ابزارهای اندازه گیری شدت جریان مایعات

اندازه گیری شدت جریان در یک سیستم انتقال مایع بخش مهمی از عملیات را شامل می شود به علاوه اندازه گیری دوژایی در حین عملیات واقعی برای اطمینان از عملکرد سیستم در جهت پیش بینی شده الزامی است.

چندین وسیله اندازه گیری جریان وجود دارد که ضمن ارزان بودن به طور غیر مستقیم شدت جریان جرمی و سرعت را اندازه می گیرد شامل:

۱- لوله پیستو

۲- اریفیس متر

۳- لوله ونتوری

در هر سه روش بخشی از اندازه گیری شامل اختلاف فشار است. وسیله ای که غالباً برای این هدف استفاده می شود :

مانومتر لوله u : لوله با قطر کم و ثابت به شکل u لاتین که باسیالى به نام سیال مانومتر پر مى شود {آب ، جیوه} که نوع آن به نوع کاربرد بستگی دارد. طول بازوهای مانومتر هیچ تاثیری روی فشار اندازه گیری ندارد. برای تحلیل فشار در مکان های مختلف مانومتر لوله u احتساب فشار در نقاط انتخاب شده با شروع از یک طرف مانومتر و ادامه آن تا طرف دیگر است . فرمولها :

Pa+P1qz1-pmqzm=patm

PA=pmqzm-p1qz1+patm

در اندازه گیری فشار در جریان سیال معمولاٌ با سه نوع فشار مواجه هستیم :

  1. فشار استاتیک
  2. فشار دینامیک
  3. فشار سکون

فشار استاتیک همان فشار ترمودینامیک واقعی است که توسط اولین جمله معادله برنولی بیان می شود

(ثابتp1+1/2pu1+pqz1=p2+1/2pu2+pqz2= )

فشار سیال در حال حرکت، فشار استاتیک است. اگر حسگر فشار با همان سرعت سیال حرکت کند سپس سیال نسبت به حسگر ساکن است ( علت نامگذاری فشار استاتیک ) یک روش معمول برای اندازه گیری فشار استاتیک از طریق تعبیه سوراخی در کانال می باشد.

P1=p3+pqz2+pqz1 فشار در نقطه ۱

چون فشار در نقطه ۳ اتمسفری است پس فشار نسبی آن صفر است یا p3=0 یا به جاى فرمول بالا:

P1=pq(z1+z2)=pqz3

فشار ساکن:

اگر یه لوله نازک در کانال تعبیه کنیم سیال تا ارتفاع z4 بالا می رود یعنی در نقطه ۴ سرعت سیال صفر بوده و ساکن بنابراین فشار سیال در نقطه ۴ فشار سکون نامیده می شود.

P4=p1+pu1/2q

فشار دینامیک :

جمله pu1/2q را فشار دینامیک گویند چون نشان دهنده فشار ناشی از انرژی جنبشی سیال است.

لوله پیتو: یک حسگر رایج برای اندازه گیری سرعت سیال است اصل طراحی آن بر پایه وجود فشارهای سکون و استاتیک، هنگامی که یک جسم در سیال جاری قرار دارد استوار است. سیستم از دو لوله هم محور کوچک که که هر کدام خروجی مجزایی مرتبط هستند تشکیل یافته سوراخ ورودی لوله داخلی مستقیماٌ در مسیر جریان سیال قرار دارد در حالی که ورودی لوله خارجی یک یا چند سوراخ است که در محیط لوله خارجی تعبیه شده است. خروجی های لوله پیتو جهت اندازه گیری اختلاف فشار به مانومتر لولهu متصل شده اند.

در شکل ۵-۴۰ در نقطه ۱ فشار سکون اندازه گیری می شود اگر اختلاف ارتفاع ۱ و ۳ ناچیز باشد:

P3-Pa+pfuA/2

در نقطه ۲ فشار استاتیک اندازه گیری می شود اگر فاصله ارتفاع بین نقاط ۲ و ۴ ناچیز فرض شود. p4=p2=Pa

در اینجا چگالی سیال و ضریب لوله باید معلوم باشد در اکثراٌ موارد c<1 اگر به همراه لوله پیتو از یک مانومتر لوله u مانند استفاده کنیم محاسبات اینگونه است.

اریفیس متر: با گذاشتن یک مانع (محدودیت) با ابعار معلوم در برابر جریان در یک لوله می توان از رواب ابین فشار در دو طرف مانع و سرعت از میان مانع برای اندازه گیری شدت جریان سیال استفاده نمود. اریفیس متر حلقه ای که در یک لوله قرار داده می شود و مساحت سطع مقطع لوله را به یک مقدار معلوم کاهش می دهد. با نصب مبدل فشار (تراند یوسد) در مکان های بالا دست و پایین دست اریفیس تغییرات فشار را اندازه گیری می شود.

مکان مبنای A در بالا دست باید فاصله کافی از اریفیس داشته باشد تا بر ویژگی های جریان تاثیر نگذارد.

مکان مبنای B در پایین دست باید فاصله اندکی با اریفیس متر داشته باشد تا سرعت ان با اریفیس یکسان باشد.

شکل(۵-۴۲)

اگر از مانومتر لولهu براى تعیین افت فشار استفاده کنیم:

مقدار ضریب اریفیس C تابع

  1. محل دقیق فشار سنج ها
  2. عدد رنیولزر
  3. نسبت قطر لوله به قطر اریفیس

ونتوری متر: شکل ( ۵-۴۳) برای کاهش اتلاف انرژی که در اثر اصطحکاک ایجاد شده توسط انقباض ناگهانی جریان در یک اریفیس متر به وجود می اید.

تفاوت ونتوری متر و اریفیس متر:

۱-ونتوری باید برای اطمینان از زاویه دمای مناسب ورودی و خروجی از ونتوری کاملاٌ رقیق باشد

۲-ونتوری متر به طول مشخصی از لوله جهت نصب نیاز دارد.

۳- اریفیس متر ارزان تر بوده و طراحی ان از ونتوری متر ساده تر است

روتامتر:

در این وسیله ارتفاع شاقول که شناورهم نامیده می شود در یک لوله مخروطی نشان دهنده شدت جریان می باشد شناور در یک لوله مخروطی که بزرگترین قطر ان در سمت بالا قرار دارد به طرف بالا و پایین حرکت وسیال از پایین به طرف بالا جریان دارد و شناور را به طرف بالا می راند چون شناور چگالی بیشتری دارد معرب رود می ماند تا زمانی که فشار به تدریج افزایش یابد و اثر شناوری سیال شاقول را به سمت بالا جابجا کند وبعد سیال بین شناور ودیواره لوله جریان می یابد و همانطور که مسیر عبور جریان افزایش می یابد یک تعادل مکانیکی میان مکان شناور و اختلاف فشار در دو طرف ان و نیروهای شناور برقرار بنابراین جریان سیال را می توان اندازه گیری نمود.

جنس ماده ایی که لوله انان ساخته می شود : شیشه ای ، اکریلیک، فلزی.

شناور :

گوی شکل : برای اندازه گیری شدت جریان های پایین تر

آئرودینامیک: شدت جریان های بالاتر و کاربردهاییکه مستلزم دقت بالا با گرانروی ثابت است.

جنس موادی که شناور از ان ساخته می شود:

شیشه سیاه، یاقوت کبود، فولاد ضد زنگ، تنگستن

ظرفیت روتارومترها بر حسب ۲ سیال:

  1. اب در دمای C20
  2. هوا در دمای C20 و در فشار ۱۰۱٫۳Kpa

مزیت روتامتر بر اریفیس متر

  1. به توزیع سرعت در جریان سیال متحرک حساس نیست
  2. در نصب ان نیاز به بخش مستقیم لوله در بالا و پایین وسیله اندازه گیری نیست
  3. در محدوده گسترده ایی از جریان تکرارپذیری خوبی می دهد
  4. برای نیازهای خاص مانند حجم کم و فشار زیاد نیز قابل رشد هستند

چند روش دیگر برای کابردهای ویژه صنایع غذایی:

  1. جابجایی حجمی به عنوان یه اصل اندازه گیری جریان، از یک محفظ اندازه گیری با حجم معلوم که حاوی یک موتور دوار است استفاده می کند همانطور که جریان از میان محفظه هدایت می شود روتور می چرخد و حجم معلومی از سیال را جابجا می کند شدت جریان توسط نمایش نمایش تعداد دورهای روتور و احتساب حجم در هر دور اندازه گیری می شود.
  2. از فراصوت به عنوان مکانیسم حسگر استفاده می کند معمولاٌ دراین روش ها از پاسخ یک موج هدایت شده با فرکانس بالا به سمت جریان استفاده می کنند
  3. استفاده از گرداب های ایجاد شده ناشی از قرار دادن یک جسم نامنظم شکل در مسیر جریان است چون گرداب ها با فرکانس که تابع شدت جریان است به سمت پایین حرکت می کند از این فرکانس به عنوان معیاری از شدت جریان استفاده نمود معمولاٌ با قرار دادن ترمیستورهای داغ در مسیر گرداب و ثبت شدت های سرد شدن انها می توان این فرکانس ها را اندازه گیری نمود.
  4. شدت جریان در یک لوله با قرار دادن یک چرخ توربینی در مسیر جریان نیز اندازه گیری می شود در حالی که شدت جریان تغییر می کند سرعت چرخش نیز متناسب با ان تغییر می کند اندازه گیری دوران با استفاده از اهن رباهای کوچکی که به بخش چرخان توربین متصل هستند انجام می شود اهن رباها ضربانی را تولید می کند که به وسیله مدار مارپیچ که در دیواره خارجی لوله قرار گرفته است دریافت وثبت می شود.
باد سنج (‌آنمومتر )

این بادسنج که از نوع کاسه ای می باشد برای اندازه گیری سرعت باد کاربرد دارد. به دلیل نوع توربین این باد سنج که از نوع کاسه ای می باشد، دقت اندازه گیری این نوع بادسنج ها نسبت به جهت وزش باد بستگی ندارد. توربین بادسنج با سرعتی متناسب با سرعت باد دوران می کند. سرعت دوران این توربین توسط یک سنسور الکترومغناطیسی به علائم الکتریکی تبدیل می شود. این علائم الکتریکی توسط مدارات الکترونیکی داخل دستگاه قرائت گر، تقویت و به علائم دیجیتال تبدیل می شوند. سپس این علائم دیجیتال با کمک یک میکروکنترلر صنعتی تجزیه و تحلیل شده و سرعت جریان باد را بر روی یک صفحه نمـایش LCD نشـان می دهد. همچنین این اطـلاعات مـی توانند از طـریق یک درگاه تبـادل اطلاعـات سریال به یک کامپیوتر دستی منتقل و بصورت Real Time ثبت گردند تا بتوان از آنها برای گزارش گیری و آنالیز های کامل تر بهره گیری نمود.

 مانومتر

مانومتر وسیله ای برای اندازه گیری فشار است. نمونه ی معمولی مانومتر، شامل یک لوله ی U شکل از جنس شیشه است که با مقداری مایع پر شده است که معمولاً مایع مربوطه، جیوه می باشد ( به علت دانسیته ی بالا ). البته نمونه های دیجیتالی آن نیز در حال حاضر موجود می باشند.

مورد (۱):

در این شکل هر دو پایانه ی لوله در مقابل جو باز هستند. بنابراین هر دو نقطه ی A و B در مقابل فشار جو قرار دارند و همچنین هر دو نقطه دارای ارتفاع عمودی هستند.

مورد (۲):

در این شکل بالای لوله در قسمت چپ بسته شده است. ما تصور می کنیم که در این جا یک نمونه گاز در پایانه ی بسته ی لوله قرار دارد. طرف راست لوله در مقابل جو، باز نگه داشته شده است. بنابراین نقطه ی A ، در فشار جو قرار دارد. نقطه ی C، فشار گاز در پایانه ی بسته ی لوله است. نقطه ی B دارای فشار بیشتری از فشار جو می باشد که این مسئله مربوط به وزن ستون مایع با ارتفاع h می باشد. نقاط C و B دارای ارتفاع یکسانی هستند، بنابراین دارای فشار یکسانی نیز می باشند و فشار نقطه ی C برابر با فشار گاز در پایانه ی بسته ی لوله می باشد.

بنابراین در این شکل، فشار گازی که در پایانه ی بسته ی لوله به دام افتاده است، بیشتر از فشار جو می باشد.

مورد (۳):

نمونه ی دیگری از مانومتر که در آن قسمت بالای طرف چپ بسته شده است. شاید این طرف لوله شامل یک گاز و یا شاید شامل محیط خلأ باشد. نقطه ی A در فشار جو قرار دارد. نقطه ی C دارای فشار گازی است که در پایانه ی بسته قرار دارد و یا شامل یک محیط خلأ با فشار صفر می باشد.

چون نقطه ی B دارای ارتفاع یکسانی با نقطه ی A است، بنابراین بایستی در فشار جو نیز قرار گرفته باشد. اما فشار در B مجموع فشار در C به اضافه ی فشار اعمال شده به وسیله ی وزن ستون مایع با ارتفاع h در لوله است.

بنابراین نتیجه می گیریم که فشار در C، کم تر از فشار جو می باشد. اگر پایانه ی بسته ی لوله شامل محیط خلأ باشد، فشار در نقطه ی C، صفر است و فشار جوی برابر با فشار اعمال شده از طریق ستون مایع با ارتفاع h است. در این شکل، مانومتر می تواند به عنوان یک بارومتر برای اندازه گیری فشار جو مورد استفاده قرار گیرد.

به دست آوردن رابطه ی فشار ستون مایع :

نیرویی که از طریق ستون مایع اعمال شود را به صورت زیر در نظر می گیریم :

F = mg

همان طور که می دانید فشار به صورت نیروی اعمال شده بر سطح تعریف می گردد که در SI دارای واحد پاسکال می باشد:

P = F / A

جرم استوانه به صورت حاصل ضرب چگالی در حجم به دست می آید:

حجم استوانه نیز از حاصل ضرب سطح A در ارتفاع h به دست می آید:

بنابراین فشار P می شود:

در نتیجه اگر چگالی، ارتفاع و شتاب گرانشی بر حسب واحد های SI به دست آیند، فشار بر حسب پاسکال به دست خواهد آمد. توجه کنید که مقدار فشار مستقل از سطح استوانه می باشد.

جهت یادگیری بیشتر آزمایش زیر را انجام دهید.

 دستورالعمل :

– فشار موردنظر برای لوله های سمت چپ و راست لوله ی U شکل مانومتر را تعیین می کنیم.

– با کلیک بر روی open valves، دریچه ها را باز می کنیم.

– اختلاف فشار نمایان می گردد و می توان اثر فشار بیشتر بر روی مایع درون مانومتر را مشاهده کرد.

 روتامتر

یکی از وسایل پر کاربردی که امروز می خواهیم به شما معرفی نماییم روتامتر می باشد. روتامتر نوعی دبی سنج است که می تواند دبی سیال عبوری از یک لوله را برای ما اندازه گیری نماید. این سیال می تواند مایع و یا گاز باشد.

ابزارهای اندازه گیری شدت جریان مایعات

استفاده از روتامتر برای اندازه گیری دبی و شدت جریان مایعات بسیار رواج دارد. روتامتر از یک مجرای مخروطی تشکیل می شود که درون آن یک شناور موجود می باشد.

در اثر عبور جریان سیال از پایین به بالای روتامتر، نیروی مقاومی به این شناور وارد می شود و آن را به طرف بالا حرکت می دهد. با بالا رفتن شناور، سطح مقطع روتامتر افزایش یافته و لذا سطح جریان میان شناور و مجرای مخروطی روتامتر افزایش می یابد.

شناور تا جای بالا می رود که نیروی مقاوم سیال، نیروی ارشمیدس و وزن سیال یکدیگر را خنثی نمایند و سیستم به حالت تعادل برسد. در این صورت مکان شناور که به صورت مستقیم از روی روتامتر خوانده می شود، معرف دبی جریان می باشد. هر چه دبی جریان عبوری از روتامتر بیشتر باشد، محل شناور بالاتر خواهد بود.

ابزارهای اندازه گیری شدت جریان مایعات

از کاربردهای روتامتر می توان به آزمایشگاه ها، سیستم های تأسیساتی و به طور کلی تمام جاهایی که دانستن دبی یک جریان سیال لازم باشد اشاره نمود.

ونتوری (Venturi Tube)

دبی سنج ونتوری شامل یک قسمت ورودی مخروطی شکل همگرا می باشد که در طول آن سطح مقطع جریان کاهش می یابد. قسمت واگرای ونتوری فشار سیال را به حالت اولیه بر می گرداند. از افت فشار ایجاد شده در قسمت همگرای دبی سنج می توان دبی جریان را بدست آورد. گلوگاه استوانه ای ونتوری مکان اندازه گیری افت فشار ایجاد شده در واحد سطح می باشد.
ونتوری تیوب ها در موردی که نیاز به افت فشار کم و دقت بالای اندازه گیری است استفاده می شوند و عمدتاً در لوله های قطور ، شبیه مواردی که در صنایع آب و فاضلاب یافت می شود به کار می روند. زیرا شیب ملایم آن به جامدات معلق در مایع اجازه حرکت می دهد. لذا برای اندازه گیری پساب ها و دوغاب ها ( یابه عبارتی مایعات ویسکوز یا حاوی مقدار زیادی از جامدات چسبناک ) مناسب می باشند. عیب اصلی آن قیمت زیاد ان می باشد و دقت آن نسبت به اریفیس کمتر است مگر آنکه جریان کالیبره شده باشد.

شکل ۳- نمایی از ونتوری تیوب

شکل ۴- نمایی از ونتوری تیوب

اریفیس (Orifice Plate)محبوبترین و متداول ترین وسیله اندازه گیری جریان می باشد. اساس کار آن بدین گونه است که اختلاف فشاری که در طول این وسیله توسط یک صفحه واقع در خط فرآیند ایجاد شده است اندازه گیری می شود تا دبی جریان تعیین شود.

سه نوع متداول Orifice Plate وجود دارد که عبارتند از :

هم مرکز، مختلف المرکز و قطعه ای (Segmental ). اریفیس پلیت هم مرکز ساده ترین و ارزانترین هدمتر است (شکل ۱).

ابزارهای اندازه گیری شدت جریان مایعات

شکل ۱- نمایی از اریفیس پلیت

اریفیس پلیت مشابه عملکرد وسایل ابتدایی، به منظور تولید افت فشار، جریان سیال را در طول مسیر خودش به هم می فشرد؛ نتیجه آن که فشار سیال در ابتدای جریان بیشتر از فشار جریان در انتهای جریان می باشد. افت فشار ایجاد شده متناسب با مجذور سرعت سیال است.
مزیت اصلی این وسیله نداشتن قطعات متحرک و قیمت پایین آن می باشد (خصوصاً آنکه با اندازه لوله افزایش نمی یابد ) و به خوبی جریان های در هم تمیز را اندازه گیری می کنند. دقت اندازه گیری این وسیله به چگونگی نصب، نسبت سطح لوله و خواص سیال بستگی دارد و باید در لوله های مستقیم نصب شود.

ابزارهای اندازه گیری شدت جریان مایعات

شکل ۲- نمایی از اریفیس پلیت