اندازه‌گیری دقیق جریان سیال برای صنایع مختلف بسیار مهم هست و نیز کنترل دقیق فرآیندها با هزینه پایین و قابل اعتماد بعنوان یک ضرورت محسوب می‌شود. یکی از قدیمی‌ترین و معتبرترین روش‌های اندازه‌گیری جریان سیالات استفاده از دبی سنج جابجایی مثبت است. این دستگاه بر اساس اصول فیزیکی جابجایی حجم سیالات کار می‌کند و تنهاترین روشی هست که به صورت مستقیم مقدار دقیق جریان سیال را اندازه‌گیری می‌کند.
PD یا فلومتر جابجایی مثبت چیست؟
فلومترهای جابجایی مثبت (Positive displacement flow meter) تجهیزات اندازه گیری جریان حجمی هستند. این دبی سنج مکانیکی با عبور دادن حجم دقیق سیال از بین چرخ دنده‌هایش در هر چرخش، فلو را اندازه گیری می کنند. بعبارتی دبی سنجهای جابجایی مثبت ابزار‌هایی هستند که اجزای متحرک داخلی آنها به صورت هیدرولیکی با حجم سیال در حال حرکت در ارتباط است.
فناوری این دستگاه، تنها روش اندازه گیری جریان است که به طور مستقیم، حجم سیال عبوری از فلومتر را اندازه گیری می کند. فلومترهای جابجایی مثبت با به دام انداختن مکرر سیال به منظور اندازه گیری جریان کار می‌کنند. گیر افتادن سیال معمولاً با استفاده از چرخ دنده ها یا روتورهای دقیق انجام می شود. در اکثر مدل‌های جریان سنج PD، قطعات چرخشی، دارای ساختار محکم و آب‌بندی شده هستند، به همین دلیل تقریبا بدون خطا فلو را اندازه می‌گیرند.
بیشتر بدانید:
فلومتر یا دبی سنج چیست و چه کاربردی دارد!
این پروسه مانند پر کردن پی‌در‌پی یک ظرف با مایع است. دقیقا، تعداد دفعاتی که ظرف پر یا خالی می‌گردد بیانگر جریان عبوری از فلومتر است.
اساس و نحوه کار دبی سنج PD
دبی سنج های جابجایی مثبت برای اندازه‌گیری به قطعات متحرکی برای جابجایی سیال متکی هستند. این قطعات متحرک باید آب‌بندی کامل شوند تا از نشتی سیالات جلوگیری شود (تا دقیق‌تر عمل سنجش انجام گیرد). در واقع، مشخصه تعیین کننده هر جابجایی سنج مثبت این است که سیال یا گاز نمی تواند بدون تأثیر بر قطعات متحرک از داخل فلومتر عبور کند و بالعکس.
هر مقدار مایعی که وارد تجهیز می‌شود، دقیقا بیرون می‌آید و اندازه‌گیری می‌شود. مایعات با ویسکوزیته بسیار کم دارای دبی کم نیز مشکلاتی را برای PD متر ایجاد می کند. به همین دلیل است که باید توجه دقیقی به گازهای حباب‌شده و حذف قبلی آنها انجام شود تا از عدم دقت اندازه‌گیری در اندازه‌گیری مایع جلوگیری شود.
لیست و انواع فلومتر جابجایی مثبت PD
- پیستونی رفت و برگشتی یا چرخشی
- دنده بیضی و لوب روتاری
- پره چرخشی دوار
- فلومتر حلزونی یا هلیکس
- فلومتر دیسک متحرک ناتینگ
در ادامه هر کدام از این تجهیزات را بررسی کرده و شرح می‌دهیم
1. فلومتر پیستونی رفت و برگشتی یا چرخشی Oscillating piston flow meters
بازار فناوری مایعات همیشه در حال توسعه و تغییر است. یکی از تکنولوژی‌هایی که به طور گسترده در این صنعت مورد استفاده قرار می‌گیرد، فلومترهای پیستونی نوسانی هستند. این ابزارها به طور معمول برای اندازه‌گیری حجم مایعات استفاده می‌شوند و برای مایعات با ویسکوزیته بالا مانند: رنگ، رزین، روغن و جوهر بسیار مناسب هستند.
دبی‌سنج‌های پیستونی نوسانی از یک محفظه ماشینکاری شده برای اندازه‌گیری دقیق حجم مایعات استفاده می‌کنند. این محفظه دارای یک پیستون استوانه‌ای است که مایعات وارد شده دقیقاً به مقدار معینی پر شده و خالی می‌شود. وظیفه پیستون نوسانی، تقسیم محفظه به بخش‌هایی با حجم دقیق است تا اندازه‌گیری حجم بصورت صحیح انجام گیرد.
با اعمال فشار سیال، پیستون شروع به نوسان کردن و هر بار که محفظه پر و خالی می‌شود، پیستون حرکت می‌کند. محفظه دارای یک سیلندر شکافدار است که ورودی و خروجی را جدا می‌کند و این باعث می‌شود پیستون به صورت متوالی حرکت کند و اندازه‌گیری دقیق حجم مایع امکان‌پذیر شود.
فلومترهای پیستونی نوسانی به طور گسترده در صنایع شیمیایی و پتروشیمی مورد استفاده قرار می گیرند. آنها برای پر کردن مخزن و کاربردهای بچینگ، اندازه گیری میعانات بخار در دیگهای بخار و اندازه گیری مصرف سوخت و بسیاری موارد دیگر استفاده می شوند. از دیگر کاربردهای این دبی سنج میتوان به صنعت نفت و گاز اشاره کرد. این فلومترها به شرکت‌های حفاری کمک می‌کنند تا به دقت حجم مایعات را اندازه‌گیری کرده و از تغییرات جریان مایعات آگاه شوند.
از مزایای استفاده از فلومترهای پیستونی نوسانی، دقت بالا و قابلیت اعتماد آنهاست. این دستگاه‌ها به طور دقیق تر و قابل اعتمادتری نسبت به دیگر فلومترها عمل می‌کنند. همچنین این دسته از جریان سنج ها می‌توانند در هر دو موقعیت افقی و عمودی نصب شوند. با این حال، برای استفاده موثر از آنها، باید به محدودیت‌ها و چالش‌های آنها نیز توجه کرد.
2. دنده بیضی Oval gear and lobe meters
فلومتر دنده بیضی از دو چرخ دنده دندانه دار بهره می‌برد که یکی به صورت افقی و دیگری به صورت عمودی نصب شده است که در نوک چرخ دنده عمودی و مرکز دنده افقی سوارخی وجود دارد. دو روتور مخالف یکدیگر می چرخند و در شکاف هلالی شکل بین محفظه و چرخ دنده ایجاد می کنند. اگر لغزش بین محفظه و چرخ دنده ها کم باشد، این فلومتر می تواند بسیار دقیق باشد.
چنانچه ویسکوزیته سیال فرآیند بیشتر از 10 سانتی پویز باشد و دبی جریان بیش از 20 درصد ظرفیت نامی باشد، این تجهیز قادر است به دقت 0.1 درصد دست یابد. در جریان های کمتر و در ویسکوزیته کمتر، لغزش افزایش می یابد و دقت به 0.5٪ AR یا کمتر کاهش می یابد. از عمده مشکلات این دسته میتوان به سایش بین دنده ها در مایعات غیر روغنی است، اشاره کرد.
در مایعاتی که به خوبی روغن کاری نمی شوند، حداکثر سرعت روتور باید کاهش یابد تا سایش محدود شود. راه دیگر برای محدود کردن سایش این است که افت فشار در سراسر دبی سنج را زیر 1bar نگه دارید. بنابراین، افت فشار در سراسر کنتور حداکثر دبی مجاز را در سرویس با ویسکوزیته بالا محدود می کند.
لوب مترها هم کارکردی مانند فلومتر دنده بیضی دارد با این تفاوت که دنده‌ای شکل نیستند. کناره این دستگاه‌ها صاف بوده و تماس فیزیکی بین دو لوب وجود ندارد. لوب متر را می توان در اندازه های خطی 2 تا 24 اینچی ارائه کرد. ظرفیت جریان 8 تا 18000 گالن در دقیقه (gpm) در سایزهای بزرگتر است. این تجهیزات قابلیت تکرارپذیری خوبی را در جریان های بالا ارائه می دهند و قادرند در فشارهای عملیاتی بالا تا 82 بار (1200 psig) و دما تا 200 درجه سانتیگراد استفاده شوند.
دنده بیضی و لوب مترها در طیف وسیعی از جنس ها ساخته شده است مانند: ترموپلاستیک و فلزات بسیار مقاوم در برابر خوردگی. از معایب این دسته میتوان به از دست دادن دقت در جریان های کم اشاره کرد. همچنین حداکثر جریان عبوری از این کنتور کمتر از پیستون نوسانی یا دیسکی است.
3. پره چرخشی دوار Rotary vane meters
فلومتر دوار از یک پروانه دوار حاوی دو یا چند پره تشکیل شده است. فضاهای بین پره ها به قسمت‌های تقسیم شده‌اند و در هر چرخش (یا عبور سیال) مقدار دبی اندازه‌گیری می‌شود. بعبارتی، شامل پروانه های دوار به طور یکنواخت با دو یا چند محفظه هستند. تعداد چرخش پروانه با واحد حجمی شمارش و ثبت می شود. این نوع دبی سنج‌ها اغلب در صنعت نفت استفاده می شوند.
4. فلومتر حلزونی یا هلیکس Helix meters
نام فلومترهای حلزونی را از شکل چرخ دنده‌ها یا روتورهای آنها گرفته‌اند. این روتورها شبیه به شکل یک مارپیچ است که از دو چرخ دنده مارپیچ شیبدار شعاعی برای به دام انداختن مداوم سیال فرآیند در حین جریان استفاده می کند. هنگامی که سیال در دستگاه جریان می یابد، وارد محفظه های روتور می شود و باعث چرخش روتورها می شود. نرخ جریان از سرعت چرخش محاسبه می شود.
در دبی سنج هلیکس از سنسورهای نوری یا مغناطیسی برای رمزگذاری یک قطار پالس متناسب با سرعت چرخش چرخ دنده های مارپیچ استفاده می شود. نیروهای مورد نیاز برای چرخش مارپیچ ها نسبتاً کم است و بنابراین در مقایسه با سایر فلومترهای جابجایی مثبت افت فشار نسبتاً کمی دارد. بهترین دقت قابل دستیابی حدود ± 0.2٪ یا نرخ است.
از معایب این فلومتر اینست که با کاهش دبی و یا ویسکوزیته سیال، خطای اندازه گیری افزایش می یابد. فلومتر حلزونی قادر است جریان سیالات بسیار ویسکوز (از 3 تا 300000 cP) را اندازه‌گیری کند. این تجهیز برای سیالات بسیار غلیظ مانند چسب‌ها و پلیمرهای بسیار چسبناک ایده‌آل است.
از آنجایی که در حداکثر جریان، افت فشار از طریق کنتور نباید از 2 بار کمتر شود، با افزایش ویسکوزیته سیال، حداکثر جریان نامی از فلومتر کاهش می یابد. اگر سیال دارای ویژگی روانکاری خوبی باشد، تعداد دور بر دقیقه تا 100:1 امکان افزایش را دارد.
5. فلومتر دیسک متحرک ناتینگ Nutating disk
فلومترهای دیسکی نوتینگ از رایجترین جریان سنجهای مایعات مخصوصا آب هستند. آنها به عنوان کنتور آب مسکونی در سراسر جهان استفاده می شوند. همانطور که آب از طریق کنتور جریان می یابد، باعث می شود یک دیسک تکان بخورد و یک دوک، آهنربا را بچرخاند. این آهنربا به یک شمارنده مکانیکی متصل می‌شود. از آنجایی که فلومتر هر بار که دوک می چرخد مقدار ثابتی از سیال را تشخیص می‌دهد، پس سرعت جریان متناسب با سرعت چرخش دوک است.
مزایای اندازه‌گیری جریان سیال بوسیله فلومتر جابجایی مثبت
- قابلیت تحمل فشار بالا
- اندازه گیری جریان خطی
- تعمیر و نگهداری نسبتا پایین
- در دسترس بودن قطعات یدکی
- امکان نصب بصورت افقی و عمودی
- اندازه گیری بسیار دقیق و قابل تکرار
- سطح دقت بالا نسبت به قیمت فلومتر
- بدون نیاز به وصل برق در مدل‌های مکانیکی
- توانایی پردازش طیف وسیعی از ویسکوزیته سیال
- در کاربردهایی که دما و چگالی نوسان دارد نیز مناسب است
معایب دبی سنج DP
در حالی که سنسورهای جریان جابجایی مثبت بسیار کاربردی هستند، اما محدودیت برای استفاده از آنها وجود دارد.
- نباید از آنها برای سیالاتی که حاوی ذرات بزرگ هستند استفاده شود، مگر اینکه بتوان آنها را قبل از ورود سیال به محفظه اندازه گیری بوسیله صافی فیلتر کرد
- برای کاربردهایی که حباب های بزرگی از هوا در سیال وجود دارد، مناسب نیستند
- در بعضی از انواع این فلومترها، هنگام کارکرد، لرزش و سر و صدا ایجاد می‌شود
- ساختار مکانیکی و در برخی مواقع پیچیده دارند
فلومتر جابجایی مثبت در چه صنایعی کاربرد دارد؟
صنایعی که در آنها از انواع فلومترهای جابجایی مثبت استفاده می‌شود عبارتند: نفت و گاز، آب و فاضلاب، شیمیایی، نیروگاه، داروسازی، مواد غذایی و آشامیدنی، خمیر و کاغذ، فلزات، معدن و حتی هوافضا.
- اندازه گیری جریان انواع مواد شیمیایی
- اندازه گیری جریان حجمی سیالات در لوله ها
- اندازه گیری مصرف سوخت در دیگهای بخار دیزلی
- تعیین جریان حجمی رنگ‌ها در کارخانه تولید رنگ و رزین
- اندازه گیری دقیق مایعات در صنایع غذایی، نوشیدنی و تنباکو
- مانیتورینگ تاسیسات، مانیتورینگ پمپ آب شیرین و اندازه گیری حجمی جریان آب رودخانه
- در صنایع شیمیایی برای تخمین دقیق جریان سیالات چسبناک و مواد شیمیایی مختلف از قبیل هیدروکربن‌ها و مایعات برودتی
نحوه نصب فلومتر جابجایی مثبت چگونه است؟
در هنگام نصب فلومترهای جابجایی مثبت حتما از مراحل زیر پیروی کنید:
- خطوط لوله را در بالادست کنتور کاملاً بشویید تا کثیفی ها و ذرات آلوده از داخل لوله پاک شوند
- فلومتر را در خط تنظیم کنید (فلش‌ها ورودی و خروجی جهت جریان را نشان می دهد)
- در حین بستن تجهیز به خط لوله اتصالات را کاملا آب‌بندی کنید
- از درزگیر لوله یا نوار تفلون روی رزوه‌های دبی سنج استفاده نکنید
- اتصالات را بیش از حد سفت نکنید
- یادتان باشد قبل و بعد تجهیز از شیر پروانه‌ای برای قطع و وصل جریان سیال استفاده کنید
- برای آزمایش نصب برای نشتی شیر قطع کننده خروجی (پایین دست) را ببندید. دریچه ورودی (بالا دست) را به آرامی باز کنید تا کنتور پر از آب شود.
- شیر خروجی (پایین دست) را به آرامی باز کنید تا هوا از کنتور و خط لوله خارج شود.
- هنگام نصب دبی سنجهای مجهز به مدار الکترونیکی، به دستورالعمل‌های نصب، کارخانه را مطالعه نمایید
تجهیزات جانبی دبی سنج PD
لوازم جانبی برای این فلومترها عبارتند از: صافی‌ها، فیلترها، تجهیزات حذف حباب‌های هوا و بخار از سیال، دمپرهای حذف جریان ضربه‌ای، سیستم‌های جبران دما و انواع دریچه‌ها برای امکان قطع دریبل را شامل می‌شود.
کالیبراسیون فلومتر جابجایی مثبت
کالیبراسیون فرآیندی است که در آن اندازه‌گیری‌های انجام‌شده توسط یک فلومتر با اندازه‌گیری‌های انجام‌شده توسط یک دستگاه دقیق‌تر، مقایسه می‌شود. یک فلومتر کالیبره شده می تواند نتایج دقیقی را ارائه دهد و عملکرد کارآمد سیستم را تضمین کند.
فلومترها در چند مرحله کالیبره می‌شوند. اولین مرحله در کارخانه هنگام تولید تجهیز کالیبره می‌گردد. دومین مرحله در هنگام نصب توسط مصرف کننده است. بعد از نصب نیز در زمان‌های مشخصی (PM) اقدام به کالیبراسیون فلومتر توسط افراد مجرب انجام می‌پذیرد، تا اطمینان حاصل شود که اندازه گیری ها دقیق هستند.
به عنوان مثال، یک ترازوی 100 کیلوگرمی، زمانی که چیزی روی آن نیست، باید دوباره کالیبره و تنظیم شود تا مقدار صفر اولیه را نشان دهد.
سوالات متداول
دبی سنج پیستونی چرخشی چیست و چگونه کار می کند؟
فلومتر پیستونی چرخشی نوعی فلومتر جابجایی مثبت است که از چرخش پیستون برای اندازه گیری مستقیم بسته های کوچکتر حجم مایع استفاده می کند. با هر چرخش، یک حجم چرخه ای شناخته شده مایع از ورودی به خروجی جابه جا می شود و کل دورها برای دانستن حجم کل مایع اندازه گیری شده خلاصه می شوند.
فلومتر پیستونی چه کاربردی دارد؟
در صنایع نفت، گاز، شیمیایی و پتروشیمی مورد استفاده قرار می گیرند. آنها برای پر کردن مخزن و کاربردهای بچینگ، اندازه گیری میعانات بخار در دیگهای بخار و اندازه گیری مصرف سوخت و در بسیاری از صنایع کاربرد دارند.
نرخ جریان در فلومتر پیستونی چگونه محاسبه می شود؟
در یک دبی سنج پیستونی نوسانی، حجم کل با دور پیستون اندازه گیری می شود و به طور لحظه ای مقدار زمان صرف شده برای یک دور ثبت می شود. بر این اساس، حجم کل بر زمان صرف شده تقسیم می شود و در کل جریان به طور میانگین محاسبه می شود که هم سرعت جریان آنی و هم نرخ جریان متوسط را ارائه می دهد.
مکانیزم پیستون سیلندری نوسانی چیست؟
مکانیزم پیستون نوسانی برای اندازه گیری جریان حجمی استفاده می شود. مکانیزم پیستون نوسانی شامل یک محفظه اندازه گیری و یک پیستون ساخته شده از یک ماده سبک وزن است که نسبت به اکثر رسانه ها بی اثر است. با جریان یافتن مایع در محفظه، پیستون در یک مکان دایره ای نوسان می کند در حالی که حجم را در هر دور اندازه گیری می کند.
آیا فلومتر حلزونی برای کنترل جریان و مدیریت مایعات کاربرد دارد؟
بله، به علت اینکه این دستگاه دارای دقت بالا و کنترل دقیق جریان است، از این رو مناسب برای کنترل جریان و مدیریت مایعات در صنایع مختلف محسوب می‌شود.
فلومتر حلزونی چیست و چگونه کار می‌کند؟
فلومتر حلزونی دسته‌ای از فلومترهای جابجایی مثبت است که از حلقه حلزونی یا هلیکس برای اندازه‌گیری حجم مایعات استفاده می‌کند. عبور مایعات از داخل دبی سنج باعث چرخش هلیکس شده در نتیجه از این طریق حجم مایعات اندازه‌گیری می‌شود.
کاربردهای فلومتر حلزونی در کجاست؟
فلومتر حلزونی به دلیل دقت بالا در صنایع مختلفی از جمله صنایع نفت و گاز، شیمیایی و داروسازی استفاده می‌شود.
چه عواملی باعث ایجاد اختلال در عملکرد فلومتر جابجایی مثبت می‌شود؟
عواملی مانند: رسوبات، نصب نادرست، کالیبره نبودن دستگاه یا کالیبراسیون غلط منجر به اختلال در عملکرد فلومتر جابجایی مثبت می‌شود. این عوامل می‌تواند دقت اندازه‌گیری را بشدت کاهش دهند.
مزایا و معایب فلومتر دیسک متحرک Nutating چیست؟
مزایا این نوع عبارتند از: ساختار ساده، قیمت پایین و دقت قابل قبول می‌باشد. اما معایب آن شامل حساس بودن به تغییرات دما، فشار و مستعد گرفتگی از طریق رسوبات را دارد.
آیا میتوان از فلومتر جابجایی مثبت برای سیالات دوغابی استفاده کرد؟
خیر، از دبی سنجهای جابجایی برای مایعاتی که دارای ذرات معلق بیش از 100 میکرون نیمتوان استفاده کرد. بعبارتی از این نوع فلومترها معمولا برای مواد دوغابی و سیالات خورنده نصب نمی‌شود.
