter اندازه گیری جریان , روش های اندازه گیری , عوامل مؤثر بر جریان سیال , flowmeter
شکل ۲- الف؛ سیال فاقد چگالی و اصطکاک است شکل ۲- ب؛ سیال دارای چسبندگی و در نتیجه پروفایل متقارن سهم ی­وار جریان
اندازه گیری جریان , روش های اندازه گیری , عوامل مؤثر بر جریان سیال , flowmeter اندازه گیری جریان , روش های اندازه گیری , عوامل مؤثر بر جریان سیال , flowmeter
شکل ۲- ج؛ پروفایل نامتقارن شکل ۲- د؛ جریان آشفته (Turbolent)

هرچه جریان سیال آشفته­ تر باشد، سرعت بیشتر و هرچه سرعت سیال بیشتر باشد، افت فشار بیشتر می شود.

۳- جلوگیری از استهلاک و ایجاد شرایط مطلوب برای اندازه گیری صحیح

بسیاری از نکات ظریف و پیش پا افتاده ای وجود دارد که در صورت رعایت این نکات، نه تنها عمر دستگاه اندازه گیری ما بیشتر خواهد شد بلکه دقت حاصله در اندازه گیری ها بیش از هر وقت قابل قبول خواهد بود. این نکات شامل دستورالعمل های طراحی، تکنیک یا نوع حس گر انتخاب شده، توصیه های سازنده، شرایط فرآیندی و برخی دیگر از این قبیل مسایل است.

همچنین به وجود اتصالات و شیرها در مسیر جریان سیال، در طراحی محل نصب دستگاه اندازه گیری جریان سیال باید دقت نمود و از نصب آن در مجاورت یا نزدیکی اتصالات پرهیز کرد. بدیهی است وجود تلاطم و آشفتگی در سیال تحت اندازه گیری باعث عدم دقت در رقم قرائت شده می شود. برای مثال شکل ۸ یک چیدمان غلط را در طراحی و نصب نشان می دهد.

 

اندازه گیری جریان , روش های اندازه گیری , عوامل مؤثر بر جریان سیال , flowmeter
شکل ۸- چیدمان و طراحی غلط

در ادامه، برخی از نکاتی که رعایت آن ها می تواند مانع از ایجاد خطا در اندازه گیری شود فهرست وار آمده است:

۱. استفاده از صافی [۹] برای جلوگیری از ورود اشیاء خارجی به داخل دستگاه اندازه گیری.

۲. برای جلوگیری از ایجاد تلاطم، قبل از دستگاه اندازه گیری و بعد از صافی باید حالت دهنده جریان قرار داده شود. این وسیله توانایی ویژه ای در حذف تلاطم و جریان های گردابی دارد.

۳. رعایت ملاحظات طراحی و توصیه های استاندارد در میزان مسیر مستقیم لوله به اندازه کافی، قبل و بعد از دستگاه اندازه گیری. علاوه بر توصیه های استاندارد، سازنده های دستگاه های مختلف نیز در تعیین مقدار مسیر مستقیم لوله و ضرورت رعایت آن توصیه های ویژه ای دارند.
۴. برای پرهیز از بروز خطا در اندازه گیری جریان سیال، سازندگان مختلف دستورات لازم را برای نصب صحیح و رعایت حداقل فاصله بین ورودی و خروجی دستگاه با اتصالات موجود روی خط لوله به خریداران می دهند. بدیهی است با رعایت این دستورات و هم چنین رعایت استاندارد های مربوطه خطاهای اندازه گیری به حداقل می رسد.

اندازه گیری جریان , روش های اندازه گیری , عوامل مؤثر بر جریان سیال , flowmeter

شکل ۹- نمونه ای از حالت دهنده جریان

نکته در اندازه گیری جریان سیالات به شیوه های مختلف، ممکن است ذکری از دیگر ویژگی های سیالات به میان آید. از جمله این خواص می توان اشاره ای داشت به:

• دما و فشار سیال

• درجه خلوص سیال

• دو فاز بودن (ترکیب مایع و گاز)

• خاصیت روان سازی [۱۰] سیال

• گرمای ویژه [۱۱]

• خاصیت خورندگی [۱۲]

• خاصیت هدایت الکتریکی [۱۳]

با عنایت به سادگی تعریف ویژگی های بالا، در این جا از بیان توضیحات اضافه در مورد خواص فوق خودداری می شود.

ادامه دارد

منابع و مآخذ:

  1. تاریخ مهندسی کنترل، دکتر علی خاکی صدیق، انتشارات دانشگاه خواجه نصیرالدین طوسی، ۱۳۸۴
  2. روش­ های کنترل، محمد حسن موحدی – دی ماه ۱۳۷۹ – ماهنامه صنعت هوشمند – شماره­ ۱۹ و ۲۰
  3. Flow Handbook, Endress & Hauser Company, 2006
  4. Instrumentation Reference Book, By Walt Boyes, 2003
  5. Instrument Engineers Handbook – Process Measurement and Analysis, By Bela G. Leptak, 2003
  6. Industrial Flow Measurement, David W. Spitzer, ISA, 1990

[1] . Pressure & Temperature Compensator

[2] . Conservation of Mass

[3] . Continuity Equation

[4] . Flow Computer

[5] . Reynolds Number

[6] . Laminate Flow

[7] . Turbulent Flow

[8] . Transition Flow

[9] . Strainer

[10] . Lubricity

[11] . Specific Heat

[12] . Corrosion

[13] . Electric Conductivity

درباره محمدحسن موحدی

دبیر انجمن مهندسان کنترل و ابزاردقیق ایران

بررسی بیشتر

اینترنت اشیاء , IoT , داده های IoT , تحول دیجیتال , هوش مصنوعی , محاسبات ابری , امنیت سایبری , کاربرد اینترنت اشیا , تعریف مفهومی اینترنت , آموزش اینترنت اشیا

اینترنت اشیاء (IoT) – بخش هشتم

اینترنت اشیاء: نگاهی فراتر به داده ها و پیش بینی ها تأثیر، داده و نتایج …

دیدگاهتان را بنویسید

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