جریان سنج گردابی - Vortex Flow meters

جریان سنج گردابی

Vortex Flow meters

محسن جزمی -تیرماه 1395

درادامه پست های مرتبط با جریان سنجهای سیالات یا فلومترها ، در این پست به جزئیات جریان سنجهای گردابی شامل تشریح اساس کار ، ساختارآنها، جزئیات حسگرها، ملاحظات نصب، مشخصات و ویژگیهای کارکردی و کاربردی آنها پرداخته میشود.

در پست های قبلی به جریان سنجهای مغناطیسی که در صنایع بصورت گسترده استفاده میشوند ،پرداخته شده است ، که درصورت نیاز میتوانید به پست زیر مراجعه فرمایید:

http://calibration-info.blogfa.com/post-80.aspx

1) اصول عملکرد جریان سنج گردابی

جریان سنج گردابی از پدیده ریزش گردابی[2] تبعیت میکند. این پدیده زمانی اتفاق می افتد که سیال درحال عبور (بخار ، گاز یا مایع ) به یک مانع فیزیکی مقاوم با شکلی ساده که طوری طراحی شده که در برابر عبور سیال مقاومت میکند و با عنوان جسم مانع[3] شناخته میشود ، برخورد میکند . دربرخورد سیال با جسم مانع، لایه ای مرزی تشکیل میشود که درسطح بدنه مانع گسترش پیدا میکند که بدلیل فشار معکوس سیال و حرکت آهسته سیال دراطراف بدنه جسم مانع ، لایه هایی از سیال بریده شده و به گردابهایی تبدیل میشوند که در سمت پایین دست ، از کنار مانع شروع به پخش شدن (یا ریزش) می کنند. این فرآیند مدام تا جاری بودن سیال تکرار میشود .

از منظری دیگر، وقتی در پایین دست جسم مانع ، گردابی از یک سمت آن پدیدار میشود، سرعت سیال دراین سمت افزایش و فشار کاهش می یابد. در سمت دیگر جسم مانع ،سرعت سیال کاهش ولی فشار افزایش پیدا میکند. بنابراین در پایین دست جسم مانع ،یک تغییر فشار خالص در دو سمت آن پیش می آید. این تغییر فشار و سرعت ، فرآیند تشکیل گرداب را معکوس کرده و گرداب بعدی از سمت مخالف گرداب قبلی پدیدار میشود. مادامیکه سیال درجریان است و با جسم مانع برخورد میکند، بصورت متناوب گردابهای حلقوی در سمت پایین دست جسم مانع ایجاد و جاری میشوند. با ادامه فرآیند ریزش گردابی ، توزیع سرعت وفشار در نزدیکی جسم مانع با فرکانسی مشابه فرکانس پدیدار شدن گردابها تغییر میکند.

جریان گردابی متناوبی که در سمت پایین دست جسم مانع پدیدار و ریزش میکند به نام "خیابان گردابی کارمان[4]" شناخته میشود (شکل 1) . این نامگذاری ، به افتخار تئودور ون کارمان که در1912 میلادی طراحی جسم مانع به شکل لبه تیز را انجام داد که گردابهای حلقوی ایجاد شده پشت آن از استحکام وپایداری مناسبی برخوردار بودند انجام گرفته است.

شکل1) گردابهای حلقوی در جریان سنج گردابی

میتوان نشان داد ، فرکانس (تناوب) ایجاد این گردابهای حلقوی با سرعت متوسط سیال در محل برخورد با جسم مانع نسبت دارد و با اندازه گیری این فرکانس یا دوره تناوب از طریق حسگرهای مناسب ، میتوان سرعت متوسط و بنوبه آن جریان حجمی سیال را اندازه گیری کرد.

معمولا برای جریان سیالی با عدد رینولدز (Re) بزرگتر از 10.000 ، گردابهای حلقه ای ایجاد شده مناسب برای اندازه گیری هستند . فرکانس ایجاد گردابهای حلقه ای f از رابطه زیر تبعیت میکند:

f =N_st.v/d

که:

• v سرعت میانگین سیال ( برحسب m/s)
• d مشخصه ابعادی (عرض مانع) (برحسب m )
• N_st عدد استروهال[5] ، عددی است که بصورت تجربی تعیین میشود و تقریبا در بازه اندازه گیری جریان سنج گردابی مقداری ثابت دارد( بطور مثال 0.21 برای سیلندرها)

در صورتیکه شکل جسم مانع از طراحی مناسبی برخوردار باشد، N_st را میتوان در گستره وسیعی از عدد رینولدز تقریبا ثابت فرض کرد و چون d برای هر جریان سنج گردابی ثابت است، میتوان استدلال کرد که فرکانس f متناسب با سرعت حرکت سیال v است و با اندازه گیری فرکانس ، سرعت سیال و با توجه به سطح مقطع عبور سیال A (قطر داخلی جریان سنج) جریان حجمی سیال Q_v را اندازه گیری کرد (رابطه زیر).

v=d.f / N_st

Q_v=v.A= d.A.f / N_st

Q_v= f / K

که K با فرضیات فوق تقریبا ثابت و برحسب تعداد پالس شمارش شده بر یکای حجم عبوری (مثلا تعدادپالس بر مترمکعب) بیان میشود.

جریان سنجهای گردابی توسط سازندگان مختلفی ارائه می شوند که تمایز آنها در شکل جسم مانع ، نوع حسگر ، محل تشخیص و آشکار سازی و مدارات الکترونیک می باشد . این نوع جریان سنجها از 1970 میلادی در صنعت برای اندازه گیری جریان سیالات استفاده می شوند و از آن زمان اجسام مانع با نسبت سیگنال به نویز بهتر طراحی و توسعه یافته اند. بسیاری از تکنسین ها جریان سنج ها گردابی را بعنوان راه حل آنها برای اندازه گیری سیالات غیرهادی و جایگزین جریان سنجهای روزنه ای و سایرروشهای اندازه گیری اختلافات فشار(ΔP) در نظر می گیرند.معمولا از آنها برای اندازه گیری جریان سیالاتی مانند بخار اشباع شده، بخار سوپر هیتها، بخارات خشک یا مرطوب ، گازهای خشک یا مرطوب ، روغن ، آب و... میتوان استفاده کرد.

2 ) ساختار جریان سنج گردابی

جریان سنج گردابی از اجزای محدودی مانند جسم مانع (شکل2) ، حسگر برای اندازه گیری فرکانس گردابهای ایجاد شده و مدارات الکترونیکی برای پردازش فرکانس و تبدیل آنها به سرعت یا جریان حجمی سیالات عبوری تشکیل شده است.

شکل 2)برخی شکلهای جسم مانع

1-2)جسم مانع

با طراحی مناسب جسم مانع، میتوان در بازه وسیعی از عدد رینولدز نسبت خطی بین سرعت عبور سیال و فرکانس گردابهای ایجاد شده در پشت جسم مانع فرض کرد. لذا میزان خطی بودن v/f بمیزان زیادی بستگی به شکل وابعاد جسم مانع دارد .

1-1-2) جسم مانع با سطح مقطع گرد[6] :

این نوع جسم مانع سطع مقطع گرددارد و بصورت یک سیلندر درون جریان سنج تعبیه میشود. چون نقطه ریزش گرداب درآنها با میزان جریان سیال به سمت بالا و پایین می رود، درنتیجه فرکانس آنها متناسب با سرعت سیال نمی باشد ورابطه ای خطی بین سرعت سیال و فرکانس گردابها مهیا نمیشود.

2-1-2) جسم مانع با سطع مقطع مثلثی[7]:

آزمونهای بسیار زیادی ارتباط خطی بین سرعت سیال و فرکانس گردابها دراین نوع اجسام مانع را اثبات کرده است. زاویه ریزش گرداب ، طرح وشکل واضح پیدا میکند و تغییرات فشار ، چسبندگی یا سایر پارامترهای فرآیندی روی درستی و خطی بودن آن تاثیر نمی گذارند.در بسیاری از طراحی ها، نوک تیز مثلثی جسم مانع را که درپایین دست قراردارد را پخ وصاف میکنند که این تغییر طرح باعث بهبود سرعت پاسخ جریان سنج میشود.

3-1-2)جسم مانع مضاعف (دوتایی)[8] :

قراردادن دو جسم مانع بصورت پشت سرهم و یا یکپارچه ، باعث میشودافت فشار دائمی در جریان سنج افزایش پیدا کند، ولی درعوض گرداب قویتری ایجاد می شود (تقویت هیدرولیکی) و درنتیجه از حسگرهای با پیچیدگی کمتر و تقویت کنند های معمول می توان استفاده کرد.

4-1-2)جسم مانع با با سطع مقطع مستطیل[9]:

وقتی وسایل اندازه گیری با این نوع جسم مانع تجهیز می شوند، میزان خطی بودن آنها با پارامترهای فرآیند تغییر میکند

2-2) حسگرها

از آشکار سازهای مختلفی برای اندازه گیری تغییرات زیر که بدلیل پدیده ریزش گردابی در اطراف جسم مانع پیش می آید میتوان استفاده کرد:

• جریان نوسانی در سیال در اطراف پیشانی(بالادست) جسم مانع
• اختلاف فشار نوسانی در اطراف جسم مانع
• جریان برقرار شده ای از سیال در دالان و راه عبور ایجاد شده از طریق حفر سوراخ در جسم مانع
• جریان یا فشار نوسانی سیال در پشت (پایین دست) جسم مانع
• حضور گردابهای آزاد در پشت (پایین دست) جسم مانع

روشهای مختلفی برای اندازه گیری فرکانس گرداب در جریان سنجهای گردابی وجود دارد .در حال حاضر هنوز هیچ حسگری که بتواند مستقل ازتمامی پارامترهای فرآیند، اندازه گیری انجام دهد وجود ندارد . جزئیات مهمترین حسگرهای مورد استفاده در جریان سنجی گردابی درادامه آورده شده است:

1-2-2)حسگر مغناطیسی :

در این روش یک دالان و محل عبور دوطرف جسم مانع را بهم متصل میکند (شکل 3) . درون دالان یک کره یا یک دیسک مغناطیسی بصورت محصور قرار دارد که میتواند با نوسان جریانات گردابی اطراف جسم مانع و اختلاف فشاری که در دوطرف این کره یا دیسک بصورت متناوب ایجاد میکند آنرا درحالت نوسانی از یک سمت به سمت دیگر قراربدهد. یک آشکار ساز مغناطیسی این حرکت نوسانی و دور و نزدیک شدن کره یا دیسک مغناطیسی را حس و آشکار میکند(شکل 4) .

شکل 3) حسگر مکانیکی

مشکل زمانی رخ میدهد که آلودگی باعث انسداد مسیر حرکت نوسانی شود. هرگاه با بخار اشباع شده سروکار باشد حرکت مکانیکی بدلیل بخار تغلیظ شده کند می شود . لذا ازا ین حسگر برای سیالاتی مانند آب گرم، بخار ومایعات در دماهای پائین میتوان استفاده کرد.

شکل 4) ساختار جریان سنجی با حسگر مغناطیسی

2-2-2)ترمیستور گرم شده[10]

یک ترمیستور گرم شده که بصورت فیلمی نازک درون جسم مانع کار گذاشته شده است (شکل 5) و با نوسانات برخوردی سیال با مانع مانند یک حسگر باد سنج عمل میکند و تغییرات دمایی با فرکانس نوسانات برخوردی را آشکار میکند . ایراد عمده این نوع حسگر ، حساسیت به آلودگی و زمان پاسخ بزرگ آن است. بطور معمول از این نوع حسگر برای سیالات گاز و مایع استفاده میشود.

شکل 5) حسگر ترمیستور گرم شده

3-2-2)حسگر کشش سنجی[11] :

آشکار سازهایی مانند یک کشش سنج[12] در جسم مانع تعبیه شده و میتوانند فشار و تغییرات فشار حول جسم مانع را اندازه گیری نمایند .

اختلاف فشار حاصل از پدیده ریزش گردابی ، می تواند جسم مانع را در حال حرکت تقریبی در حد واندازه حدود 10 میکرومتری نگه دارد . شبیه حسگر مکانیکی ، در درون دالن ومحل عبور تعبیه شده در جسم مانع،یک حسگر کشش سنج چسبانده میشود (شکل 6) که با حرکت دینامیکی جاصل از پدیده گردابی مقدار مقاومت آن تغییر میکند . بازه دمایی برای کارکرد درست این نوع حسگر، دمای زیر 120 درجه سیلسیوس میباشد . همچنین اگر قطر این حسگر خیلی بزرگ باشد، به نوسانات بیرونی نیز حساس خواهد شد .

شکل 6) حسگر کشش سنج

4-2-2)حسگر پیزوالکترویکی :

بجای استفاده ازنوارهای الاستیک ، از اجرای پیزوالکتریک می توان بعنوان حسگر استفاده کرد . همچنین یک کریستال ثانویه برای آشکار سازی انحصاری ارتعاشات بیرونی می توان استفاده کرد . اختلاف سیگنال این دو حسگر ، صرفاً بدلیل پدیده ریزش گردابی خواهد بود . عملکرد صحیح حسگر پیزوالکتریک در بازه های دمایی 40- تا 300 درجه سلسیوس بشرطی که تغییرات دمایی چندان سریع نباشد (بیشتر از 100 درجه سیلیوس در 0.5 ثانیه ) تضمین میشود.

5-2-2)حسگرفشاری:

جریان گردابی متناوب ایجاد شده در پشت جسم مانع ، باعث وارد آوردن نیرویی متناوب یا فشار محلی به آن میشود.با استفاده از حسگرهای فشار یا اختلاف فشار میتوان فرکانس جریانهای گردابی را اندازه گیری کرد(شکل 7).

شکل و طرح گرداب ایجاد شده باعث تغییرات فشار روی غشای[13] حسگر فشار (مثل دیافراگم یا پرده جداکننده) میشود. این تغییرات فشار را می توان با سلولهای فشار سنج پیزوالکتریک یا براساس تغییرات خازنی اندازه گیری کرد .مشکل وقتی پیش می آید که دما از 150 درجه سلیوس تجاوز کند یا غشای حسگر پاره شود.

بسته به ساختارحسگر ، بازه بزرگی از فشار لازم است تا اختلاف فشار را بتوان با قدرت تفکیک کافی اندازه گرفت . این یعنی که حساسیت این حسگر در بازه های کم جریان سیال، ضعیف خواهد بود . معمولاً حسگرهای فشار برای مایعات، گازهاو بخار در فشار پائین استفاده می شوند

شکل 7) جریان سنج گردابی با حسگراختلاف فشار(دیسک مغناطیسی)

6-2-2)حسگر خازن متصل شده تفاضلی(DCC)[14]

این سیستم تقریبا مشابه وسایل اندازه گیری مجهز به حسگرهای پیزوالکتریک (کریستالهای پیزوالکتریک ) ونوارهای لاستیکی می باشد، فقط ازیک حسگر برای تمامی مدلها استفاده می شود . دالان و محل عبور ایجاد شده در جسم مانع پالسهای فشار را از گرداب به حسگر منتقل میکند. چون حسگر درون جسم مانع تعبیه شده است، از شوکهای فشاری سنگین موجود درجریان سیال محافظت میشود. ساختار حسگر بسیار مستحکم و بصورت یک "حالت جامد"[15] ساخته میشود. دو الکترود ثابت در جسم مانع جایگذاری میشوند ، یک الکترود مرتعش شونده بصورت زبانه ای[16] نیز بین این دو الکترود جاسازی میشود. دو الکترودپایدار و این زبانه ، دو خازن راتشکیل می دهند. امواج فشاری حاصل ازگرداب ایجاد شده زبانه رادر حرکت نگه می دارد و مقدار خازن ها تغییر می کند. یک پیش تقویت کننده الکترونیکی ، این تغییرات را اندازه گیری می کند . بااین طراحی تغییرات دمایی در بازه 200- تا 400 درجه سلسیوس ممکن میشود .

این حسگر برای کاربردهایی که با بخارها ، گازها، مایعات و گازهای سرماساز بسیار گرم مناسب است .

7-2-2) حسگر ماورای صوتی

یک فرستنده و دریافت کننده ماورای صوت ، در پایین دست یعنی پشت جسم مانع قرار داده می شود تا عبور گردابهای حلقوی را آشکار کند(بصورت شماتیک در شکل 1 نشان داده شده است).موج با فرکانس بالای منتشر شده در لوله حرکت و در محل گرداب بافرکانس گرداب درحال ریزش مدوله میشود. با استفاده از یک فیلتر الکترونیکی مناسب ، پوشش[17] موج مدوله شده استخراج میشودکه همان فرکانس ریزش گردابی است.

این وسیله به تنظیم صحیح نیاز دارد تا از تأثیر امواج صوتی ایستا[18] بر روی مقدار قرائت شده جلوگیری شود. وجود سایر منابع صوتی غیر از فرستنده ماورای صوت، قابلیت اطمینان به اندازه گیریها را مخدوش می کند. این روش اندازه گیری برای مایعات وهمچنین گازها قابل کاربرداست.

3 ) ملاحظات در نصب جریان سنج گردابی

• جریان سنجهای گردابی را می توان بصورت افقی وعمودی نصب کرده درنصب عمودی جریان سیال بایستی ترجیحاً از پائین به بالا برقرار باشد. علاوه براین لازمست مشابه جریان سنجهایی مغناطیسی ، برخی مقررات نصب را برای آنها اجابت کرد
• لازمست لوله جریان سنج کاملا از سیال پر باشند (مشابه جریان سنجهای مغناطیسی )
• جریان سنج گردابی فقط در صورتی خوب کار می کند که پروفایل جریان سیال کاملاً تثبیت شده و بدون اختلال باشد به همین دلیل به لوله های متعادل کننده بلند نیاز دارد ، طوریکه در بالادست جریان سنج حداقل طول 5 برابر قطر لوله و در پایین دست آن حداقل 3 برابر قطر لوله باشد.حتی برخی سازندگان توصیه می کنند این طولها 20 برابر در بالادست و 10 برابر در پایین دست جریان سنج گردابی باشد .
• وسیله اندازه گیری بایستی با لوله تراز[19] باشد
• نصب را در محلی با حداقل ارتعاش بایستی انجام داد. در صورت لزوم لوله ها بایستی در جلو و پشت جریان سنج گردابی با نگهدارنده مناسب محکم شوند
• وقتی علاوه بر اندازه گیری جریان سیال ، اندازه گیریهای دما و فشار سیال نیز لازم است انجام شود، فشارسنج بایستی در فاصله یک برابر قطر لوله در سمت بالادست جریان سنج گردابی و دما سنج حداقل در فاصله 5 برابر قطر لوله و در پایین دست آن نصب شوند

عوامل زیر بشدت برروی درستی سیگنال خروجی وسیله اندازه گیری تأثیر می گذارد:

• تغییر شکل جسم مانع در نتیجه خوردگی
• خوردگی لوله ای که جریان سنج بر روی آن نصب شده است
• آلودگی جسم مانع
• ارتعاشات هیدرولیکی لوله و وسیله اندازه گیری
• پر نبودن کامل وسیله اندازه گیری از سیال

4 ) مشخصات جریان سنج گردابی

• هزینه های نصب آن ، بالخصوص در اندازه های قطر لوله زیر 6 اینچ پائین است
• پهنه[20] دینامیکی گسترده ای دارد
• حداقل سرعت قابل اندازه گیری بستگی به نوع حسگر دارد. حداکثر سرعت سیال تقریباً 7.5 متر بر ثانیه برای مایعات و 75 متر بر ثانیه برای گازها و بخارات می باشد
• حسگرآن معمولا ، خروجی دیجیتال مستقیم دارد ،لذا نیازی به استفاده از مبدل پیدا نمی کند
• سطح بالایی از درستی در عدد رینولدز Re بزرگتر از 10.000 (10.000 < Re ) دارد (درستی حدود 1 درصد برای مایعات و 1.5 درصد برای گازها )
• خطی بودن آن به چگالی ، چسبندگی و فشار سیال بستگی ندارد
• برای 10.000 Re < ، خطی بودن آن محدودیت پیدا میکند
• کالیبراسیون آن مستقل از شرایط عملیاتی و مشخصات فرآیند مانند چسبندگی،چگالی، فشار ، دما وغیره است
• فرکانس گردابها در حداکثر جریان سیال ، درمحدوده 200 تا 500 هرتز است و با تغییر میزان جریان ، پاسخ فرکانسی تا یک سیکل میباشد
• برای داشتن سریعترین سرعت پاسخ، بهتر است طراحی جریان سنج با بکارگیری حسگرهای نوع ماورای صوتی و جسم مانع مثلتی با لبه پخ باشد
• پایداری بالا دارد و بدلیل اینکه سیستم اندازه گیری براساس فرکانس است و نه زمان، رانش مشخصات آن با زمان بسیار کم است
• فرکانس ریزش گردابی به شکل جسم مانع وابسته است و بدلیل ثابت ماندن شکل فیزیکی و ابعادی ، پایداری بلند مدت ازنظر کالیبراسیون و تکرار پذیری بهتر از 0.15 درصد را تضمین میکند
• برای کاربرد سیالات گازها، مایعات و بخار مناسب است
• افت فشار دائمی آن کم است
• اجزا و قطعات متحرک و مستهلک شونده ندارد، لذا نگهداری و تعمیرات آن کم می باشد و یا نیاز ندارد
• برای کارکرد درست و صحیح به پروفایل جریان سیال خوب و تثبیت شده ای نیاز دارد
• به شوکه ای دمایی تا 100 درجه سیلیوس بر ثانیه مقاوم است
• بسته به نوع حسگر ، به ارتعاشات تا 1g حساسیت ندارد(در فرکانس 1 تا 500 هرتز)
• برای اندازه قطر لوله زیر 12 میلیمتر، این روش عملی نیست

5) کاربردهای ویژه

بخار :

• بویلرهای بخار : در لوله های اصلی (بخارات بسیار گرم)
• شیمی : قابلیت اندازه گیری بخارات اشباع شده به مخازن واکنش حرارتی (راکتورحرارتی)
• فرآیندهای صنعتی : سیستم های سرمایش و گرمایش

گازها:

• تصفیه خانه ها : اندازه گیری جریان متان
• صنعت : اندازه گیری فشار کمپرسورها
• گازهای سرماساز : نیتروژن مایع در دماهای 200- درجه سلیوس

مایعات :

• مایعات غیرهادی : آب تقطیر شده[21] یا آب دمین[22] ، گلیکول و غیره
• هیدروکربنهای با چسبندگی پائین :بنزین،روغن موتور دیزل و روغن هیدرولیک و غیره

برچسبها: جریان سنج گردابی, bluff body, vortex flow meter, حسگر مغناطیسی, حسگر ماورای صوت