اگر به کمک نیاز دارید، لطفا با ما تماس بگیرید
یک مهندس در یک کارخانه تصفیه آب آشامیدنی یک بار نشان جریان را از یک فلومتر مغناطیسی و یک متر اولتراسونیک گیره دار دید که بیش از 10 درصد با هم مخالف هستند. فرض فوری این بود که یک ابزار معیوب است. پس از بررسی دقیق، علت اصلی مشکل سنسور نبود. دو متر از شرایط مرجع متفاوتی استفاده می کردند. یکی حجم واقعی آب در حال حرکت در لوله را در دمای عملیاتی گزارش کرد. دیگری یک مقدار نرمال شده را در 20 درجه سانتیگراد نشان می دهد. شکاف بین خوانشها یک نقص سختافزاری نبود، بلکه یک عدم تطابق واحدها و شرایط مرجع بود. معادله سرعت جریان حجمی از نظر شکل فشرده است، اما مفاهیمی را به همراه دارد که بسیار فراتر از فرمول است. این که آیا شما در حال اندازهگیری یک پمپ هستید، تعادل کربن را بررسی میکنید یا یک متر انتقال نگهدارنده را انتخاب میکنید، تعریف نرخ جریان حجمی و روش اندازهگیری آن، صحت هر تصمیم پایین دستی را تعیین میکند.
دبی حجمی حجم سیالی است که در واحد زمان از یک سطح مقطع معین عبور می کند. در شکل ریاضی به صورت Q = V / t نوشته می شود که Q نرخ جریان حجمی، V حجم و t بازه زمانی است. این تعریف ساده است، اما شکلی نیست که اکثر مهندسان در کار از آن استفاده می کنند. معادله عملی Q = A × v است.
در این معادله A سطح مقطع لوله، مجرا یا کانال و v میانگین سرعت سیال در آن ناحیه است. حاصل ضرب مساحت و سرعت حجم عبوری در واحد زمان را نشان می دهد. این معادله برای هر سیال، اعم از مایع یا گاز، معتبر است و اساس بسیاری از ابزار دقیق جریان را تشکیل میدهد.
سرعت جریان حجمی اغلب اولین متغیری است که زمانی که مهندسان می خواهند بفهمند چه مقدار ماده در یک خط حرکت می کند اندازه گیری می شود. برای کنترل دوز شیمیایی، نظارت بر مصرف آب، تعادل جریان گاز و تعیین عملکرد پمپ ها و کمپرسورها استفاده می شود. این معادله به خودی خود ساده است، اما اگر مساحت یا سرعت به درستی تعریف نشود، می تواند نتایج گمراه کننده ای ایجاد کند.
واحد SI دبی حجمی متر مکعب بر ثانیه (m 3 /s). در عمل صنعتی، متر مکعب در ساعت (متر 3 /h) رایج تر است. در ایالات متحده، گالن در دقیقه (GPM) و فوت مکعب در دقیقه (CFM) استاندارد هستند. برای گازها، مهندسان اغلب از متر مکعب معمولی در ساعت (Nm 3 /h) یا لیتر در دقیقه استاندارد (SLPM). هر واحد بر شرایط مرجع خاصی دلالت دارد.
هنگام تبدیل بین واحدها، مراقب ابعاد زمان و حجم باشید. به عنوان مثال، 1 متر 3 /s = 1000 لیتر در ثانیه = 60000 لیتر در دقیقه = 3600 متر 3 /h. یک خطای اعشاری در تبدیل می تواند نتیجه را با ضریب 60 تغییر دهد. همیشه ارزش دارد که تبدیل را بنویسید و بررسی کنید که واحدهای زمان و حجم به درستی لغو شوند.
برای جریان ثابت و تراکم ناپذیر، قانون بقای جرم به حفظ حجم ساده می شود. در لوله هایی با قطرهای مختلف، دبی حجمی در هر مقطع یکسان است. این معادله تداوم است: A 1 × v 1 = A 2 × v 2 .
این یک نتیجه عملی دارد. اگر یک لوله از ID 100 میلی متر به ID 50 میلی متر کاهش یابد، سرعت به ضریب چهار افزایش می یابد تا دبی حجمی یکسان باقی بماند. یک فلومتر نصب شده در بخش کوچکتر سرعت بسیار بالاتری را مشاهده می کند که می تواند افت فشار بیشتر و نویز بیشتری ایجاد کند. درک معادله تداوم به مهندسان کمک می کند تا اندازه لوله و مکان مناسب دبی سنج را انتخاب کنند.
معادله Q = A × v با ادغام پروفیل سرعت در سطح مقطع به دست می آید. برای سرعت یکنواخت، دقیقاً Q = A × v. لوله های واقعی پروفیل های سرعتی دارند که صاف نیستند. آنها در مرکز بالاتر و در نزدیکی دیوار پایین تر هستند. سرعت متوسط به عنوان Q/A تعریف می شود. بنابراین وقتی از سرعت متوسط استفاده می شود، معادله یک هویت تعریفی است.
مفروضات اساسی جریان ثابت، سیال تراکم ناپذیر و سطح مقطع کاملاً پر است. برای گازها، چگالی در طول لوله تغییر می کند، اما نرخ جریان حجمی در یک نقطه معین همچنان به صورت Q = A × v در آن نقطه تعریف می شود. به همین دلیل است که یک دبی سنج گاز باید در جایی نصب شود که فشار و دما مشخص یا اندازه گیری شود.
در یک جریان متلاطم کاملاً توسعه یافته، مشخصات سرعت صاف است. سرعت خط مرکزی حدود 1.2 تا 1.3 برابر سرعت متوسط است. در جریان آرام، نیمرخ سهموی است و سرعت خط مرکزی 2 برابر سرعت متوسط است. بیشتر دبی سنج ها برای خواندن سرعت متوسط کالیبره شده اند، اما به یک پروفایل به اندازه کافی توسعه یافته نیاز دارند. اگر یک کنتور خیلی نزدیک به زانویی یا شیر نصب شود، ممکن است نمایه مخدوش شود و ممکن است قرائت خاموش شود.
یک مثال عینی در نظر بگیرید. یک لوله DN80 با قطر داخلی 80 میلی متر را در نظر بگیرید. مساحت A = π × d 2 /4 = 3.1416 × (0.08 متر) 2 /4 = 0.00503 متر 2 . سرعت جریان 3.5 متر بر ثانیه است. سپس Q = 0.00503 × 3.5 = 0.0176 متر 3 /s. تبدیل به m 3 /h: 0.0176 × 3600 = 63.4 متر 3 /h. اگر سیال آب در دمای 20 درجه سانتیگراد و چگالی 998 کیلوگرم بر متر باشد 3 ، دبی جرمی 63.4 متر است 3 / ساعت × 998 کیلوگرم بر متر 3 = 63273 کیلوگرم در ساعت = 63.3 تن در ساعت.
این نوع محاسبه در اندازه پمپ رایج است. پمپ باید به گونه ای انتخاب شود که دبی حجمی مورد نیاز را در برابر سر سیستم ارائه دهد. نرخ جریان همچنین عدد رینولدز را تعیین می کند که بر افت فشار و رژیم جریان تأثیر می گذارد.
| از | به | ضرب در |
|---|---|---|
| m 3 /s | m 3 /h | 3600 |
| m 3 /h | L/min | 16.667 |
| m 3 /h | GPM | 4.403 |
| CFM | m 3 /h | 1.699 |
به خاطر داشته باشید که این تبدیل ها برای حجم واقعی در شرایط یکسان هستند. آنها تغییرات چگالی را در نظر نمی گیرند.
دبی جرمی جرم سیال در واحد زمان است و اغلب به صورت ṁ نوشته می شود. این به میزان جریان حجمی با ṁ = ρ × Q مربوط می شود که ρ چگالی سیال در شرایط جریان است. در صنایع فرآیندی، جریان انبوه برای تعادل انرژی، واکنشها و انتقال نگهبانی مهم است. حجم برای اندازه لوله و انتخاب پمپ مهم است.
مایعات اغلب به عنوان تراکم ناپذیر در نظر گرفته می شوند، اما تغییرات چگالی با دما قابل چشم پوشی نیست. آب در دمای 4 درجه سانتی گراد دارای چگالی نزدیک به 1000 کیلوگرم بر متر است 3 ; در دمای 80 درجه سانتی گراد، چگالی آن به حدود 971.8 کیلوگرم بر متر کاهش می یابد 3 . این تغییر حدود 3 درصد است. اگر فرآیندی انتظار دبی جرمی ثابتی داشته باشد و فلومتر حجم را بخواند، اگر دما در نظر گرفته نشود، محاسبه جریان جرمی خاموش خواهد شد.
گازها تراکم پذیری بالایی دارند. یک تغییر 10 درصدی در فشار مطلق، اگر دما ثابت باشد، می تواند چگالی را تا 10 درصد تغییر دهد. شرایط استاندارد برای عادی سازی جریان گاز استفاده می شود. تبدیل از جریان حجمی واقعی به جریان حجمی استاندارد نیاز به نسبت چگالی دارد. فرمول Q_std = Q_actual × (ρ_actual / ρ_std) است.
صنایع مختلف از شرایط مرجع متفاوتی مانند 0 درجه سانتی گراد و 101.325 کیلو پاسکال یا 20 درجه سانتی گراد و 101.325 کیلو پاسکال استفاده می کنند. یک فلومتر که متر مکعب استاندارد در ساعت را نشان می دهد، در حال انجام اصلاح چگالی است. یک فلومتر حجمی خام بدون جبران، جرم گاز عبوری از لوله را منعکس نمی کند. هنگامی که یک متر یک عدد را نشان می دهد و محاسبات فرآیند انتظار دیگری را دارد، این یک منبع رایج سردرگمی است.
برای فرآیندهایی که چگالی ثابت نیست، یک فلومتر جرمی کوریولیس یک مزیت متمایز ارائه می دهد زیرا جریان جرم و چگالی را در یک دستگاه اندازه گیری می کند.
جریان سنج جرمی کوریولیس سری AC برای اندازه گیری جریان جرم و چگالی مستقیم سری AC جریان جرمی، چگالی و دما را مستقیماً بر اساس اثر کوریولیس اندازه گیری می کند و آن را برای فرآیندهایی که چگالی متفاوت است ایده آل می کند. این جریان حجمی را در زمان واقعی بدست میآورد، مناسب برای انتقال نگهبانی و برنامههای کنترل بحرانی. مشاهده محصول → معادله Q = A × v به روش های مختلف توسط فناوری های مختلف فلومتر استفاده می شود. برخی از اندازه گیری سرعت Q را استنباط می کنند، برخی دیگر یک حجم شناخته شده را می گیرند. در زیر مروری عملی از فناوری های اصلی و نحوه ارتباط آنها با دبی حجمی ارائه شده است.
این مترها یک افت فشار را در سراسر یک عنصر اولیه مانند صفحه روزنه ایجاد می کنند. دبی حجمی متناسب با جذر فشار دیفرانسیل است. فرمول اصلی Q = K × sqrt (ΔP / ρ) است. مقدار K به هندسه، عدد رینولدز و نسبت قطر روزنه به قطر لوله بستگی دارد. از آنجایی که چگالی در معادله ظاهر می شود، تغییرات در چگالی سیال بر خواندن تأثیر می گذارد. در کاربردهای گاز، جبران دما و فشار باید اعمال شود. استانداردهایی مانند ISO 5167 هندسه و شرایط نصب مورد نیاز را تعریف می کنند.
یک فلومتر گردابی از یک بدنه بلوف وارد شده در لوله برای تولید گرداب های متناوب استفاده می کند. فرکانس ریزش گرداب متناسب با میانگین سرعت سیال است. عدد استروهال برای ارتباط فرکانس به سرعت استفاده می شود. مزیت این است که فرکانس اساساً مستقل از چگالی است و ورتکس متر را برای مایعات و گازها مفید می کند. محدودیت اصلی نیاز به حداقل عدد رینولدز، معمولاً بالای 10000 برای عملکرد قابل اعتماد، و مشخصات سرعت به اندازه کافی توسعه یافته است. آنها همچنین به مقدار مشخصی لوله مستقیم در بالادست و پایین دست نیاز دارند.
برای جریان های بخار و گاز فرآیند، فلومترهای گردابی یک انتخاب رایج هستند، زیرا آنها هیچ قسمت متحرکی ندارند و سیگنال جریان حجمی قابل اعتمادی را ارائه می دهند.
فلومتر ورتکس MA80T-TP با جبران دما و فشار این فلومتر گردابی اندازهگیری دما و فشار را یکپارچه میکند تا جرم جبرانشده و جریان حجم استاندارد را فراهم کند، که برای شبکههای بخار و گاز فشرده ضروری است که در آن تغییرات چگالی بر اندازهگیری دقیق انرژی و تخصیص هزینه تأثیر میگذارد. مشاهده محصول → فلومترهای الکترومغناطیسی بر اساس قانون فارادی کار می کنند. هنگامی که یک سیال رسانا در یک میدان مغناطیسی جریان می یابد، ولتاژی القا می شود که متناسب با سرعت متوسط است. این متر نیاز دارد که سیال حداقل رسانایی داشته باشد، معمولاً بالای 5 میکروزیمنس بر سانتی متر. آنها به طور گسترده ای در آب، فاضلاب و دوغاب های شیمیایی استفاده می شوند، زیرا هیچ قسمت متحرکی ندارند و مانع جریان نمی شوند. سرعت به طور مستقیم اندازه گیری می شود و نرخ جریان حجمی از ناحیه لوله محاسبه می شود.
از آنجایی که مترهای الکترومغناطیسی مستقیماً سرعت را اندازه گیری می کنند، در شرایط دما و فشار موجود، جریان حجمی واقعی را در لوله ایجاد می کنند. اگر سیال رسانا نیست، باید تکنولوژی دیگری را در نظر گرفت.
فلومتر الکترومغناطیسی LDG Economy برای مایعات رسانا LDG یک مغناطیسی مقرون به صرفه برای مایعات رسانای بالاتر از 5 μS/cm است، بدون قطعات متحرک و افت فشار ناچیز. این مناسب برای آب، فاضلاب و دوغاب های شیمیایی است و جریان حجمی پایدار را برای نظارت عمومی صنعتی فراهم می کند. مشاهده محصول → جابجاییسنجهای مثبت حجمهای مجزای سیال را در پاکتهای دوار جذب میکنند. نرخ جریان متناسب با تعداد دور است. آنها برای مایعات بسیار دقیق هستند، اما دارای قطعات متحرک هستند و اگر مایع حاوی ذرات باشد، می توانند به سایش و چسبندگی حساس باشند.
متر اولتراسونیک از امواج صوتی برای اندازه گیری سرعت استفاده می کند. مترهای زمان عبور، تفاوت زمان سفر صدا را در جهت جریان و در مقابل جریان اندازه گیری می کنند. متر داپلر به بازتاب ذرات متکی است. آنها غیر نفوذی هستند و می توانند گیره شوند، اما به مایعات تمیز یا شرایط ذرات خاصی نیاز دارند.
کوریولیس متر جریان جرم را مستقیماً با مشاهده تغییر فاز در یک لوله ارتعاشی اندازه گیری می کند. آنها همچنین چگالی را اندازه گیری می کنند، بنابراین می توانند تخمین خوبی از جریان حجمی ارائه دهند. آنها برای انتقال با دقت بالا و برای مایعاتی که اندازه گیری آنها با سایر فناوری ها دشوار است استفاده می شود.
هنگام خرید یک فلومتر، درک دقیق معادله سرعت جریان حجمی به انتخاب صحیح کمک می کند. عوامل زیر حیاتی هستند.
با مایع شروع کنید. آیا رسانا است؟ آیا تمیز است؟ آیا مواد جامد وجود دارد؟ ویسکوزیته چیست؟ تنوع چگالی چیست؟ برای مایعات و گازهای غیر رسانا، دبی سنج مغناطیسی گزینه ای نیست. برای سیالات کثیف، یک جابجایی سنج مثبت ممکن است مناسب نباشد. برای بخار با دمای بالا، یک فلومتر گردابی کار می کند.
برای گازها و بخار، سرعت جریان حجمی در شرایط واقعی به شدت به دما و فشار بستگی دارد. بدون جبران، یک متر می تواند خوانش های دقیق حجم واقعی را تولید کند، اما محاسبه جریان جرم اشتباه خواهد بود. برخی از کنتورها دارای سنسورهای دما و فشار داخلی برای محاسبه جریان استاندارد هستند. هنگام انتخاب متر، بپرسید که آیا سازنده بسته جبران چگالی یکپارچه ارائه می دهد یا خیر.
تأثیر مالی: یک فلومتر با خطای ± 0.5٪ ممکن است برای کنترل فرآیند خوب باشد، اما انتقال نگهداری ممکن است به ± 0.1٪ یا بهتر نیاز داشته باشد. تکرارپذیری اغلب مهمتر از دقت مطلق برای کنترل فرآیند است. نسبت گردش مالی نیز مهم است. به عنوان مثال، یک گرداب سنج ممکن است چرخش 30:1 داشته باشد، در حالی که یک متر کوریولیس ممکن است به 100:1 برسد. محدوده عملیاتی باید با حداکثر جریان مورد انتظار مطابقت داشته باشد.
هر عنصر جریان مقداری افت فشار ایجاد می کند. یک دستگاه فشار دیفرانسیل می تواند افت فشار دائمی بالایی داشته باشد. یک متر الکترومغناطیسی تقریباً هیچ افت فشاری ندارد. افت فشار بیشتر به معنای هزینه پمپاژ بالاتر است. الزامات تعمیر و نگهداری نیز متفاوت است: قطعات متحرک در جابجایی مثبت و متر توربین نیاز به تعمیر و نگهداری دوره ای دارند. عدم وجود قطعات متحرک در گرداب، الکترومغناطیسی یا اولتراسونیک به معنای نگهداری کمتر است.
بسیاری از فلومترها به بخش های لوله مستقیم نیاز دارند. برای فلومترهای گردابی، الزامات معمولی 10 بعدی بالادست و 5 بعدی پایین دست است. برای کنتورهای الکترومغناطیسی، الزامات ممکن است کمی کمتر باشد اما همچنان مهم است. اگر کنتور با اجرای مستقیم ناکافی نصب شود، ممکن است پروفیل سرعت مخدوش شده و قرائت قابل اطمینان نباشد.
بهترین فلومترها بر اساس استانداردهای قابل ردیابی کالیبره شده اند. یک سازنده با امکانات کالیبراسیون داخلی می تواند فرآیند کالیبراسیون قابل اعتمادتری را ارائه دهد. کل هزینه چرخه عمر شامل خرید اولیه، نصب، نگهداری، خرابی و هزینه خطاهای اندازه گیری می شود. انتخاب متری بسیار ارزان می تواند منجر به تلفات طولانی مدت شود.
| تکنولوژی | دقت معمولی | دور زدن | افت فشار | قطعات متحرک |
|---|---|---|---|---|
| صفحه اوریفیس | 1-2% ± | 4:1 | متوسط به بالا | هیچ کدام |
| گرداب | ± 0.5-1٪ | 30:1 | کم متوسط | هیچ کدام |
| الکترومغناطیسی | 0.2-0.5% ± | 100:1 | کم | هیچ کدام |
| Coriolis | 0.1-0.2% ± | 100:1 | متوسط | هیچ کدام |
حتی با درک صحیح Q = A × v، خطاها در کاربرد میدانی رایج هستند. اشتباهات زیر می تواند منجر به اتلاف انرژی، محصول خارج از مشخصات یا اختلاف در انتقال حضانت شود.
اشتباه 1: نادیده گرفتن چگالی در اندازه گیری گاز. فلومتري كه حجم واقعي را گزارش ميكند، در شرايط استاندارد اعداد كمتري از حد انتظار توليد ميكند، اگر فشار گاز زياد باشد. اگر تعادل جرم به حجم استاندارد متکی باشد، این خطا سیستماتیک است.
اشتباه 2: اختلاط جریان حجمی واقعی با جریان حجمی استاندارد. مقدار بر حسب Nm 3 /h با m یکی نیست 3 /h. تفاوت می تواند ضریب 10 در فشار بالا باشد. همیشه شرایط مرجع در برگه داده را تأیید کنید.
اشتباه 3: نصب کنتور با جریان مستقیم ناکافی. زانوها و سوپاپ ها مشخصات سرعت را مخدوش می کنند. این می تواند باعث شود یک فلومتر بیش از حد خوانده شود یا کمتر خوانده شود زیرا سرعت محلی در سنسور میانگین واقعی نیست.
اشتباه 4: انتخاب مرحله ای که با فرآیند مطابقت ندارد. متری با چرخش باریک می تواند در جریان کم نادرست شود و متری که برای دبی کم طراحی شده است می تواند در دبی زیاد اشباع شود. محدوده جریان باید با حداقل و حداکثر فرآیند تأیید شود.
اشتباه 5: استفاده از فرض اشتباه متوسط سرعت. برخی از فلومترها برای یک برنامه لوله خاص کالیبره شده اند. تعویض لوله با ضخامت دیواره متفاوت باعث تغییر قطر داخلی و در نتیجه محاسبه مساحت می شود. یک تغییر کوچک در قطر می تواند 2٪ جبران در نرخ جریان ایجاد کند.
اشتباه 6: عدم در نظر گرفتن تغییرات دما و فشار در چگالی. در خط گازی که نوسانات دمایی روزانه را تجربه می کند، جریان حجمی واقعی می تواند 5 درصد یا بیشتر تغییر کند، حتی زمانی که جریان جرمی ثابت باشد. اگر کنترل فرآیند از سیگنال صدا بدون اصلاح چگالی استفاده کند، حلقه کنترل نوسانات کاذب را مشاهده خواهد کرد.
معادله سرعت جریان حجمی در هر نوع کارخانه فرآیند ظاهر می شود، اما روش اندازه گیری مورد نیاز به سیال و وظیفه بستگی دارد.
تصفیه آب و فاضلاب. کارخانه های آب شهری معمولاً از دبی سنج های الکترومغناطیسی استفاده می کنند زیرا آب رسانا است و کنتور هیچ قسمت متحرکی ندارد. جریان برای کنترل دوز کلر و اندازه گیری جریان ورودی گیاه استفاده می شود. یک فلومتر حجمی با افت فشار کم برای به حداقل رساندن هزینه های پمپاژ ترجیح داده می شود.
نفت و گاز. تاسیسات انتقال و تولید گاز به اندازه گیری دقیق جریان برای انتقال نگهداری نیاز دارند. یک فلومتر جرمی کوریولیس یا یک فلومتر گردابی با جبران دما-فشار معمولی است. محاسبه استاندارد شامل تصحیح چگالی برای تبدیل حجم واقعی به حجم استاندارد است. اشتباهات در اینجا می تواند منجر به ضرر مالی قابل توجهی شود.
شیمیایی و پتروشیمی. دوز شیمیایی اغلب شامل مایعات یا دوغاب تهاجمی است. متر الکترومغناطیسی و کوریولیس برای کاربردهای رسانا و با دقت بالا استفاده می شود. کلید تطبیق مواد خیس شده با شیمی سیال است.
تولید برق. جریان بخار معمولاً با فلومترهای گردابی اندازه گیری می شود زیرا فرکانس گرداب مستقل از چگالی است و متر می تواند دماهای بالا را تحمل کند. جریان آب تغذیه دیگ بخار اغلب با دستگاه های فشار دیفرانسیل یا کوریولیس متر اندازه گیری می شود.
نیمه هادی و پلی سیلیکون. مایعات شیمیایی فوق خالص در مقادیر کم مصرف می شوند. کنترل جریان جرم ترجیح داده می شود زیرا دستور فرآیند بر اساس جرم است، اما معادله جریان حجمی هنوز برای اندازه خطوط و بررسی سرعت استفاده می شود.
معادله سرعت جریان حجمی Q = A × v یک ابزار است، نه یک راه حل به خودی خود. اگر مساحت و سرعت آن را بدانید، به شما میگوید که چه مقدار حجم در یک لوله در حال حرکت است، اما به شما نمیگوید که آیا حجم آن عددی است که برای فرآیند خود نیاز دارید یا خیر. دما، فشار، چگالی، پروفیل سرعت و کالیبراسیون ابزار همگی بر نتیجه نهایی تأثیر میگذارند.
انتخاب فلومتر اشتباه می تواند بسیار بیشتر از دستگاه هزینه داشته باشد. رویکرد صحیح ترکیب درک کامل از معادله با فرآیند اندازهگیری مهندسی مبتنی بر آن است. VNER بیش از یک دهه تجربه در اندازه گیری جریان دارد کاربردهای فرآیند صنعتی و سرمایه گذاری می کند کالیبراسیون داخلی و فرآیندهای کیفیت تایید شده . بررسی کنید که چگونه این اصول در صنایع خاص اعمال می شود و چگونه روش های مهندسی سازنده می تواند ریسک اندازه گیری شما را کاهش دهد.