اندازه گیری جریان سیالات در صنعت – بخش ۷

اندازه گیری جریان سیالات در صنعت

در بخش های پیشین این سلسله مقالات به اندازه گیری جریان سیالات در صنعت و نیز تعاریف کلی مترتب بر این اندازه گیری پرداختیم. دسته بندی روش های اندازه گیری از نظر کاربرد موضوع دیگری بود که در قسمت های قبلی به آن اشاره شد. در ادامه و در این بخش به دستگاه های اندازه گیری جریان به روش حجمی یا پیمانه ای خواهیم پرداخت.

   ۳. اندازه گیری جریان به روش حجمی یا پیمانه ای

      ۱-۳. دستگاه های اندازه گیری پیمانه ای

این روش اندازه گیری، به عنوان یکی از روش های قدیمی مطرح بوده و امروزه هنوز هم در پایانه های صدور نفت خام کاربرد دارد. طرز کار دستگاه های مبتنی بر تکنیک حجمی به گونه ای است که با نمونه گیری (مکرر) از جریان و تکرار دوره ای نمونه برداری از حجم سیال، به صورت مستقیم میزان جریان سیال اندازه گیری می شود [۱]. از جمع کردن حجم این پیمانه ها یا شمردن تعداد پیمانه ها (به عنوان واحد حجم) میزان واقعی جریان سیال به طور مستقیم به دست می آید:

Q = n.v

به طوری که:
v : حجم هر پیمانه
n : تعداد دفعات پر و خالی شدن پیمانه ها (یا تعداد دورهای محور دستگاه)
Q : حجم کل سیال جا به جا شده

خروجی این گونه دستگاه ها می تواند به صورت رقم روی شمارنده و به عنوان میزان کمیت نمایش داده شود و یا این که در خروجی دستگاه به صورت سیگنال الکترونیک (پالس، دیجیتال یا آنالوگ) قرار گرفته و کاربرد کنترلی داشته باشد.

یکی از کاربردهای متداول این روش، کنتور آب و کنتور در خروجی تلمبه (نازل) بنزین می باشد. می توان مدعی شد که این تکنیک، تنها روشی است که به کمک آن می توان به طور مستقیم حجم واقعی سیال را اندازه گیری نمود.

انرژی لازم جهت گردش چرخ دنده ها، پیمانه یا پیستون ها و دیگر ادوات متحرک در این دستگاه از فشار موجود در خط لوله تأمین می شود، از این رو از این نمونه دستگاه ها، ادوات بسیاری را می توان یافت که برای نمایش میزان جریان سیال یا نمایش حجم سیال منتقل شده روی شمارنده نیاز به منبع تغذیه خارجی ندارد. از جانب دیگر، طراحی این نوع از دستگاه به گونه ای است که فقط دارای کاربرد در اندازه گیری جریان در یک جهت است.
این دستگاه از معدود دستگاه هایی است که با افزایش چسبندگی سیال دقت دستگاه کاهش نمی یابد (حتی تاحدودی بهتر هم می شود). همچنین با کاهش میزان جریان سیال، دقت دستگاه رو به بهبود خواهد بود (turndown بسیار بالا).

الف) شروع پر شدن پیمانه اول
ب) پیمانه اول کاملاً پر و پیمانه دوم شروع به پرشدن می کند
ج) مرحله بعدی
د) پیمانه اول در حال خروج از دستگاه

 

اندازه گیری جریان سیال , روش های اندازه گیری , روش حجمی , اندازه گیری PD , flow measurement, Measurement methods , Volumetric method, PD measurement
شکل ۱- واحد حجم در دستگاه ­های پیمانه ­ای به­ ازای هر ۱/۸ از دور محور دستگاه است.

 

علاوه بر عنوان حجمی یا پیمانه ای، به این تکنیک جابه جایی مثبت یا به طور خلاصه، PD نیز گفته می شود. اندازه گیرهای PD یا دستگاه های مبتنی بر تکنیک حجمی به چهار دسته تقسیم می شوند:

• چرخشی (المان اندازه گیر از نوع دنده ای، پیچی یا پره ای است)
• رفت و برگشتی (المان اندازه گیر پیستون است)
• رقص محوری (المان اندازه گیر از نوع دیسکی است)
• نوسانی(المان اندازه گیر از نوع چرخشی است)

نکته: در یک تقسیم بندی دیگر و به طور عام، اندازه گیری به روش پیمانه ای به دو گونه انجام می شود. با این تقسیم بندی نیز چهارگونه دستگاهی که پیش از این به آنها اشاره شد قابل تمایز و قابل تطبیق با دو روش کلی زیر خواهد بود.

۱. دستگاه های اندازه گیری حجمی دوّار
۲. دستگاه های اندازه گیری حجمی رفت و برگشتی

مزایای جریان سنج های PD :

این دستگاه اندازه گیری، بالغ بر ۱۰۰ سال قدمت داشته و با توجه به مزایایی که در ادامه به آنها اشاره خواهد شد و سادگی طراحی، هنوز مورد اقبال استفاده کنندگان می باشد. در ایران از سال ۱۳۴۷ تاکنون از دستگاه های پیمانه ای در جزیره خارک و برای صدور نفت خام استفاده می شود و هنوز تعداد بسیار زیادی از این دستگاه ها تا اندازه ۲۰ اینچ در مناطق عملیاتی عسلویه، لاوان و خارک در حال خدمت می باشد.

در این نوع از دستگاه، هر چه میزان نشتی سیال از بین اجزای متحرک کمتر باشد، دقت اندازه گیری و درستی آن مطلوب تر خواهد بود. به هر رو، مزایای زیر به دستگاه های پیمانه ای منسوب است [۲ و ۴]:

• دقت بالا در اندازه گیری و درستی بسیار مطلوب (۰.۱%±) حتی قابلیت اندازه گیری جریان سیال در اثر نشتی شیرهای بالادستی
• تکرارپذیری بالا ( معمولاً %۰.۰۲ +/-) به ویژه در جریان سنج های PD چرخشی و هم چنین رفت و برگشتی
• Turndown بسیار خوب (۴۰:۱ و حتی بسیار بهتر)
• عدم نیاز به حالت دهنده ی جریان به طور عام
• قابل استفاده در اندازه گیری جریان مایعات با گران روی و چسبندگی نسبتاً بالا (مانند نفت خام)
• با تغییر گران روی و چسبندگی مواد، دقت و صحت دستگاه تغییرات زیادی نخواهد داشت.
• عدم تأثیرپذیریِ درستی دستگاه از آشفتگی رژیم جریان سیال
• دارای کاربرد در مایعات رسانا و نارسانا
• عدم نیاز به منبع تغذیه در بعضی از کاربردهای خاص (از جمله به عنوان کنتور محلی)
• در دسترس بودن جنس با تنوع زیاد از نظر جنس بدنه (قطعات) و برای کاربردهای گوناگون

معایب جریان سنج های PD :

اغلب معایب این دستگاه به دلیل داشتن قسمت های متحرک می باشد، با این وجود سعی شده است این ضعف ها فهرست وار بیان گردد [۲ و ۴]:
• غیر قابل استفاده در اندازه گیری جریان سیالات دوفاز یا سیالات دوغابی، در صورت وجود گاز یا بخار در سیال قطعات مکانیکی و متحرک دستگاه آسیب جدی می بیند.
• آسیب پذیری دستگاه در مقابل تلاطم زیاد سیال
• آسیب پذیری دستگاه در مقابل توقف یا شوک ناگهانی در اثر به جریان در آمدن سیال
• نیاز به جداسازی حباب های هوا از سیال قبل از ورود به دستگاه
• به دلیل وجود ادواتی هم چون جداسازی هوا یا فیلتر در بالا دست دستگاه اندازه گیر، افزایش گران روی مایع و یا افزایش جریان سیال، افت فشار در دستگاه را خواهیم داشت.
• آسیب پذیری دستگاه در مقابل زنگ زدگی و ساییدگی و کاهش دقت دستگاه بعد از مدتی کار کردن، با توجه به داشتن قسمت های متحرک
• نیاز به واسنجی مرتب و به موقع
• در بعضی از طراحی ها یا بعضی کاربردهای حساس، استفاده از این دستگاه باعث ایجاد نوسان در جریان سیال خروجی می شود.
• نسبت به دیگر تکنیک ها، ابعاد دستگاه در این روش بزرگ تر می باشد.
• محدودیت در پذیرش تغییرات دما و فشار سیال، به دلیل تأثیر روی قطعات متحرک و عملکرد دستگاه
• هزینه تعمیرات گران (از نظر تعویض قطعه و تعدد نیاز به تعمیرات و واسنجی)
• قیمت نسبتاً گران دستگاه نسبت به دیگر روش ها (به ویژه در اندازه های بزرگ)
• یک جهته بودن جریان سیال در دستگاه
• بروز ایراد فنی در قطعات متحرک دستگاه، ضمن ایجاد خلل در اندازه گیری باعث مسدود شدن مسیر جریان نیز خواهد شد.
• در صورتی که فشار خروجی دستگاه به یک باره کاهش بیابد، امکان ایجاد یخ زدگی در دستگاه هست.
• اشغال فضای زیاد توسط دستگاه

فلومتر چرخ دنده ای بیضوی :

یکی از پرکاربردترین انواع جریان سنج های PD، نوع چرخ دنده ای آن است. این دستگاه شامل یک بدنه، دو چرخ دنده (معمولاً بیضوی) و محور مکانیکی است که توسط آن گردش چرخ دنده که حاصل از عبور جریان است به شمارنده و یا بخش الکترونیک منتقل می شود.

تمایل جذب شدن دو چرخ دنده به هم (مطابق با طراحی) مانع از امکان بروز نشتی و در نتیجه کاهش دقت دستگاه می شود. تعداد دورهای چرخ دنده، متناسب با مقدار یا تعداد حجم ثابت عبور داده شده توسط دستگاه می باشد.

شکل ۲- نمایش یک جریان سنج چرخ دنده ای بیضوی

این دستگاه در اندازه های ۰/۲۵ الی ۱۶ اینچ ساخته می شود. نمونه خاص این دستگاه برای شرایطی ویژه (دمای بیشتر از ۲۹۰oC و فشار حدود ۱۴۵۰PSI) ساخته و کاربرد دارد. همچنین نمونه ای دیگر از این دستگاه برای اندازه گیری جریان سیالی معادل ۰/۸ لیتر در ساعت (قطره چکانی) ساخته شده است.

در این نوع خاص به لحاظ این که میزان جریان به اندازه ای نیست که بتواند چرخ دنده ها را به حرکت در آورد، از سرووموتور استفاده می شود. نمونه ای ویژه از این دستگاه نیز در اندازه تا یک اینچ ساخته شده است که به لحاظ عمیق نبودن دنده چرخ دنده ها دارای کاربرد در سیالات با گران روی بالا است.

اندازه گیری جریان سیال , روش های اندازه گیری , روش حجمی , اندازه گیری PD , flow measurement, Measurement methods , Volumetric method, PD measurement

شکل ۳ – نقشه جزییات نمونه ای از جریان سنج چرخ دنده ای بیضوی

دستگاه اندازه گیری حجمیِ رفت و برگشتی :

این نوع از دستگاه اندازه گیری حجمی جریان که از قدیمی ترین نوع آن نیز می باشد، در شکل ها و طراحی های گوناگون ساخته می شود از جمله:
• جریان سنج چندپیستونی
• جریان سنج با دو پیستون فعال
• شیرهای چرخشی
• شیرهای با لغزش افقی

شکل ۴ به طور شماتیک یک دستگاه رفت و برگشتی را نمایش می دهد.

شکل ۴ – نوع پیستونی و یا رفت و برگشتی

شکل ۵ نمونه دو پیستونی از دستگاه رفت و برگشتی را نمایش می دهد. با ورود مایع و فشار آوردن به پیستون سمت چپ، پیستون سمت راست در جهت عکس و به طرف بالا حرکت می کند. در این حالت مایع موجود در قسمت فوقانی پیستون سمت راست به طرف خروجی هدایت می شود.

در نتیجه، دستگاه آماده است تا مایع بالای پیستون سمت چپ را به طرف بیرون هدایت و بالای پیستون سمت چپ را از مایع ورودی پر کند.

در مرحله بعد، وضعیت دو پیستون عکس حالت قبلی خواهد بود. به این صورت، متناسب با میزان جریان سیال، رفت و برگشت پیستون ها ادامه می یابد. ظرفیت بالای هر پیستون ثابت و تعداد این احجام توسط شمارنده شمرده می شود.

شکل ۵ – تصویر برش خورده جریان سنج نوع پیستونی یا رفت و برگشتی با دو پیستون مقابل هم

جریان سنج با رقص محوری:

نام این دستگاه با توجه به چرخش موزون و منظم محور بالای دستگاه در هنگام کار انتخاب شده است. طرز کار دستگاه با توجه به شکل، با پر شدن فضای بالای بخشی از دیسک (که موازی سطح افق نیست) دیسک و گلوله متصل به آن شروع به چرخش می کند، در نتیجه محور بالای دستگاه نیز متناسب با آن دور یک چرخ دنده می چرخد.

به عبارتی، محور متصل به گلوله، چرخش وضعی به شعاع چرخ دنده بالای دستگاه دارد که این چرخش به چرخ دنده منتقل می شود. تعداد دورهای محور دقیقاً برابر تعداد دفعات پر و خالی شدنِ فضای بالای دیسک است. ضعف این طراحی را می توان از امکان نشتی و در نتیجه، کاهش نسبی دقت عنوان کرد. از دیگر ویژگی های دستگاه فوق، هزینه نگهداری کم به لحاظ عملکرد ساده آن است.

شکل ۶ – جریان سنج رقص محوری

دستگاه اندازه گیری جریان از نوع پیستون نوسانی :

بیشترین کاربرد دستگاه نوع پیستون نوسانی و یا چرخشی در اندازه گیری میزان جریان آب (کنتور آب) منازل دارد. پیستون چرخشی، داخل محفظه دستگاه حول محوری روی محیط دایره داخل دستگاه امکان چرخیدن دارد.

شکل ۷ – دستگاه اندازه گیری جریان، نوع پیستونی

در حالت عادی که جریانی از دستگاه عبور نمی کند، پیستون در حالت تعادل بوده و در قسمت فوقانی محفظه قرار دارد. در این حالت پیستون مانع برقراری ارتباط بین ورودی و خروجی دستگاه می شود. به محض ایجاد اختلاف فشار که بیان گرِ برقراری جریان است، پیستون به سمت چپ منحرف شده و حرکت چرخشی خود را آغاز می کند.

در یک دور کامل در جهت عکسِ عقربه های ساعت به میزان یک حجم ثابت مایع از دستگاه خارج می شود. هرچه میزان سرعت سیال و در نتیجه جریانِ سیال بیشتر باشد، تعداد دورهایی که توسط پیستون زده می شود بیشتر خواهد بود. در نهایت با شمارش تعداد دور ها، میزان جریان عبوری قابل محاسبه است [۳].

شکل ۸ – حالت های مختلف وضعیت دستگاه نوع نوسانی در هنگام کار

سازنده های مختلف ممکن است دستگاه هایی با عملکرد مشابه ولی با نام گذاری خارج از چهار دسته بندی بالا طراحی و تولید کنند، اما آن چه مهم است استفاده از تکنیک بسیار ساده نمونه گیری از جریان و تکرار منظم نمونه برداری از سیال در تمام روش های فوق است.

برای مثال، شکل ۹ نمونه ای از یک جریان سنج پره ای چرخشی را نمایش می دهد. ملاحظه می شود، عملکرد این دستگاه نیز مشابه نمونه های قبلی است.

شکل ۹ – نمونه ای از جریان سنج پره ای چرخشی

      ۲-۳. استفاده از تکنیک حجمی در اندازه گیری جریان گازها:

اندازه گیری جریان گازها نسبت به مایعات دارای ملاحظات و ظرافت های خاص خود است. اما زمانی که اندازه گیری جریان گاز زیاد بحرانی نباشد امکان استفاده از روش حجمی نیز وجود دارد. شکل ۱۰ ساختمان یک نمونه از کنتور گاز قابل نصب در مبادی ورودی مصرف کنندگان خانگی با فشار نسبتاً پایین و ظرفیت مصرف کم را نشان می دهد [۲].

اندازه گیری جریان سیال , روش های اندازه گیری , روش حجمی , اندازه گیری PD , flow measurement, Measurement methods , Volumetric method, PD measurement

شکل ۱۰ – نمونه ای از کنتور گاز خانگی

همان گونه که شکل ۱۰ نشان می دهد، دستگاه دارای دو فانوس به شماره ۲ و ۳ و هم چنین دو فضای ۱ و ۴ است. این فانوس ها که توان تحمل گاز با فشار بسیار پایین را دارند به ترتیب پر و خالی می شوند.

پر و خالی شدن فانوس ها تحت کنترل بوده و هم زمان است با حرکت لغزشی شیرهای بالایی دستگاه که مجرای ورودی و خروجی فانوس ها را کنترل می کند. حرکت رفت و برگشتی شیرها توسط یک محور به بیرون منتقل و شرایط شمارش و پر و خالی شدن محفظه ها فراهم می شود. توضیحات بیشتر روی شکل ها داده شده است.
شکل ۱۱ نیز نمونه دیگری از دستگاه اندازه گیری جریان گاز را نمایش می دهد که توسط آب مجرای ورودی و خروجی دستگاه را تحت کنترل در آورده و مانع نفوذ گاز از ورودی به خروجی می شود. به این نوع دستگاه جریان سنج مرطوب گاز گفته می شود. به این صورت، با مجزا کردن هر کدام از پیمانه ها از یک دیگر (به کمک آب) امکان اندازه گیری جریان گاز به روش پیمانه ای میسر می شود.

اندازه گیری جریان سیال , روش های اندازه گیری , روش حجمی , اندازه گیری PD , flow measurement, Measurement methods , Volumetric method, PD measurement

شکل ۱۱- جریان سنج مرطوب گاز

منابع و مراجع:
۱. سیستم های اندازه گیری و محاسبه جریان سیالات در صدور مایعات نفتی – هفته نامه مشعل – شماره ۳۸۰ – ۳۰/۱۰/۸۶

۲. Flow Handbook, Endress& Hauser Company, 2006
3. Instrumentation Reference Book, By Walt Boyes, 2003
4. Industrial Flow Measurement, David W. Spitzer, ISA, 1990

درباره محمدحسن موحدی

دبیر انجمن مهندسان کنترل و ابزاردقیق ایران

بررسی بیشتر

اترنت , TSN , UA OPC , افزونگی , بی درنگ

شبکه‌ای جدید و یکتا برای تمامی نیازهای صنعتی؛ آرزو یا واقعیت

شبکه‌ای جدید و یکتا برای تمامی نیازهای صنعتی؛ آرزو یا واقعیت مقدمه استفاده از شبکه‌های …

دیدگاهتان را بنویسید

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