فلومتر ونتوری چیست؟ آموزش با مشخصات فنی

فلومتر ونتوری اولین بار در سال ۱۷۹۷ توسط جیووانی ونتوری، فیزیکدان و مهندس ایتالیایی، معرفی شد. او در مطالعات خود بر روی دینامیک سیالات، اثر ونتوری را کشف کرد که نشان می‌داد فشار سیال در هنگام عبور از یک مقطع باریک کاهش می‌یابد و سپس با گسترش مجدد لوله افزایش می‌یابد. این کشف منجر به توسعه فلومترهای ونتوری برای اندازه‌گیری دبی جریان شد. در اوایل قرن بیستم، این ابزار به دلیل دقت بالا، مقاومت در برابر افت فشار، و قابلیت اطمینان، در صنایع مختلف مانند نفت، گاز و آب مورد استفاده قرار گرفت.

کاربردهای اولیه فلومتر ونتوری در مهندسی سیالات و آزمایشگاه‌های تحقیقاتی آغاز شد، اما پس از مدتی با بهبودهای فنی، به صورت گسترده در صنایع شیمیایی و فرآیندی به کار گرفته شد. مزیت کلیدی این دستگاه‌ها این است که به کاهش حداقلی افت فشار کمک می‌کنند، در حالی که دقت بالا و عملکرد بدون حرکت مکانیکی، آن‌ها را گزینه‌ای مناسب برای سیالات مختلف با خواص متنوع، از جمله سیالات کثیف یا حاوی ذرات معلق کرده است.

فلومتر ونتوری چیست؟

فلومتر ونتوری (Venturi Flowmeter) دستگاهی برای اندازه‌گیری جریان سیالات است که از اصل معادله برنولی برای سنجش دقیق نرخ جریان استفاده می‌کند. ساختار این تجهیز به‌نحوی است که از یک لوله مخروطی با گلوی باریک تشکیل شده است که باعث انقباض در سرعت عبور سیال می‌شود.

همانطور که سیال از طریق لوله ونتوری عبور می‌کند، سرعت آن افزایش می یابد و منجر به کاهش فشار می شود. این اختلاف فشار برای تعیین میزان جریان سیالات استفاده می شود.

لوله‌های ونتوری توانایی اندازه‌گیری دقیق، افت فشار کم و سازگاری با سیالات مختلف را دارند. فلومتر ونتوری در صنایعی مانند نفت و گاز، فرآوری شیمیایی و تصفیه آب به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرند.

اگر میخواهید درمورد فلومتر، انواع و کاربرد های آن بدانید بر روی مقاله زیر کلیک کنید

فلومتر flowmeter

اساس کار لوله ونتوری

اصول کار یک لوله ونچوری بر اساس معادله برنولی است، که با افزایش سرعت سیال، فشار آن کاهش می یابد. لوله ونتوری چیزی نیست جز یک لوله‌ که دربخشی از لوله انقباض وجود دارد. همچنین این تجهیز دارای یک بخش نازل همگرا در بالادست و یک بخش واگرا در سمت پایین دست است که وظیفه ایجاد اثر ونتوری در سیال را دارد.

دو انشعاب P1 و P2 از لوله ونچوری که اختصارا Tapping نام دارد، برای تشخیص مقدار فشار ورودی و فشار گلویی تعبیه شده است. یک ترانسمیتر اختلاف فشار (PDT) بین دو نقطه (بخش همگرا و واگرا) برای تعیین فشار دیفرانسیل سیال نصب می‌شود. سنسور DP فشار جریان سیال را در بالادست و پایین دست را اندازه گیری می‌کند. فشار دیفرانسیل (P1-P2) متناسب با سرعت جریان است و می تواند با معادلات ریاضی و کالیبراسیون مناسب همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، فلو را تعیین کرد.

اختلاف فشار بین ورودی فلومتر و گلوگاه به طور مستقیم با سرعت جریان سیال متناسب است. شما می توانید با اندازه گیری این افت فشار و با استفاده از معادله ونتوری که در عکس نشان داده شده است ، دبی را تعیین کنید. این معادله، چگالی سیال و اصل بقای انرژی را بیان می‌کند. در معادله نشان داده شده در تصویر، Q سرعت سیال و Cd ضریب تخلیه ونتوری، Ao مساحت گلویی، P1 فشار در ورودی، P2 فشار گلویی، ρ چگالی سیال و β نسبت قطر گلویی به قطر ورودی فلومتر است.

انواع فلومتر ونتوری از لحاظ کاربرد

به طور معمول سه نوع ونتوری متر موجود است:

• ونتوری متر افقی

این نوع ونتوریمتر دارای بیشترین انرژی جنبشی و کمترین انرژی پتانسیل است.

• ونتوری متر عمودی

این نوع دارای حداکثر انرژی پتانسیل و حداقل انرژی جنبشی است.

• ونتوری متر شیبدار

در این مدل هر دو انرژی پتانسیل و جنبشی در حد بالا قرار دارند.

انواع فلومتر ونتوری از لحاظ ساخت

لوله ونتوری در وسط خطوط انتقال سیالات از طریق جوشکاری یا فلنج نصب می‌شود. تا اطمینان حاصل شود که خط لوله در حین کار کاملاً با یک مایع پر شده باشد.

• فلنجی Flanged
• جوشی Weld-In
• دُرجی Insertion

در ادامه هر کدام از این فلومترها را مورد برسی قرار می‌دهیم.

ونتوری فلنجی

همانطور که در تصویر بالا نشان داده شده است، لوله های ونتوری از نوع فلنجی گونه ای تخصصی از لوله های ونتوری هستند که در ابتدا و انتهای دستگاه از فلنج برای نصب و اتصال راحت در یک سیستم خطوط لوله ساخته شده‌اند. بعبارتی فلنج ها باعث نصب ایمن ونتوری‌ها درخطوط لوله‌ می‌شوند از این رو این نوع ونتوری به اتصال قوی وبدون نشت معروف است و اندازه گیری جریان، به صورت قابل اعتماد و دقیق را تضمین می‌کند.

ونتوری جوشی Weld-In

لوله های ونتوری نوع Weld-In دسته‌ای تخصصی هستند که برای نصب دائمی در یک سیستم و خطوط انتقال سیالات، طراحی شده‌اند. ساختار این نوع از ونتوری ها به صورتی است که به آنها اجازه می دهد مستقیماً در خط لوله جوش داده شوند و اتصال قوی و دائمی داشته باشند.

ونتوری دُرجی Insertion

لوله های ونتوری نوع درج، گونه‌ی دیگری از فلومترهای ونتوری می‌باشد که برای قرار دادن آسان در سیستم های لوله کشی موجود بدون نیاز به برش یا جوش طراحی شده اند. این نوع ونتوری دارای طراحی منحصر به فردی هستند که به آنها اجازه می‌دهد از طریق یک شیر یا دهانه شیر در خط لوله نصب شوند از این رو آنها برای اندازه‌گیری های موقت جریان ایده‌آل هستند.

کاربرد های فلومتر ونتوری

از فلومترهای ونتوری به طور گسترده در صنایعی مانند نفت، گاز و پتروشیمی، نیروگاه‌ها، فرآوری شیمیایی، تصفیه آب و سیستم های تهویه مطبوع HVAC استفاده می شوند. زیرا در این صنایع به اندازه‌گیری دقیق جریان سیال، تنظیم فشار و اختلال سیال نیز نیاز هست.

• اندازه‌گیری جریان سیال

لوله‌های ونتوری معمولاً برای اندازه‌گیری دقیق و مطمئن نرخ جریان در صنایع مختلف استفاده می‌شوند. آنها از طریق ایجاد اختلاف فشار می تواند سرعت جریان سیال را تشخیص دهند. لوله های ونتوری به ویژه برای اندازه گیری جریان های با سرعت بالا ساخته شده‌اند و می‌توانند در طیف گسترده ای از انواع سیالات کاربرد داشته باشند.

• اختلاط سیال

از این تجهیزات می توان برای تزریق و مخلوط کردن مواد شیمیایی یا افزودنی ها به یک سیال استفاده کرد. با وارد کردن سیالی دیگر از طریق یک درگاه جانبی در این تجهیز، اثر ونتوری که خلاء ایجاد ایجاد کرده سیال را به داخل سیال عبوری می‌کشد و اختلاط کامل را تسهیل می کند.

• تنظیم فشار

لوله‌های ونتوری می‌توانند به عنوان تنظیم‌ کننده فشار در سیستم‌هایی که نیاز به افت فشار خاص دارند مورد استفاده قرار گیرند. با تغییر قطر گلویی این دستگاه‌ یا استفاده از چند مرحله لوله ونتوری، میتوانید یک سیستم خط انتقال را از لحاظ فشار، کنترل و تنظیم کنید.

• سیستم‌های فیلتراسیون

لوله های ونتوری را می توان در سیستم های فیلتراسیون ادغام کرد تا با اثر مکش یا خلاء به کشیدن و فیلتر کردن ذرات یا ناخالصی ها از جریان سیال اصلی کمک کنند. بعبارتی اثر ونتوری به افزایش راندمان فیلتراسیون و حفظ جریان مایع تمیز کمک می‌کند.

• اجکتورها و سیستم های خلاء

لوله های ونتوری را می توان به عنوان اجکتور یا بخشی از سیستم های خلاء برای تولید مکش یا خلاء استفاده کرد. با استفاده از اثر ونتوری، این سیستم ها می توانند به طور موثر گازها، بخارات یا سایر مواد مورد نیاز را از یک منطقه خاص خارج کنند.

اجزای فلومتر ونتوری

• لوله ونتوری
• اتصالات فشاری
• ترانسمیتر فشار دیفرانسیل DP

دبی سنج ونتوری از یک لوله ونتوری تشکیل شده است که یک بخش کوتاه و مخروطی از لوله است که جریان سیال را منقبض می کند و باعث افت فشار می شود. ساختار معمولاً شامل یک ورودی همگرا، یک گلوگاه و یک خروجی واگرا است. این طراحی باعث عبور روان جریان سیال با حداقل اتلاف انرژی می‌شود.

یک ونتوری متر معمولاً شامل دو اتصال فشار است. اولین اتصال مربوط به فشار بالادست است که معمولاً در فاصله یک دوم قطر لوله در ورودی همگرا قرار دارد. دومین اتصال در پایین دست است که در گلو قرار دارد.

اختلاف فشار در سرتاسر فلومتر را می توان با استفاده از یک ترانسمیتر فشار دیفرانسیل یا یک مانومتر آنالوگ تفاضلی اندازه گیری کرد.

مزایای فلومتر ونتوری

• اندازه‌گیری دقیق جریان

این فلومترها اندازه‌گیری دقیق و قابل اعتماد نرخ جریان را به ویژه برای سیال‌های با سرعت بالا ارائه می‌دهند.

• حداقل افت فشار

در مقایسه با سایر فلومترها و دبی سنج ها، لوله های ونتوری حداقل افت فشار را در سیستم ایجاد می کنند.

• مناسب برای طیف گسترده ای از سیال

فلومترهای ونتوری قادرند در طیف گسترده ای از انواع مایعات، گازها و حتی دوغاب ها کاربرد داشته باشند.

• طراحی ساده و مستحکم

لوله‌های ونتوری طراحی ساده و بدون قطعات متحرک دارند، به همین دلیل آنها بادوام هستند و به حداقل تعمیر و نگهداری نیاز دارند.

• مقرون به صرفه

لوله های ونتوری در مقایسه با سایر دستگاه های اندازه گیری جریان عموما مقرون به صرفه هستند و آنها را در بسیاری از کاربردها به یک انتخاب محبوب تبدیل می کند.

معایب ونتوری‌ها

• نسبت چرخش محدود

در ونتوری های سایز بزرگ چنانچه سیال دارای نرخ جریان پایین باشد، دقت اندازه‌‌گیری کاهش می‌یابد.

• اندازه و فضای مورد نیاز

این تجهیزات از نظر اندازه نسبتاً بزرگ بوده و برای نصب نیاز به فظای کافی دارند وممکن است در خط لوله دارای قطر کم و فشرده قابل نصب نباشند.

• حساسیت به اغتشاشات بالادست

لوله‌های ونتوری به اختلالات بالادست حساس هستند، این امر می‌تواند در دقت اندازه‌گیری آنها تأثیر بگذارد.

• کالیبراسیون و نصب

برای نصب و کالیبره کردن ونتوری ها نیاز به افراد متخصص می‌باشد.

• احتمال گرفتگی

در کاربردهایی که سیالات حاوی ذرات جامد بزرگ هستند، احتمال گرفتگی و انسداد وجود دارد، بخاطر همین بایستی بطور منظم تعمیر و نگهداری شوند.

کدها و استانداردهای فلومتر ونتوری

در ادامه کدها و استانداردهایی که دستورالعمل های مربوط به ونتوری متر را نام می‌بریم:

• ASME MFC-8M
• ISO TR 15377
• ASTM D2458
• AWWA M33
• ISO 5167
• ISO 9300
• BS 1042
• AGA 9

نحوه نصب دستگاه ونتوری متر

برای نصب صحیح فلومتر ونتوری و دستیابی به حداکثر دقت اندازه‌گیری، رعایت چند اصل ضروری است:

• اگر سیال عبوری از ونتوری متر ، بخارات باشد، بایستی ترانسمیتر را بالای فلومتر نصب کنید
• اگر سیال بخار باشد ولی شرایط نصب ترانسمیتر در بالای ونتوری وجود نداشته باشد باید از سیل پات (SEAL POT) استفاده کنید. این کار باعث می‌شود، بخارات کاندانس شده داخل سیل پات ریخته بشود و قسمت گازی سیال وارد ترنسمیتر شود
• اگر سیال عبوری از فلومتر مایع باشد باید ترانسمیتر اختلاف فشار را زیر فلومتر نصب کرد
• فلنج ها در انتهای ونتوری متر باید به درستی با فلنج های خط لوله محکم شوند
• فلش جهت جریان در ونتوری متر با جهت عبور سیال مطابقت داشته باشد
• تلورانس های نصب باید در حد استانداردهای تجهیز باشد
• شیرهای فشار باید برای مواقع سرویس نصب گردند
• پیچ و مهره ها نباید بیش از حد گشتاور بسته شوند
• ساپورت لوله نباید روی فلومتر قرار گیرد

تفاوت فلومتر ونتوری و اوریفیس پلیت چیست؟

هر دو نوع ونتوری و اوریفیس دبی سنج فشار تفاضلی هستند که معمولاً برای اندازه گیری دبی سیالات استفاده می شوند. در حالی که آنها از برخی جهات مشابه هستند، از چندین جنبه مهم، از جمله طراحی، ویژگی های عملکرد، و کاربردها با هم تفاوت دارند.

فلومتر ونتوری معمولاً با قسمت گلویی مخروطی طراحی می شوند که به تدریج سطح مقطع لوله را کاهش می دهد. همانطور که سیال در گلویی جریان می یابد، سرعت آن افزایش و فشار آن کاهش می یابد و اختلاف فشار بین بخش های بالادست و پایین دست دستگاه ایجاد می شود. این اختلاف فشار متناسب با مجذور دبی جریان است و با استفاده از فشارسنج ها یا ترانسمیتر فشار قابل اندازه گیری است. در مقابل، اوریفیس‌ها از یک صفحه یا دیسک مسطح با یک سوراخ دقیق اندازه گیری شده در مرکز برای محدود کردن جریان سیال در لوله استفاده می کنند. این ساختار افت فشاری را ایجاد می کند که متناسب با مجذور دبی است (مانند ونتوری).

در ادامه این مقاله از آداک فرایند سپهر چند تفاوت کلیدی بین ونتوری و اوریفیس را توضیح می‌دهیم.

• طراحی

ونتوری دارای یک مخروط تدریجی به بخش گلو است، در حالی که اوریفیس دارای یک دیسک یا صفحه با لبه تیز و یک سوراخ در مرکز است.

• قیمت خرید

هزینه تمام شده ونتوری فلومترها بخاطر ساختار پیچیده، گران قیمت تر از اوریفیس ها هستند.

• بازیابی فشار

بازیابی فشار در ونتوری متر بهتر از اریفیس است، به این معنی که فشار پایین دست کنتور به فشار بالادست تقریبا نزدیک است. بعبارتی میزان افت فشار ایجاد شده در اوریفیس (قسمت پایین دست) خیلی بیشتر از افت فشار ونتوری است. از این جهت اگر اوریفیس ها را در سیستم های فشار بالا استفاده کنید پمپ خط لوله، جریان الکتریکی زیادی مصرف خواهد کرد و احتمال دارد بسوزد.

• دقت

اوریفیس‌‌ها عموماً دقت کمتری نسبت به ونتوری‌ها دارند، به‌ ویژه در دبی‌های پایین، جایی که تلاطم ناشی از صفحه دهانه لبه تیز در اوریفیس می‌تواند ایجاد خطا می‌کند.

• کاربردها

ونتوری اغلب برای دبی بالا و در سیستم‌هایی که افت فشار یک نگرانی است استفاده می‌شود، در حالی که اوریفیس در طیف وسیع‌تری از کاربردها، از جمله نرخ جریان پایین‌تر و جایی که هزینه مطرح است، استفاده می‌شوند.

• نصب

ونتوری برای دستیابی به قرائت های دقیق به محل نصب مستقیم و طولانی تری از لوله در بالادست و پایین دست نیاز دارند، در حالی که اریفیس ها این طور نیستند.

• تغییرات در فلومتر

چنانچه شرایط پروسس تغییر یابد امکان تغییر قطر سوراخ اوریفیس پلیت وجود دارد. اما در ونچوری مترها امکان تغییر قطر ترود throat وجود ندارد.

• سیالات کثیف

سیالات دارای ذرات معلق و دوغابی (slurries) باعث انسداد اوریفیس پلیت می‌شوند، پس نمی‌توانید در آن شرایط از orifice ها استفاده کنید.

• مقدار فلوی عبوری

اگر قصد دارید در سایز لاین برابر ونتوری یا اوریفیس برای اندازه‌گیری فلو به کار ببرید، این نکته را بدانید که ونتوری متر 25 الی 50 درصد فلوی بیشتری را عبور می‌دهد.

به طور کلی، اگر قصد انتخاب فلومتر از بین ونتوری و اورفیس دارید بایستی با توجه به نیاز و کاربردتان، سرعت جریان سیال، دقت، افت فشار و بودجه‌تان تصمیم به خرید نمایید.

سوالات متداول