فلومتر ورتکس چیست؟

مقاله معرفی انواع فلومتر ورتکس و هر انچه باید قبل از خرید آن بدانید که در ادامه به مطالعه آن خواهیم پرداخت. علاقه مندان به خرید میتوانند جهت استعلام قیمت و کسب اطلاعات بیشتر با کارشناسان ما تماس بگیرند.

فلومتر ورتکس چیست؟

فلومتر ورتکس یا همان دبی سنج گردابی ( vortex Flowmeter ) می توانند دبی بخار، گاز و مایع را با استفاده از ایجاد گرداب محاسبه کند. جریان گردابی هنگامی اتفاق می افتد که مانعی در مسیر جریان سیال وجود داشته باشد. لغت مانع (obstruction) در اینجا، به جسمی مقاوم در مسیر سیال اطلاق می شود که سبب ایجاد و شکل گیری حرکت چرخشی در مسیر پائین دست خود می شود. هنگامی که گرداب ها شکل گرفته و جاری می شوند در فشار تفاضلی ایجاد شده، تغییر حاصل می شود. این تغییر فشار برای بکار انداختن سنسوری در فرکانس متناسب با جریان گردابی استفاده می شود. در جریان پیوسته سیال، یک سری از گرداب ها، پالس های الکتریکی با فرکانسی متناسب با سرعت سیال تولید می کنند.

سرعت بدست آمده می تواند به نرخ جریان حجمی تبدیل شود.  خروجی دبی سنج گردابی وابسته به فاکتور k است. فاکتور k بیانگر فرکانس گرداب های تولید شده در سرعت سیال می باشد. فاکتور k با تغییر عدد رینولدز تغییر می کند. اگر چه در رنج وسیعی از دبی عملا ثابت است. اگر دبی سنج های گردابی در رنج تخت (flat range) کار کنند، نرخ دبی بصورت خطی با سرعت رابطه دارد.

فلومترهای گردابی موجود در بازار:

فلومتر گردابی به خوبی برای اندازه گیری جریان بخار مناسب هستند و برای این منظور از کاربرد گسترده ای برخوردار هستند. مسلم است که بخار، مشکلترین مایعات برای اندازه گیری به دلیل فشار زیاد و دمای زیاد است و اینکه پارامترهای اندازه گیری با نوع بخار متفاوت است. انواع اصلی بخار شامل بخار مرطوب ، بخار اشباع و بخار گرم شده است. فنآوریهای چند متغیره وحسگردوگانه ارائه شده در دبی سنج گردابی بخار اغلب در نیروگاه های فرآوری و برای تولید برق اندازه گیری می شود.

پیکاتک | فروشگاه تخصصی فلومتر ورتکس یوکوگاوا | جهت مشاوره و خرید تلفنی با شماره : 87700142-021 ( 30 خط ویژه ) تماس بگیرید

دبی سنج گردابی و DP مترهای از موارد اصلی هستند که برای اندازه گیری بخار استفاده می شوند. فلومتر های مغناطیسی قادر به اندازه گیری جریان بخار نیستند ، و جریان سنج های کوریولیس و مافوق صوت به تازگی برای این منظور استفاده می شوند. علاوه بر توانایی تحمل دما و فشار زیاد فرآیند ، دبی سنج گردابی دارای برد گسترده ای هستند که به آنها امکان می دهد جریان بخار را با سرعت های مختلف اندازه گیری کنند. 

اولین دبی سنج گردابی را در سال 1997 معرفی شد. این فلومتر شامل یک سنسور دما RTD و یک مبدل فشار با یک فلومتر گردابی است. با استفاده از اطلاعات این سنسورها، دبی سنج می تواند جریان حجمی، دما ، فشار، تراکم سیال و جریان جرم را تعیین کند. این فلومتر چند متغیره یکی از تعداد فزاینده ای از فلومتر های فن آوری جدید چند متغیره از جمله فلومتر های مغناطیسی چند متغیره و جریان سنج های DP چند متغیره است. فلومترهای اولتراسونیک چند متغیره در کاربردهای گرمایش منطقه محبوب هستند.

در چند سال گذشته ، تعدادی از تأمین کنندگان جدید فلومتر ورتکس چند متغیره را معرفی کرده اند. این موارد شامل ABB ، Yokogawa ، KROHNE ، EMCO و Endress + Hauser است. در حالی که فلومتر های چند متغیره تا حدودی گران تر از همتایان تک متغیر خود هستند ، آنها به کاربران نهایی این امکان را می دهند که اطلاعات قابل توجه بیشتری در مورد فرآیند نسبت به یک متر حجمی تک متغیر بدست آورند.

این اطلاعات اضافی می تواند منجر به افزایش کارآیی شود که بیشتر از هزینه اضافی جریان سنج چند متغیره را تشکیل می دهد. فلومتر چند متغیره گردابی همچنین قابلیت اندازه گیری جریان جرم را دارند و همین امر باعث جذابیت آن ها به ویژه برای اندازه گیری جریان بخار و گاز می شود.

انواع فلومتر گردابی:

برخی از فناوری های سنسور مورد استفاده برای اندازه گیری فرکانس طبیعی تولید شده در زمان ریختن گرداب شامل موارد زیر است:

کریستال های پیزوالکتریک و سرامیک - این مواد در پاسخ به فشار مکانیکی کاربردی بار الکتریکی ایجاد می کنند. با عبور گرداب ها از سنسور ، فشارهای لازم برای ماده پیزوالکتریک را برای تولید شارژ اعمال می کنند. قطبیت ممکن است برای تشخیص جریان متناوب و ایجاد یک فرکانس دیجیتال استفاده شود.

سنسورهای Delta P - تشکیل گرداب مطابق با اصل برنولی فشار پویا ایجاد می کند. فشار در نقطه گرداب کمترین است و با حرکت آن نقطه از مرکز فاصله می یابد. با استفاده از یک سنسور Delta P برای اندازه گیری این تغییرات فشار در هنگام عبور گردابها ، می توان فرکانس دیجیتالی ایجاد کرد.

سنسورهای اولتراسونیک - سنسورهای اولتراسونیک زمان رفت و برگشت سیگنال تولید شده از یک مبدل به دیگری را اندازه گیری می کنند. از آنجا که گرداب های متناوب از یک توپک در چرخش در جهت های مختلف چرخانده می شوند ، سیگنال ارسال شده از یک سنسور التراسونیک بر اساس جهت چرخش نسبت به مسیری که سیگنال در آن حرکت می کند سرعت یا کند می شود. این تغییر سرعت ، در مقایسه با ثابت ، می تواند برای ایجاد یک فرکانس دیجیتال استفاده شود.

اساس عملکرد فلومتر Vortex (جریان سنج گردابی):

اگر توپک در مسیر لوله ای که حاوی جریان سیال است قرار گیرد، لایه ای مرزی تشکیل می شود که در سطح بدنه توپک گسترش می یابد. به دلیل اندازه حرکت ناکافی و گرادیان فشار معکوس، جدایی اتفاق می افتد و برش لایه ای (shear layer) ناپایدار ایجاد می شود. این لایه برش یافته به گرداب هایی تبدیل می شود که از کنار توپک شروع به پخش شدن می کند. فرکانسی که در آن جفت گرداب جاری می شود متناسب با سرعت سیال است.

از آنجایی که فرآیند ایجاد . جاری شدن گردابها تکرار پذیرند، از این روش می توان برای مشخص کردن دبی استفاده کرد.  برای آشکار کردن جریان جفت گرداب ها یعنی تبدیل تغییرات فشار و سرعت ناشی از گرداب ها به سیگنالهای الکتریکی از سنسورهای آشکارساز استفاده می شود.

پیکاتک | فروشگاه تخصصی فلومتر ورتکس اندرس هاوزر | جهت مشاوره و خرید تلفنی با شماره : 87700142-021 ( 30 خط ویژه ) تماس بگیرید

نحوه نصب دبی سنج ورتکس:

در شکل زیر نحوه نصب این فلومتر گردابی در شرایط گوناگون ترسیم شده است:
 

مزایا و معایب فلومتر ورتکس :

مزایای فلومتر ورتکس

فلومتر ورتکس یک روش واقعی و طبیعی برای اندازه گیری جریان ارائه می دهد. با توجه به وقوع طبیعی ریختن گرداب هنگام معرفی توپک ، از این روش اندازه گیری جریان می توان در بسیاری از مایعات ، گازها و حتی بخار استفاده کرد. عدم وجود اجزای مکانیکی در حال حرکت ، ساختاری مستحکم را نیز ایجاد می کند که می تواند در برخی از سخت ترین محیط های کاربردی قرار بگیرد.

معایب فلومتر ورتکس

لزوم نصب داخلی، نصب مستقیم در لوله، برای اندازه گیری حتما باید مایع تمیز باشدفلومتر ورتکس سری DY یوکوگاوا: فلومتر ورتکس سری DY دارای یک ترنسمیتر قدرتمند برای کاربردهای گوناگون می باشد که با بهره گیری از فیلتر SSP کیفیت مناسبی از سیگنال دیجیتال را برای مصرف کننده تامین می کند. فلومتر ورتکس سری DY برای کاربردهای دقیق و پایدار حتی در محیط های مخرب بکار می رود. فلومتر ورتکس سری DY قابلیت سفارش براساس نیازها و آپشن های مشتری در هنگام خرید از شرکت سازنده را دارا می باشد. فلومتر ورتکس مدل DY بصورت کامل در کارخانه پیش از ارسال مورد تست و بررسی قرار می گیرد.

فلومتر ورتکس سری DY در تیپ های دمایی مختلفی قابل ارائه می باشد. استاندارد دمای کاری برای مدل های عادی این فلومتر در بخش مشخصات فنی ذکر گردیده است اما در تیپ های دمایی خاص حداکثر دمای کاری 450 درجه سانتی گراد و برای مدل های مورد استفاده برای کاربردهای کرایژونیک 196- درجه سانتی گراد می باشد.

فشار کاری فلومترهای vortex مدلDY برای مدل‌های DY015 تا DY200 حداکثر 16MPa و برای مدل‌های DY200 تا DY300 حداکثر 5MPa می باشد. قابل ذکر است که حداکثر فشار کاری این فلومتر برای موارد خاص تا 42MPa می‌باشد. همچنین این فلومتر دارای استانداردهای TIIS / FM / CENELEC / CSA / SAA برای کار در محیط های مخرب و زیانبار را دارا می باشد.

بیشتر بدانید:

تفاوت بین فلومتر کوریولیس و فلومتر ورتکس

نکات کلیدی در خرید فلومتر ورتکس

توجه به شرایط محیطی

قبل از خرید فلومتر ورتکس، باید به شرایط محیطی نظیر دما، فشار، و نوع سیال توجه کنید. اگر سیال خورنده یا دما و فشار بالا دارد، باید از مدل‌های خاصی که برای این شرایط طراحی شده‌اند، استفاده کنید.

دقت اندازه‌گیری

دقت اندازه‌گیری یکی از عوامل مهم در انتخاب فلومتر ورتکس است. هرچه دقت دستگاه بالاتر باشد، اندازه‌گیری جریان دقیق‌تر خواهد بود. برای کاربردهای حساس، فلومترهای با دقت بالا توصیه می‌شود.

قابلیت اندازه‌گیری چند نوع سیال

اگر در فرایند خود از سیالات مختلفی استفاده می‌کنید، بهتر است فلومتر ورتکس چندفازی را انتخاب کنید تا بتوانید جریان‌های مختلف را به دقت اندازه‌گیری کنید.

هزینه‌های نصب و نگهداری

قبل از خرید، هزینه‌های نصب و نگهداری فلومتر ورتکس را نیز در نظر بگیرید. برخی از مدل‌ها نیاز به تعمیر و نگهداری کمتری دارند که این مسئله در بلندمدت می‌تواند هزینه‌ها را کاهش دهد.

قیمت و بودجه

با توجه به نیازها و بودجه خود، مدلی را انتخاب کنید که علاوه بر کارایی مناسب، هزینه‌های اضافی برای شما ایجاد نکند. همچنین به قیمت و هزینه‌های جانبی دستگاه توجه کنید.

انتخاب فلومتر ورتکس مناسب

انتخاب فلومتر ورتکس مناسب، به عوامل مختلفی از جمله نوع سیال، دما و فشار سیال، سرعت جریان سیال، دقت مورد نیاز، و شرایط محیطی بستگی دارد. برای انتخاب فلومتر مناسب، لازم است که با انواع مختلف فلومترهای ورتکس و مشخصات فنی آنها آشنا باشید. همچنین، می‌توانید با متخصصان این حوزه مشورت کنید تا بهترین گزینه را برای کاربرد مورد نظر خود انتخاب کنید.

نصب و نگهداری فلومتر ورتکس

نصب و نگهداری صحیح فلومتر ورتکس، از اهمیت بسزایی برخوردار است. رعایت دستورالعمل‌های نصب و نگهداری ارائه شده توسط شرکت سازنده، می‌تواند عمر مفید فلومتر را افزایش دهد و از بروز خطا در اندازه‌گیری جلوگیری کند. توصیه می‌شود که برای نصب و نگهداری فلومتر، از خدمات تکنسین‌های مجرب استفاده کنید.

کالیبراسیون فلومتر ورتکس

کالیبراسیون فلومتر ورتکس یک فرآیند ضروری برای اطمینان از دقت و قابلیت اطمینان اندازه‌گیری‌های جریان است. فلومترهای ورتکس بر اساس اصل ایجاد گرداب در جریان سیال و اندازه‌گیری فرکانس این گرداب‌ها برای تعیین سرعت جریان حجمی کار می‌کنند. با گذشت زمان، عوامل مختلفی می‌توانند بر دقت این فلومترها تأثیر بگذارند، از جمله سایش و پارگی قطعات مکانیکی، تغییر در شرایط فرآیند، و تجمع آلودگی‌ها.

اهمیت کالیبراسیون فلومتر ورتکس:

• حفظ دقت: کالیبراسیون دوره‌ای تضمین می‌کند که فلومتر در محدوده مشخصات دقت خود عمل می‌کند. از دست دادن دقت می‌تواند منجر به اشتباهات در محاسبات فرآیند، کنترل کیفیت نامناسب و حتی ضررهای مالی شود.
• انطباق با استانداردها و مقررات: بسیاری از صنایع دارای استانداردها و مقرراتی هستند که کالیبراسیون دوره‌ای ابزارهای اندازه‌گیری را الزامی می‌کنند. کالیبراسیون به اطمینان از انطباق با این الزامات کمک می‌کند.
• بهبود عملکرد فرآیند: اندازه‌گیری دقیق جریان برای کنترل بهینه فرآیندهای صنعتی ضروری است. فلومترهای کالیبره شده اطلاعات قابل اعتمادی را برای سیستم‌های کنترل فراهم می‌کنند و به بهبود کارایی و کاهش ضایعات کمک می‌کنند.
• کاهش ریسک‌های ایمنی: در برخی کاربردها، اندازه‌گیری دقیق جریان مواد خطرناک برای ایمنی ضروری است. کالیبراسیون منظم به اطمینان از عملکرد صحیح فلومتر در این شرایط کمک می‌کند.
• جلوگیری از خطاهای مالی: در کاربردهای مربوط به خرید و فروش مواد (Custody Transfer)، دقت بالای فلومترها از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است و کالیبراسیون از بروز اختلافات مالی جلوگیری می‌کند.

روش‌های کالیبراسیون فلومتر ورتکس:

به طور کلی، کالیبراسیون فلومتر ورتکس شامل مقایسه خروجی فلومتر با یک استاندارد مرجع با دقت بالاتر است. روش‌های رایج کالیبراسیون عبارتند از:

• روش مستر متر (Master Meter): در این روش، فلومتر ورتکس به صورت سری با یک فلومتر مرجع کالیبره شده (مستر متر) قرار می‌گیرد و جریان یکسان از هر دو عبور می‌کند. خروجی‌های هر دو فلومتر در نقاط جریان مختلف مقایسه شده و در صورت وجود اختلاف، فلومتر ورتکس تنظیم یا کالیبره می‌شود.
• روش وزنی (Gravimetric Calibration): این روش به ویژه برای کالیبراسیون فلومترهای مایعات با دقت بالا استفاده می‌شود. در این روش، مقدار مشخصی از سیال در یک بازه زمانی معین از فلومتر عبور کرده و وزن آن اندازه‌گیری می‌شود. با مقایسه وزن اندازه‌گیری شده با خروجی فلومتر، می‌توان دقت آن را تعیین و در صورت نیاز کالیبره کرد.
• روش حجمی (Volumetric Calibration): مشابه روش وزنی است، اما به جای وزن، حجم سیال عبوری در یک بازه زمانی مشخص اندازه‌گیری می‌شود.
• کالیبراسیون در محل (In-situ Calibration): در برخی موارد، امکان کالیبراسیون فلومتر در محل نصب با استفاده از یک فلومتر مرجع قابل حمل یا روش‌های دیگر وجود دارد.

مراحل کلی کالیبراسیون فلومتر ورتکس:

1. آماده‌سازی: اطمینان از تمیز بودن فلومتر و عدم وجود نشتی در سیستم کالیبراسیون.
2. اتصال: اتصال فلومتر ورتکس به سیستم کالیبراسیون به همراه فلومتر مرجع یا تجهیزات اندازه‌گیری دقیق دیگر.
3. اجرای تست: عبور دادن سیال با نرخ‌های جریان مختلف از طریق فلومتر و ثبت خروجی‌های آن و استاندارد مرجع.
4. مقایسه داده‌ها: مقایسه خروجی‌های فلومتر ورتکس با مقادیر استاندارد در نقاط مختلف جریان.
5. تنظیم (در صورت نیاز): تنظیم پارامترهای فلومتر ورتکس (مانند فاکتور K) برای مطابقت با استاندارد مرجع.
6. صدور گواهینامه: پس از اتمام کالیبراسیون، یک گواهینامه کالیبراسیون صادر می‌شود که شامل اطلاعات مربوط به فرآیند کالیبراسیون، استاندارد مرجع استفاده شده و نتایج کالیبراسیون است.

استانداردهای کالیبراسیون فلومتر ورتکس:

رعایت استانداردهای معتبر در فرآیند کالیبراسیون از اهمیت بالایی برخوردار است. برخی از استانداردهای مرتبط عبارتند از:

• ISO 17025: الزامات عمومی برای احراز صلاحیت آزمایشگاه‌های آزمون و کالیبراسیون.
• ISO 5167: اندازه‌گیری جریان سیالات توسط وسایل اندازه‌گیری فشار تفاضلی. (اگرچه مستقیماً مربوط به ورتکس نیست، اما اصول کلی اندازه‌گیری جریان را پوشش می‌دهد).
• API MPMS (American Petroleum Institute Manual of Petroleum Measurement Standards): مجموعه‌ای از استانداردها برای اندازه‌گیری نفت و فرآورده‌های نفتی که شامل دستورالعمل‌هایی برای کالیبراسیون فلومترها نیز می‌شود.
• استانداردهای ملی و منطقه‌ای مرتبط با اندازه‌گیری جریان.

تناوب کالیبراسیون فلومتر ورتکس:

فاصله بین کالیبراسیون‌های فلومتر ورتکس به عوامل مختلفی بستگی دارد، از جمله:

• توصیه‌های سازنده: سازندگان فلومترها معمولاً فواصل کالیبراسیون پیشنهادی را در دفترچه راهنما ذکر می‌کنند.
• شرایط فرآیند: فلومترهایی که در شرایط سخت محیطی، با سیالات خورنده یا در دما و فشارهای بالا کار می‌کنند، ممکن است نیاز به کالیبراسیون مکررتری داشته باشند.
• اهمیت اندازه‌گیری: در کاربردهای حیاتی که دقت بالایی مورد نیاز است، فواصل کالیبراسیون کوتاه‌تری توصیه می‌شود.
• سوابق کالیبراسیون قبلی: بررسی نتایج کالیبراسیون‌های قبلی می‌تواند به تعیین فاصله مناسب برای کالیبراسیون‌های بعدی کمک کند. اگر فلومتر در طول زمان تغییرات قابل توجهی در دقت نشان داده باشد، ممکن است نیاز به کالیبراسیون مکررتری باشد.
• الزامات قانونی و صنعتی: برخی صنایع و مقررات، فواصل کالیبراسیون خاصی را تعیین می‌کنند.

فلومتر ورتکس (Vortex Flow Meter) نوعی فلومتر است که از پدیده گرداب‌زایی (Vortex Shedding) برای اندازه‌گیری نرخ جریان حجمی سیالات (مایعات، گازها و بخار) استفاده می‌کند. این فلومترها با قرار دادن یک مانع غیرسیال (به نام بدنه بلرف یا تولید کننده گرداب - Bluff Body or Shedder Bar) در مسیر جریان سیال، باعث ایجاد یک سری گرداب‌های متناوب در پایین دست این مانع می‌شوند. فرکانس تشکیل این گرداب‌ها مستقیماً با سرعت جریان سیال متناسب است.

اصل عملکرد:

1. ایجاد گرداب: هنگامی که سیال از مانع بلرف عبور می‌کند، به دلیل شکل خاص این مانع (که معمولاً به شکل منشور، استوانه یا T است)، جریان سیال از آن جدا شده و در پایین دست آن، یک سری گرداب‌های متناوب با جهت چرخش مخالف تشکیل می‌شوند. این پدیده به نام گرداب‌زایی فون کارمان (Von Kármán Vortex Street) شناخته می‌شود.

2. تشخیص فرکانس گرداب: سنسورهای مختلفی در پایین دست بدنه بلرف قرار می‌گیرند تا فرکانس تشکیل این گرداب‌ها را تشخیص دهند. این سنسورها می‌توانند از نوع:

   • پیزوالکتریک (Piezoelectric): تغییرات فشار ناشی از عبور گرداب‌ها را به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کنند.
   • خازنی (Capacitive): تغییرات ظرفیت خازنی ناشی از حرکت گرداب‌ها را اندازه‌گیری می‌کنند.
   • حرارتی (Thermal): تغییرات دما ناشی از عبور گرداب‌ها را تشخیص می‌دهند.
   • اولتراسونیک (Ultrasonic): تغییرات در سیگنال‌های اولتراسونیک عبوری از جریان را اندازه‌گیری می‌کنند.

3. محاسبه نرخ جریان: فرکانس تشکیل گرداب‌ها (f) مستقیماً با سرعت متوسط جریان سیال (v) و نسبت معکوس با عرض بدنه بلرف (d) متناسب است:

   f=St⋅dv​

   که در آن:

   • $f$ فرکانس گرداب‌زایی است.
   • $St$ عدد استروهال (Strouhal number) است که برای یک شکل خاص بدنه بلرف، یک مقدار ثابت است.
   • $v$ سرعت متوسط جریان سیال است.
   • $d$ عرض یا قطر بدنه بلرف است.

   از آنجایی که عدد استروهال و عرض بدنه بلرف ثابت هستند، فرکانس گرداب‌زایی مستقیماً با سرعت جریان سیال متناسب است. با دانستن سرعت جریان و سطح مقطع لوله، می‌توان نرخ جریان حجمی (Q) را محاسبه کرد:

   $Q=v\cdot A$

   که در آن:

   • $Q$ نرخ جریان حجمی است.
   • $A$ سطح مقطع لوله است.