فلومترهای اختلاف فشاری کدام اند و عملکرد آنها چگونه است؟

فلومتر اختلاف فشار (DP)، یا فلومترهای فشار تفاضلی، یک نوع فلومتر است که براساس اندازه‌گیری اختلاف فشار سیال در دو نقطه در خطوط لوله، جریان سیال را تخمین می‌زند. این فلومتر با استفاده از ترانسمیترهای فشار، اندازه‌گیری اختلاف فشار را انجام می‌دهد و سپس با استفاده از روابط مشخصی، دبی سیال را محاسبه می‌کند.

فلومتر DP شامل دو نقطه اصلی است: نقطه اندازه‌گیری (مانند اوریفیس پلیت، لوله ونچوری یا فلو نازل) و ترانسمیتر اختلاف فشار. در این فلومتر، جریان سیال از المان اندازه‌گیری عبور می‌کند و اختلاف فشار بین دو طرف المان توسط ترانسمیتر اختلاف فشار اندازه‌گیری می‌شود. سپس با استفاده از قوانین و روابط مشخصی، دبی سیال محاسبه می‌شود.

استفاده از فلومترهای اختلاف فشار به دلیل سادگی و عملکرد قابل اعتماد آنها، بسیار رایج است. این فلومترها قابلیت اندازه‌گیری دبی سیال در تنوعی از مایعات، گازها و بخارها را دارند. با این حال، در شرایطی که عدد رینولدز کوچک است یا افت فشار ناچیزی وجود دارد، دقت این فلومترها ممکن است کاهش یابد و نیاز به فلومترهای دیگری با دقت بالاتر وجود داشته باشد.

روابط و قوانین در محاسبه ی فلو با استفاده از روش اختلاف فشار:

در فلومتر اختلاف فشار (DP)، برای محاسبه دبی سیال از روابط و قوانینی استفاده می‌شود. دو روابط مهم که در این فلومتر استفاده می‌شوند عبارتند از:

رابطه بین اختلاف فشار و دبی سیال به وسیله قانون پوآزی:

Q = C * A * sqrt(dP)

در این رابطه، Q دبی سیال را نشان می‌دهد، C ضریب جریان (که بستگی به شکل و ابعاد المان اندازه‌گیری دارد)، A مساحت مقطع عرضی المان اندازه‌گیری و dP اختلاف فشار بین دو نقطه در خط لوله است.

رابطه بین عدد رینولدز (Reynolds) و ضریب جریان:

Re = (ρ * V * D) / μ

در این رابطه، Re عدد رینولدز را نشان می‌دهد، ρ چگالی سیال، V سرعت سیال، D قطر مقطع مورد نظر و μ ویسکوزیته سیال است. این رابطه نشان می‌دهد که عدد رینولدز بر تراکم جریان و دقت فلومتر تأثیر می‌گذارد.

مقادیر ضریب جریان و دیگر پارامترهای مورد نیاز در این روابط به صورت استاندارد و با استفاده از جداول و نرم‌افزارهای مربوطه تعیین می‌شوند. همچنین، به دلیل پیچیدگی برخی از روابط و تأثیر عوامل متعدد، استفاده از نرم‌افزارهای مهندسی توصیه می‌شود تا دبی سیال به طور دقیق محاسبه شود.

عملکرد فلومترهای اختلاف فشاری

فلومتر فشار تفاضلی یکی از تجهیزات استفاده شده برای اندازه‌گیری فشار است و بر اساس ایجاد یک مانع در مسیر جریان سیال در لوله عمل می‌کند. این مانع باعث ایجاد یک اختلاف فشار استاتیک بین بالادست و پایین‌دست تجهیز می‌شود. این اختلاف فشار استاتیک (که به عنوان اختلاف فشار DP شناخته می‌شود) اندازه‌گیری می‌شود و به عنوان پایه‌ای برای تعیین دبی یا فلو استفاده می‌شود.

میترها یا اندازه‌گیرهای اختلاف فشار، بسیار محبوب هستند و تقریباً 40 درصد از فلومترها یا دبی‌سنج‌های صنعتی که در حال حاضر استفاده می‌شوند، از نوع فلومتر DP با المان اولیه اریفیس پلیت هستند. فلومتر فشار تفاضلی برای اندازه‌گیری فلو با دامنه گسترده و متنوعی از سیالات استفاده می‌شود، شامل انواع مایعات و گازها و حتی مایعات با ویسکوزیته بالا. فلومتر DP یکی از تجهیزات ابزار دقیق محبوب است و محبوبیت آن به دلیل طراحی ساده و هزینه مناسب آن است.

المان اولیه که در مسیر جریان سیال قرار می‌گیرد، با ایجاد یک مانع در لوله، اختلاف فشار در فلومتر DP ایجاد می‌کند. این اختلاف فشار توسط یک المان ثانویه که یک ترانسمیتر اختلاف فشار است، اندازه‌گیری می‌شود. در سیستم نیاز به یک المان سوم نیز وجود دارد که به اندازه‌گیری کمک می‌کند، از جمله لوله‌های ضربه و کانکتورهایی که مسیر فشار بالادست و پایین‌دست را به سمت ترانسمیتر باز می‌کنند.

با ایجاد یک مانع مهندسی‌ای در مسیر لوله، می‌توان از معادله برنولی برای محاسبه نرخ فلو استفاده کرد. زیرا جذر اختلاف فشار ایجاد شده در مانع قرار گرفته بر روی مسیر لوله، با نرخ فلو متناسب است. در اندازه‌گیری فلو توسط فلومتر اختلاف فشاری، توجه به چند نکته مهم ضروری است که در زیر آمده است.

نکات مهم در اندازه‌گیری فلو توسط فلومتر اختلاف فشاری

1. اطمینان حاصل شود که خطوط ضربه از ذرات ورسوبات مسدود نشده‌اند. خطوط ضربه باید به گونه‌ای طراحی شوند که جلوگیری از انسداد آن‌ها توسط ذرات یا رسوبات در مسیر جریان سیال انجام شود.
2. جهت خطوط ضربه باید صحیح باشد. باید به گونه‌ای باشند که جلوگیری از تداخل بین تراکم گازها در مایعات و تراکم مایعات در گازها صورت گیرد. این امر می‌تواند با طراحی واحدهای جداگانه برای گازها و مایعات یا استفاده از فیلترها و جداسازها در خطوط ضربه دست‌یافته شود.
3. اطمینان حاصل شود که کالیبراسیون دوره‌ای باعث کاهش دقت نشود. در فلومترهای اختلاف فشاری ممکن است نیاز به کالیبراسیون دوره‌ای باشد. در هنگام انجام کالیبراسیون، باید از این امر اطمینان حاصل شود که عملیات کالیبراسیون به دقت اندازه‌گیری تأثیر منفی نمی‌گذارد و دقت دستگاه حفظ می‌شود.

با رعایت این نکات، فلومترهای اختلاف فشاری قادر به دقیق‌ترین اندازه‌گیری فلو هستند و برای کاربردهای صنعتی گسترده‌ای استفاده می‌شوند.

اصل کار فلومتر اوریفیس  (Orifice Meter)

فلومترها را می‌توان به دو نوع تقسیم کرد: فلومترهای تخمینی و فلومترهای مبتنی بر جابجایی مثبت. فلومترهای جابجایی مثبت جریان را مستقیماً با جابجایی مکانیکی سیال در حجم‌های مشخص در زمان مشخص اندازه‌گیری می‌کنند. از طرف دیگر، فلومترهای تخمینی بر اساس ایجاد یک افت فشار در یک محدودیت در مسیر جریان عمل می‌کنند و این افت فشار را با نرخ جریان مرتبط می‌کنند.

فلومتر اوریفیس یک نوع فلومتر تخمینی است که از یک صفحه اوریفیس با یک سوراخ مرکزی استفاده می‌کند که به صورت هم‌مرکز در یک لوله قرار می‌گیرد تا محدودیت مورد نیاز در مسیر جریان ایجاد شود. این فلومتر بر اساس ایده‌ای کار می‌کند که کاهش مساحت جریان باعث افزایش سرعت و کاهش فشار می‌شود. الگوی جریان نمونه‌ای در طول صفحه اوریفیس در نمودار زیر نشان داده شده است.
 
وقتی سیال از طریق لوله جریان می‌یابد، با صفحه اوریفیس مواجه می‌شود که باعث محدودیت در مسیر جریان می‌شود. هنگامی که سیال از طریق محدوده کوچکتر اوریفیس عبور می‌کند، سرعت آن افزایش می‌یابد و طبق قانون برنولی، فشار آن کاهش می‌یابد. افت فشار در سراسر صفحه اوریفیس با استفاده از نقاط فشاری که در ابتدا و انتهای اوریفیس قرار دارند، اندازه‌گیری می‌شود. اختلاف فشار بین این دو نقطه به طور مستقیم با نرخ جریان سیال مرتبط است. این افت فشار به طور معمول با استفاده از یک ترانسمیتر فشار تفاضلی اندازه‌گیری می‌شود.

ارتباط بین افت فشار و نرخ جریان با استفاده از قانون برنولی و قانون پیوستگی توصیف می‌شود. با تعیین دقیق فلومتر اوریفیس و داشتن اطلاعات خاص در مورد صفحه اوریفیس، مانند قطر و شکل آن، می‌توان نرخ جریان را بر اساس افت فشار انداری به طور دقیق تعیین کرد. مهم است به این نکته اشاره شود که فلومتر اوریفیس نیاز به کالیبراسیون دقیق و در نظر گرفتن عواملی مانند خواص سیال، عدد رینولدز و نوع صفحه اوریفیس دارد. این عوامل ممکن است بر دقت و عملکرد فلومتر اوریفیس تأثیر بگذارند.

در کل، فلومتر اوریفیس در صنایع مختلف برای اندازه‌گیری نرخ جریان سیالات، مانند گازها و مایعات، در لوله‌ها به طور گسترده‌ای استفاده می‌شود.

اصل کار فلومتر ونچوری (Venturi Meter)

فلومتر اوریفیس یکی از فلومترهای تخمینی پرکاربرد است، اما واقعیت این است که همچنین فلومترهای تخمینی دیگری نیز وجود دارند که بر اساس همان اصل ایجاد محدودیت برای اندازه‌گیری غیرمستقیم نرخ جریان از تفاوت فشار عمل می‌کنند. یکی از دستگاه‌های مشابه فلومتر اوریفیس، فلومتر ونچوری است.

فلومتر ونچوری نیز یک فلومتر تخمینی است که برای اندازه‌گیری نرخ جریان سیال در لوله‌ها استفاده می‌شود. این فلومتر نیز بر اساس اصل برنولی عمل می‌کند و با ایجاد یک محدودیت در مسیر جریان، باعث افزایش سرعت سیال و کاهش فشار آن می‌شود. با نصب یک قسمت مخروطی در لوله، به نام " ونچوری "، جریان سیال از قسمت محدودیتی عبور می‌کند. این قسمت مخروطی باعث افزایش سرعت سیال می‌شود و در قسمت بعدی از ونچوری ، که به عنوان یک قسمت گسترده‌تر شناخته می‌شود، سرعت سیال کاهش می‌یابد و فشار آن افزایش می‌یابد.  

با اندازه‌گیری تفاوت فشار بین قسمت محدودیت و قسمت گسترده‌تر ونچوری ، می‌توان نرخ جریان سیال را تخمین زد. این فلومتر نیز به عنوان یک جایگزین قابل توجه برای فلومتر اوریفیس استفاده می‌شود و در برخی موارد می‌تواند دقت بیشتری ارائه دهد.

هر دو فلومتر اوریفیس و ونچوری مزایا و محدودیت‌های خود را دارند و استفاده از هر یک بستگی به شرایط و نیازهای خاص کاربرد دارد. انتخاب بین این دو فلومتر معمولاً بر اساس عواملی مانند نوع سیال، محدودیت فضایی، دقت مورد نیاز و هزینه صورت می‌گیرد.

اصل کار فلو نازل (Flow Nozzle Meter)

فلو نازل (FLOW NOZZLE) یکی از انواع فلومترهای تخمینی است که برای اندازه‌گیری نرخ جریان سیال در لوله‌ها استفاده می‌شود. اصل کار فلو نازل بر اساس ایجاد محدودیت در مسیر جریان سیال است. 

وقتی سیال وارد نازل می‌شود، آرام و به صورت صاف وارد قسمتی از نازل می‌شود که به آن "حلقه" می‌گویند. در این قسمت، سطح نازل به تدریج همگرا می‌شود و به علت این همگرایی، فشار سیال تا رسیدن به قسمتی به نام "حلقه گلو" به طور مداوم کاهش می‌یابد. در نقطه حلقه گلو، مساحت نازل به حداقل مقدار خود می‌رسد. فشار سیال در این نقطه حداقل مقدار خود را دارد و به طور معمول با نمایش p2 نشان داده می‌شود. بعد از عبور از حلقه گلو، سیال به سمت پایین لوله حرکت می‌کند و فشار حداقل مقدار خود را به طولی کوتاهی حفظ می‌کند. 

برای اندازه‌گیری نرخ جریان سیال به وسیله فلو نازل، یک سنسور فشار تفاضلی بین دو نقطه به نام نقطه 1 و نقطه 2 نصب می‌شود. این سنسور فشار تفاضلی فشار مختلف بین دو نقطه را ثبت می‌کند (p1-p2) که تفاوت فشار بین این دو نقطه نشانگر نرخ جریان سیال از طریق لوله می‌شود. با کالیبره کردن فلو نازل، می‌توان این تفاوت فشار را به نرخ جریان سیال تبدیل کرد.

در کل، فلو نازل با ایجاد محدودیت در مسیر جریان سیال و اندازه‌گیری تفاوت فشار بین دو نقطه، امکان تخمین نرخ جریان سیال را فراهم می‌کند.

کاربرد فلومترهای اختلاف فشاری

فلومتر اختلاف فشاری (DP) در برخی کاربردها به عنوان یک تجهیز اندازه‌گیری محبوب است. در زیر، برخی از کاربردهای اصلی فلومتر اختلاف فشاری را برای کنترل و ایمنی در صنایع مختلف بررسی می‌کنیم:

کنترل فلو (دبی):

فلومترهای اختلاف فشاری به طور گسترده در صنایع مختلف برای اندازه‌گیری و کنترل دقیق دبی سیالات استفاده می‌شوند. با اندازه‌گیری اختلاف فشار در مانع فلومتر، دبی سیال قابل تعیین است. این اطلاعات به سیستم کنترل فرآیند کمک می‌کنند تا دبی سیال را در محدوده مطلوب نگه دارند و به عنوان مثال، در کنترل دبی سیال و تنظیم سرعت جریان در خطوط لوله استفاده می‌شوند.

کنترل مواد ترکیبی:

در صنایعی مانند صنایع شیمیایی و داروسازی، برخی محصولات به صورت ترکیبی از مواد تشکیل می‌شوند. در این موارد، دبی سنج اختلاف فشاری می‌تواند به کنترل دقیق و تنظیم نسبت دقیق مواد تشکیل دهنده محصول در فرآیند تولید کمک کند. با اندازه‌گیری دبی سیالات مختلف، میزان مواد تشکیل دهنده را می‌توان بر اساس نسبت دقیق تنظیم کرد.

بهبود راندمان تولید:

اندازه‌گیری دقیق دبی سیالات و کنترل آن در صنایع تولید، می‌تواند به بهبود راندمان فرآیند کمک کند. با کنترل دبی سیال در ابتدا و انتهای خط تولید، می‌توان مطمئن شد که مواد با دقت و تناسب صحیح در فرآیند تولید استفاده می‌شوند و محصولات با کیفیت بالا تولید می‌شوند.

بهبود ایمنی:

فلومترهای اختلاف فشاری می‌توانند در بهبود ایمنی فرآیندهای صنعتی نقش مهمی ایفا کنند. با اندازه‌گیری فشار تفاضلی در فلومتر، می‌توان خطراتی مانند سرریز شدن مخازن و کنترل راکتور را کاهش داد. این اطلاعات از جمله اطلاعات ایمنی است که به سیستم کنترل فرآیند می‌رسد و در صورت وقوعخطرات، اقدامات ایمنی لازم را انجام می‌دهد.
بنابراین، فلومتر اختلاف فشاری (DP) در کنترل دبی، بهبود راندمان تولید و افزایش ایمنی در صنایع مختلف استفاده می‌شود.

نتیجه گیری

در نتیجه، فلومترهای اختلاف فشاری مانند فلو نازل، فلومتر اوریفیس و فلومتر ونچوری بر اساس ایجاد محدودیت در مسیر جریان سیال عمل می‌کنند و با اندازه‌گیری تفاوت فشار بین دو نقطه، نرخ جریان سیال را تخمین می‌زنند. این فلومترها در برخی موارد دقت بالا و قابلیت استفاده در شرایط مختلف را به ارمغان می‌آورند. با کالیبره کردن این فلومترها، می‌توان نتایج دقیقتری در مورد نرخ جریان سیال به دست آورد.