فلومتر مافوق صوت/ اولتراسونیک
این فلومترها از امواج اولتراسونیک برای اندازه گیری میزان سرعت جریان سیال استفاده می کنند. این جریان سنج با استفاده از ترانسدیوسر های خود، میزان متوسط سرعت جریان سیال ایجاد شده در طول یک مسیر را اندازه گیری می‌کند. این جریان سنج امواج اولتراسونیک را جهت اندازه‌گیری میزان سرعت جریان سیال، و در خلاف جهت آن و بر اساس اندازه گیری میزان تغییر در شیفت زمانی و یا با استفاده از اثر داپلر منتشر می‌کند.
لازم به ذکر است که امواج اولتراسونیک می تواند تحت تأثیر ویژگی های اکوستیک سیال و همچنین ویسکوزیته، و یا ذرات معلق در جامدات قرار گیرد. ولی اغلب فلومترها به دلیل عدم نیاز به قسمت های متحرک، برخلاف انواع مکانیکی فلومتر دارای قیمت بسیار پایین‌تری هستند.
کاربردهای فلومتر اولتراسونیک
- صنایع نفت و گاز
- صنایع شیمیایی
- صنایع دارویی
- صنایع غذایی
- صنایع کاغذ سازی
- تصفیه آب
مزایای فلومتر اولتراسونیک
- قیمت مقرون به صرفه
- نصب آسان
- اندازه گیری دقیق
- توانایی اندازه‌گیری سیالات نارسانا
- قابل استفاده در محیط‌های سخت
- سازگاری کامل با محیط زیست
معایب فلومتر اولتراسونیک
- عدم امکان استفاده برای سیالات حاوی جامدات کوچک
- دقت پایین تر نسبت به نوع الکترومغناطیسی
- توانایی عملکرد در دماهای پایین تر از 200 °c
- تداخل و نویز پذیر نسبت به پمپ ها ویا هرگونه منبع صوتی
- قابلیت تکرارپذیری و دقت پایین
- کوتاه بودن طول عمر مفید
جریان سنج زمان انتقال(اولتراسونیک)
جریان سنج های زمان انتقال، زمان عبور دو موج اولتراسونیک را اندازه گیری می کند. یکی از این امواج در جهت جهت جریان و دیگری در خلاف جهت آن حرکت می کند. در حالتی که سیال، جریان نداشته باشد، سنسورها هر دو موج را همزمان و بدون تأخیر زمانی دریافت می‌کنند.
با برقرای جریان، زمان بیشتری طول می‌کشد تا موج پایین دست به سنسور بالایی برسد. این تفاوت در زمان انتقال سیگنال متناسب با سرعت جریان و بنابراین حجم جریان است. این نوع از جریان سنج های اولتراسونیک نسبت به ذرات معلق، حباب های گاز موجود در سیال محدودیت داشته و تأثیرپذیر هستند.
فلومتر اختلاف فشاری
در این جریان با ایجاد مانع در داخل لوله و بر سر مسیر جریان سیال، یک اختلاف فشار در دو طرف مانع ایجاد شده و این اختلاف فشار مورد اندازه گیری قرار می گیرد. این مقدار اختلاف فشار به دست آمده با انجام تنظیمات خاص نمایشگر مقدار جریان متناسب با آن است. اساس کار این جریان‌سنج بر پایۀ قانون برنولی است. این قانون بیان می‌کند که اختلاف فشار ایجاد شده در سیال با مجذور سرعت آن متناسب است:
Dp = ρ(v^2)/2
- Dp : اختلاف فشار(Psi, Pa)
- ρ : چگالی سیال(Kg/m3)
- V : سرعت فلو (m/s)
انواع فلومترهای اختلاف فشار
- جریان سنج ونتوری
- جریان سنج روتامتری
- جریان سنج اوریفیس پلیت
جریان سنج ونتوری
این فلومترها تجهیزاتی هستند که میزان جریان سیال را در دو نقطۀ مختلف لوله اندازه گیری می‌کنند. ایدۀ عملکرد این جریان سنج به این صورت است که زمانی که یک سیال وارد لوله می‌شود، در قسمتی از مسیر خود وارد بخشی می‌شود که اصطلاحاً گلوگاه یا Throat نام دارد.
ویژگی این قسمت به این صورت است که که در طرفین خود همانطور که در شکل مشاهده می‌کنید دارای دو بخش مخروطی و همگراست. به این صورت که سیال پس از ورود به بخش مخروطی همگرا، وارد بخش گلوگاه، و سپس بخش مخروطی واگرا شده و بعد از آن به حرکت عادی خود در مسیر خط لوله ادامه می‌دهد.
این انقباضی که در قطر طبیعی لوله اتفاق می‌افتد باعث افزایش سرعت عادی جریان سیال شده و در نتیجه افت فشاری رخ خواهد داد. بنابراین با استفاده از اندازه‌گیری این تغییرات در فشار، می‌توان میزان جریان را به دست آورد.
لازم است بدانید فلومتر ونتوری مانند تمامی انواع فلومترهای اختلاف فشاری، از قانون برنولی جهت عملکرد استفاده می‌شود. طبق این قانون، زمانی که سرعت سیال افزایش میابد، افت فشار رخ خواهد داد. لوله‌های ونتوری تا اندازۀ سایزهای "72 اینچ موجود بوده و می تواند نسبت به نوع فلومتر اوریفیس 25 تا 50% میزان جریان بیشتری را در یک فشار یکسان از خود عبور دهند.
مزایای فلومتر ونتوری
- هزینۀ تعمیر و نگهداری پایین
- هزینۀ نصب پایین
- قابل استفاده برای فرآیندهای پیچیده و حجم جریان بالا
- حساسیت کم نسبت به تأثیرات سرعت سیال
- نیاز کم تر به خط لولۀ صاف و مستقیم نسبت به فلومتر اوریفیس
- عدم حساسیت نسبت به مواد خورنده، فرساینده و ایجاد ناهمواری داخلی
معایب فلومتر ونتوری
- قیمت بالا
- حجم زیاد
- دارای ساختار غیر خطی
- عیب یابی مشکل به دلیل ویژگی ساختاری
فلومتر اوریفیس
این فلومتر وسیله‌ای برای سنجش نرخ جریان عبوری از لوله بوده که با استفاده از روش اختلاف فشار عمل می کند. این فلومتر برای مایعات و گازها علی الخصوص بخارها کاربرد فراوانی دارد. همچنین به دلیل دارا بودن استحکام و قیمت مقرون به صرفه برای فرآیندهای پیچیده بسیار مناسب است.
همانطور که از نامش پیداست این فلومتر شامل یک صفحۀ اوریفیس بوده که برای این جریان سنج یک عنصر اساسی به شمار می رود. زمانی که صفحۀ اوریفیس در مسیر جریان قرار می گیرد، مسیر عبور سیال را سد کرده و باعث بروز افت فشار در سیال می شود.
لازم به ذکر است که قطر صفحۀ اوریفیس از قطر دهانۀ لوله کمتر بوده و همین مسئله باعث به وجود آمدن یک اختلاف فشار در لوله شده که این تغییرات به صورت خطی است. به دلیل رخ دادن افت فشار، این جریان سنج در جاهایی کاربرد دارند که افت فشار در فرآیند آن مجاز باشد.
این جریان سنج ها مانند نوع نازلی و ونتوری به منظور محدود کردن جریان به کار می روند. طبق روش فلومترهای اختلاف فشاری، افت فشار در سیال در نتیجۀ افزایش سرعت در سیال است. و متقابلاً زمانی که کاهش سرعت داشته باشیم، فشار افزایش میابد. اختلاف فشار متناسب با معکوسِ مجذور سرعت است.
مزایای جریان سنج اوریفیس
- قیمت بسیار پایین
- نیاز به حجم کم برای نصب
- توانایی تنظیم برای دریافت بهترین پاسخ عملیاتی
- امکان نصب در جهت دلخوله مانند: افقی/ عمودی/ شیب دار
معایب جریان سنج اوریفیس
- امکان گیر کردن صفحه به دلیل وجود ناخالصی در آب و یا سایر سیالات
- امکان بروز خوردگی در صفحۀ اوریفیس در طول زمان
- نیاز به صاف کننده های مسیر جریان در ورودی و خروجی و در نتیجه افزایش قیمت نصب
- بر خلاف نوع ونتوری تمامی مقدار بازۀ پایینی فشار قابل بازیابی نبوده و مجموع فشار از دست رفته برابر با 40 تا 90% اختلاف فشار است.
کاربردهای فلومتر اوریفیس
- صنایع گاز
- تصفیۀ آب
- پالایشگاه نفت
- غنی سازی و پتروشیمی
لازم به ذکر است که صفحات اوریفیس دارای انواع مختلف در تعداد و محل روزنه‌های خود بوده که اشکال هرکدام در تصویر نمایش داده شده‌اند:
در تصویر زیر تأثیر دو نوع از صفحات اوریفیس یعنی صفحۀ اورفیس استاندارد و چند روزنه به نمایش در آمده است.
فلومتر روتامتری
در مورد این نوع جریان سنج به طور خلاصه می توان گفت این تجهیز برای اندازه گیری نرخ جریان سیال در داخل یک لولۀ بسته به کار رفته که اندازه گیری جریان را به روش حجمی انجام می‌دهد و در داخل این روتامتر یک شناور وجود داردکه متناسب با نرخ جریان عبوری تغییر وضعیت می دهد.
روش کار در این جریان‌سنج به این صورت است که این وسیله از یک لولۀ بسته که در داخل آن یک شناور وجود دارد، تشکیل شده است. در این جریان سنج در اثر عبور سیال از روتامتر، جریان وارد این وسیله شده و شناور موجود در آن را به سمت بالا حرکت داده و متناسب با آن سطح مقطع روتامتر بیشتر می شود.
این حرکت تا جایی ادامه پیدا می‌کند که مجموع نیروهای وارد شده بر شناور صفر شود. محلی که شناور روتامتر در آن نقطه ثابت می‌شود نمایشگر میزان فلوی یا جریان سیال است. روتامتر می‌تواند از جنس شیشه، فلز یا پلاستیک باشد. همچنین جنس شناور یا فلوتر داخل روتامتر نیز از جنس شیشه، فلز یا پلاستیک ساخته می‌شود.
مزایای جریان سنج روتامتر
- قابل استفاده با مایعات خورنده
- ارزان
- قابل استفاده برای جریان های کوچک
- تأثیر کم در کاهش فشار
- قابل استفاده با تجهیزات هشدار دهنده و یا سوئیچ‌ها و...
- نصب، تعمیر و نگهداری ساده
- عدم نیاز به سیگنال تغذیه
- تأثیر کم در کاهش فشار
معیاب جریان سنج روتامتر
- امکان نصب، تنها به صورت عمودی
- غیرقابل استفاده برای فرآیندهای دارای پالس
- غیرقابل استفاده برای دماهای بالا
- دقت نسبتاً پایین
- وجود خطر شکستگی در نوع شیشه‌ای
- مخدوش شدن امکان مشاهدۀ شناور در صورت عدم شفافیت سیال
کاربردهای جریان سنج روتامتری
- صنایع گازی
- تأسیسات تبرید
- صنایع دارویی
- صنایع کاغذ سازی
- صنایع کشاورزی
فلومتر لوله Pitot- Static
اساس عملکرد این فلومتر به صورت اختلاف فشاری بوده و اندازه گیری را به این صورت انجام می‌دهد که فشار استاتیک و فشار موثر کلی را محاسبه می‌کند. این فلومترها مانند نوع فلومتر اوریفیس بر اساس اصل برنولی عمل می کنند.
این اصل بر طبق تعریف بیان می‌دارد که با افزایش جریان سیال، فشار کاهش پیدا می‌کند. منظور از فشار استاتیک، فشاری است که از طرف لوله، مجرا یا محیط به لولۀ پیتوت اعمال شده و باعث می شود تا سیال در آن جریان پیدا کند. معمولاً اندازه گیری فشار در نقاط و زوایای مناسب لوله‌ای که سیال در آن جریان یافته و به نحوی که سیال دارای کمترین تلاطم باشد، انجام می پذیرد. جریان سنج های پیتوت برای اندازه گیری سیالات مایع و گاز به کار می روند.
مزایای فلومتر پیتوت
- فاقد قطعات متحرک
- نصب آسان
- تلفات پایین فشار در این جریان سنج
کاربردهای فلومتر پیتوت
- خطوط گاز
- صنایع هوانوردی
- در مواردی که سیال محصور نشده باشد. مانند: آب رودخانه
معایب فلومتر پیتوت
- دقت پایین
- حساسیت پایین
- نامناسب برای سیالات چسبنده و کثیف
- امکان گیر کردن جامدات در مجرای لولۀ پیتوت
فلومتر زانویی (Elbow)
در این فلومتر ها از یک نیروی گریز مرکز بین قطر داخلی لوله و جدارۀ بیرونی آن جهت اندازه گیری جریان استفاده می شود. لازم به ذکر است هیچگونه اختلاف فشار اضافی غیر از اختلاف فشار به وجود آمده در محل زانویی ایجاد نمی‌شود. بین اختلاف فشار در فلومتر و سرعت سیال یک همبستگی مثبت وجود دارد. با اندازه گیری اختلاف فشار به وجود آمده بین گوشه داخلی و خارجی زانویی، می توان سرعت سیال را محاسبه کرد.
مزایای فلومتر زانویی
- استفاده آسان
- سازگاری بالا با محیط زیست
- نیاز کم به تعمیر و نگهداری
معایب فلومتر زانویی
- اختلاف فشار پایین نسبت به نوع اوریفیس
- خطای بیشتر نسبت به نوع اوریفیس
فلومتر توربینی
فلومترهای توربینی یا چرخشی از نوع جریان سنج های مکانیکی هستند که دارای یک پره آزاد جهت چرخش در مسیر جریان سیال هستند. جریان سیال مایع یا گاز باعث می شود که توربین بر محور خود به چرخش در می آید. سرعت چرخش توربین متناسب با سرعت جریان سیال است.
طراحی ساده و قابل اتکا بودن فلومترهای توربینی آن‌ها را برای کاربران تجاری و صنعتی بزرگ مانند شرکت های گاز و آب و فاضلاب مناسب تر کرده است.
فلومترهای توربینی از دقت کمتری نسبت به انواع دیگر جریان سنج‌ها برخوردارند. امّا دارای یک عنصر حسگر بوده که شدت جریان را محدود نمی‌کند در نتیجه دارای این قابلیت هستند که می توانند سرعت بالای سیالات را با افت فشار کم اندازه گیری کنند.
اگرچه فلومترهای توربینی دارای کاربردهای بالایی هستند که در مواجه با سیالات مانند آب و به طور کلی با ویسکوزیتۀ پایین عملکرد بهتری دارند. در این وسایل لازم است یک صافی در مسیر عبور جریان سیال و ورود به توربین جهت محافظت در برابر شن و ماسه و یا سایر زباله‌ها نصب شود.
کاربردهای فلومتر توربینی
- صنایع نفت و گاز
- صنایع هوانوردی
- صنایع نظامی
- صنایع غذایی و دارویی
- تولید برق
مزایای فلومتر توربینی
- بازۀ اندازه‌گیری وسیع در جریان حتی برای مقادیر کم
- قیمت مقرون به صرفه
- دقت مناسب
- نصب و نگهداری آسان
- دارای ساختار ساده و با دوام
معایب فلومتر توربینی
- غیر قابل استفاده برای سیالات خورنده
- قابل استفاده فقط برای مایعات تمیز و گازها
- تأثیر پذیری دقت فلومتر از حباب‌های موجود در مایع
فلومتر ورتکس
این فلومتر بر اساس یک روش مکانیکی عمل می‌کند به این صورت که یک مانع در مسیر جریان قرار گرفته و تغییر وضعیت ایجاد می شود حسگرهای فلومتر این تغییر را حس کرده و مرجع مناسبی برای اندازه گیری جریان حجمی را ارائه می کنند.
نحوۀ کار این جریان سنج به این صورت است که اگر شما یک مانع را در مسیر عبور جریان سیال قرار دهید، به هنگام برخورد سیال با مانع یک آشفتگی در مسیر جریان ایجاد می شود.
و اگر یک حسگر را در پشت این مانع قرار دهیم در حالتی که جریان وجود نداشته باشد، حسگر ثابت بوده ولی در صورتی که جریان وجود داشته باشد، آشفتگی ایجاد شده و حسگر آن را حس کرده و تبدیل به داده های دیجیتالی و مقدار عددی می‌کند.
مزایای فلومتر ورتکس
- عدم وجود قطعات متحرک
- نصب آسان
- بدون نیاز به تعمیر و نگهداری
- احتمال خیلی پایین برای امکان بروز نشتی
- مصرف توان بسیار پایین
معایب فلومتر ورتکس
- غیر قابل استفاده برای مایعات با ویسکوزیته بالا
- غیرقابل استفاده برای سیالات شکننده
- نیازمند به فیلتر و صافی
- نامناسب برای جریانات دارای پالس
کاربردهای ورتکس
- صنایع شیمیایی و پتروشیمی
- صنایع غذایی
- پالایشگاه‌ها
- صنایع نفت وگاز
فلومترهای جا به جایی مثبت
این جریان سنج تنها فلومتری است که میزان سرعت جریان عبوری را که از جریان سنج عبور کرده به طور مستقیم اندازه‌گیری می کند. به بیان ساده می توان گفت که این وضعیت مانند حالتی است که یک ظرف را در زیر شیر آب قرار داده و به طور مداوم آن را پر و خالی کنیم.
نحوۀ عملکرد این جریان سنج نیز به همین صورت است. چرا که در داخل این جریان سنج قطعات متحرکی وجود دارد و زمانی که سیال داخل محفظۀ آن وارد می‌شود، شروع به چرخش می کند.
هرچه سرعت سیال وارد شده بیشتر باشد میزان چرخش قسمت های متحرک سریع تر بوده و این چرخش را می توان توسط یک ساز و کار مکانیکی بر روی نمایشگر محلی و یا به صورت خروجی دیجیتال بر روی مانیتور نمایش داد همچنین از خروجی این جریان سنج ها می‌توان به صورت یک سیگنال خروجی دیجیتالی برای استفاده در سیستم کنترل بهره برد.
لازم به ذکر است که در اکثر انواع این تجهیزات جهت جلوگیری از نشت سیال و برای اطمینان از این سرعت سیال بدون اندازه گیری خارج نشود، مجهز به سیل های مخصوص هستند.
انواع فلومتر های جرمی
- فلومتر حرارتی
- فلومتر کوریولیس
فلومتر حرارتی
روش عملکرد این فلومتر بر این اساس است که دمای یک جسم گرم بر اثر عبور جریان سیال کم می‌شود. در این جریان سنج از دو سنسور PT100 استفاده شده است. یکی از سنسورها برای اندازه گیری دمای جریان سیال به کار رفته که مقدار مرجع را به ما نشان می‌دهد.
به سنسور دیگر گرما می دهیم. این گرما به صورت ثابت تفاضلی مرتبط با سنسور دمای مرجع، در زمانی است که جریان صفر باشد.
به محض برقراری جریان در لوله سنسور گرما دیده، همزمان با عبور جریان شروع به سرد شدن می کند. هرچه سرعت جریان بالاتر باشد کاهش دما بیشتر خواهد بود. برای ثابت نگهداشتن اختلاف دمای بین دو سنسور یک جریان الکتریکی باید برقرار باشد. که در نتیجه می توان با استفاده از جریان سیال الکتریکی برقرار شده مقدار جریان سیال عبوری را مشخص کرد.
مزایای فلومتر گرمایی
- عمر طولانی
- حساسیت بالا
- نیاز کم به تعمیر و نگهداری
- قابل استفاده برای گازهای با غلظت بالا
- طراحی شده برای فعالیت های سنگین صنعتی
- بدون نیاز به تجیهزات اضافی
- هزینۀ نصب پایین
- قابل استفاده برای تعداد زیادی از گازها
- بدون قطعات متحرک
کاربردهای فلومتر گرمایی
- پالایشگاه های نفت وگاز
- انرژی های پاک
- نیروگاه های برق
- پتروشیمی
- صنایع غذایی
- تأسیسات تبرید
- صنایع دریانوردی
- کشف و شناسایی نشتی
معایب فلومترهای گرمایی
- قیمت بالاتر نسبت به سایر انواع فلومترها
- نیاز به کالیبراسیون خاص برای سیالات گازی
- قابل استفاده برای سیالات تمیز و غیرفرساینده
فلومترهای کوریولیس
فلومتر کوریولیس بر اساس قوانین مکانیک عمل می‌کند. به این صورت زمانی که سیال وارد جریان سنج شده، به دو بخش تقسیم می‌گردد. در طی عملیات اندازه گیری به وسیلۀ یک سیم پیچ، سیال تحریک شده و در فرکانس تشدید یا رزونانس شروع به نوسان می‌کند.
همزمان با نوسان هر دو لوله، و ایجاد ولتاژ در لوله ها، در هر کدام از آن ها یک شکل موج سینوسی تشکیل می شود که با یکدیگر مرتبط هستند. از طریق انداره گیری تأخیر زمانی بین دو شکل موج سینوسی که به آن ∆T می‌گویند، می‌توان نزخ جریان متناسب با آن را به دست آورد.
کاربردهای جریان سنج کوریولیس
- صنایع گاز
- کوره ها
- جریان بخار
- جریان آب
مزایای جریان سنج کوریولیس
- استفادۀ آسان برای مایعات و گازها
- عدم نیاز به سیگنال تحریک در ورودی و خروجی
- توانایی اندازه گیری به روش حجمی و جرمی
- امکان اندازه گیری چگالی و دما
- صرفه جویی در زمان
معایب جریان سنج کوریولیس
- قیمت بالا
- محدودیت بیشتر در بازۀ دمایی عملیاتی نسبت به سایر انواع
- مشکل بودن اندازه گیری نرخ جریان مایعات با چگالی کم
- افزایش قابل توجه خطا در اندازه گیری در سیالات مایع حاوی گاز
- عدم امکان استفاده در قطر لوله‌های بالای 8 اینچ
- تأثیر پذیری میزان دقت از دوام و استحکام در جریان سنج کوریولیس
نکات مورد نیاز در هنگام انتخاب یک فلومتر مناسب
- نوع سیال
- میزان ویسکوزیته
- آیا به نمایشگر نیاز است؟
- اندازۀ لوله
- دمای فرآیند
- میزان فشار
- میزان دبی