اندازه گیری جریان به روش حجمی یا پیمانه ای

دستگاه های اندازه گیری پیمانه ای

 این روش اندازه گیری به عنوان یکی از روش های قدیمی مطرح بوده و امروزه هنوز هم در پایانه های صدور نفت خام کاربرد دارد.  طرز کار دستگاه های مبتنی بر تکنیک حجمی به گونه‌ای است که با نمونه گیری از جریان و تکرار پریودیک نمونه برداری از حجم سیال مستقیماً میزان جریان سیال اندازه گیری می شود.  از جمع کردن حجم این پیمانه ها یا شمردن تعداد پیمانه ها میزان واقعی جریان سیال به طور مستقیم به دست می آید.

Q=n.v

به طور که:

•  حجم هر پیمانه:v
•  تعداد دفعات پر و خالی شدن پیمانه:n
•  حجم کل سیال جابجا شده:Q

  خروجی این گونه دستگاه ها می‌توانند به صورت رقم روی شمارنده و به عنوان میزان کمیت نمایش داده شود و یا اینکه در خروجی دستگاه به صورت سیگنال الکترونیک قرار گرفته و کاربرد کنترلی داشته باشد. یکی از کاربردهای متداول این روش  کنتور آب و کنتور در خروجی تلمبه نازل بنزین می باشد. میتوان مدعی شد که این تکنیک تنها روش است که به کمک آن می‌توان به طور مستقیم حجم واقعی سیال را اندازه گیری نمود. انرژی لازم جهت گردش چرخ دنده ها پیمانه یا پیستون ها و دیگر ادوات متحرک در این دستگاه از فشار موجود در خط لوله تامین می شود  لذا از این نمونه دستگاه ها ادوات بسیاری را می‌توان یافت که برای نمایش میزان جریان سیال یا نمایش حجم سیال منتقل شده روی شمارنده نیاز به منبع تغذیه خارجی ندارد.

 از جانب دیگر طراحی این نوع از دستگاه به گونه ای است که فقط دارای کاربرد در اندازه گیری جریان در یک جهت است.

اندازه گیری جریان به روش حجمی یا پیمانه ای

 

 این دستگاه از معدود دستگاه هایی است که با افزایش چسبندگی سیال دقت سیال کاهش نمی یابد اما با توجه به این نکته حایز اهمیت است که این دستگاه ها غالباً برای سیال با میزان چسبندگی خاص انتخاب واسنجی و تنظیم میشود. یه بیان دیگر قابلیت ذکر شده این فرصت را به کاربر نمی‌دهد که یک دستگاه خاص را بتوانند برای تمام سیالات استفاده نماید. تطابق میزان چسبندگی سیال با میزان چسبندگی در نظر گرفته شده هنگام واسنجی آن بسیار مهم و الزامی است. از دیگر ویژگی های دستگاه های پیمان های این است که با کاهش میزان جریان سیال دقت دستگاه نیز رو به بهبود خواهد بود. از طرفی استفاده از این دستگاه در سیالات حاوی ذرات جامد و یا سیالات با ویژگی سایندگی توصیه نمی شود. این ویژگی‌ها باعث افزایش سایش بین قطعات متحرک فرسودگی این قطعات و کاهش دقت و صحت دستگاه در اثر افزایش نشتی خواهد شد.

 با توجه به وجود قطعات متحرک در این دستگاه و برای افزایش دقت و صحت آن توجه به جنس قطعات دستگاه بسیار مهم بوده و در زمان عملیات یا هنگام کار دستگاه نیز نباید از بازدید های برنامه ریزی شده دوره ای برای آن غافل شد.

اندازه گیری جریان به روش حجمی یا پیمانه ای

 

 علاوه بر عنوان حجمی یا پیمانه ای به این روش اندازه گیری جریان سنج جابجایی مثبت نیز گفته می شود. PD Meter ها یا دستگاه‌های مبتنی بر تکنیک حجمی خود به چهار دسته تقسیم می شوند.

Rotating 

Reciprocating

Nutating

Oscillating

 نکته: در یک تقسیم بندی دیگر و به طور عام اندازه گیری به روش پیمانه ای به دو گونه تقسیم بندی می شود. با این تقسیم بندی نیز چهار گونه دستگاه فوق الذکر قابل تمایز و قابل تطبیق با دو روش کلی زیر خواهد بود.

 ۱.  دستگاه های اندازه گیری حجمی دوار

 ۲ . دستگاه های اندازه گیری حجمی رفت و برگشتی

 جبران ساز حرارتی مکانیکی

 همانگونه که در روند انجام محاسبات تعیین حجم سیال وجود دارد چهار عامل( ضریب دستگاه اندازه گیری، ضریب تصحیح به ازای دما، ضریب تصحیح به ازای فشار و  در نهایت درجهAPI  یا چگالی نسبی سیال)   در محاسبات لحاظ می‌شود.   سازندگان دستگاه اندازه گیری جریان سیالات به روش پیمانی دارای کاربرد فراوان در ترمینال‌های صادرات نفت خام و فرآورده های نفتی می باشد روش تصحیحات دما و چگالی سیال دقت بیشتری نموده اند.  شکل زیر نمونه ای از یک دستگاه جبران ساز حرارتی را نمایش میدهد. عملکرد این جبران سازه مکانیکی بوده و بیشتر در دستگاه هایی کاربرد دارد که شمارنده متعلق به آن نیز محلی و به صورت مکانیکی باشد. محل نصب جبران ساز فوق بین شمارنده و خود دستگاه اندازه گیری است به گونه ای که به شکل هم محور با هم قرار خواهند گرفت. ت تصحیحات انجام شده روی گردش محور دستگاه اندازه گیری که متناسب با تغییرات دمای سیال و محیط است از طریق خروجی جبران ساز به شمارنده منتقل میشود.

اندازه گیری جریان به روش حجمی یا پیمانه ای

 

 ساختمان این دستگاه متشکل از دو فانوس،  لوله مویین،  حباب،  محور و ساز و کار متعادل کننده است. ست دو فانوس هم محور بوده و تغییرات دما در آن دو باعث حرکت در جهت عکس یکدیگر خواهد شد. حباب از طریق لوله مویین به فانوس محصول متصل در نتیجه فشار لوله مویین را تغییر داده و این تغییرات باعث ایجاد تغییر طول فانوس متعلق به محصول می گردد. فانوس دمای محیط نیز تغییرات دمای محیط را حس کرده و با توجه به نحوه قرار گرفتن دو فانوس نسبت به یکدیگر برآیند حرکت تعدیل شده از طریق محور به ساز و کار متعادل کننده دستگاه منتقل می شود

اندازه گیری جریان به روش حجمی یا پیمانه ای

 

  تغییرات در چگالی مواد هیدروکربوری به‌عنوان همچون تغییرات دما ضریب تناسب تغییرات دما و افزایش حجم چسبندگی و درجه API  سیال بستگی دارد لذا فلسفه قرار دادن اهرم و مقیاس انتخاب وزن مخصوص روی دستگاه به واسطه توسعه کاربرد آن در سیالات با درجه API متفاوت است. است همانگونه که در شکل قبل نمایش می دهد ساز و کار فوق به گونه ای طراحی شده است که با اعمال تغییرات روی تنظیمات مقیاس وزن مخصوص نتیجه تغییرات دمایی منتقل شده به بخش انتهای اهرم نیز افزایش می یابد. مقیاس وزن مخصوص روی دستگاه بر حسب درجهAPI یا وزن مخصوص و یا ضریب انبساط حرارتی مدرج شده است.

 ست جعبه دنده دستگاه شامل سه بخش چرخدنده اولیه چرخدنده ثانویه و سیستم کروی می شود.  ساز و کار حرارتی وجود نداشت گردش دستگاه اندازه گیری با یک نسبت خاص و ثابتی از طریق این چرخ دنده ها به شمارنده منتقل می‌شد اما با وجود سیستم جبران سازه حرارتی نتیجه تغییرات دمای محصول و محیط که در خروجی ساز و کار جبران ساز قرار می‌گیرد توسط محوری تحت عنوان خط کش و صفحه مدور به چرخ دنده ثانویه منتقل و باعث ایجاد تغییراتی در میزان دور خروجی دستگاه میشود. از طرفی میزان تغییرات اعمال شده علاوه بر تغییرات خطی ناشی از تغییرات دما به تنظیمات انجام شده روی مقیاس وزن مخصوص نیز بستگی دارد.

  مجموعه چرخدنده های ثانویه با تفریق در حاصل دور خروجی نقش خود را نمایش می‌دهد میزان تفریق متناسب با نسبت جابجایی خط کش روی صفحه مدور و ترکیبی از اثر خطی تغییرات دمایی است که روی تعداد دور خاص دستگاه اندازه گیری تاثیر گذار است.

 یعنی موقعیت خط کش روی صفحه مدور توسط میزان دما و تنظیمات وزن مخصوص تعیین می شود. سرعت گردش صفحه مدور نزدیک تر باشد سرعت این چرخ دنده نیز کاهش می یابد. کاهش دمای سیال خط کش و چرخ دنده حلزونی را به طرف مرکز صفحه  می راند.  در نتیجه تعداد دوری که از خروجی مجموعه تفریق می‌شود کاهش داده خواهد شد.

اندازه گیری جریان به روش حجمی یا پیمانه ای

 

 

 مزایای PD Meter:

 استفاده از این نوع دستگاه اندازه گیری بالغ بر یکصد سال قدمت داشته و با توجه به مزایای زیر و سادگی طراحی هنوز مورد اقبال استفاده کنندگان می باشد. در ایران از سال ۱۳۴۷ تاکنون از دستگاههای پیمانی در جزیره خارک و برای صدور نفت خام استفاده میشود و هنوز تعداد بسیار زیادی از این دستگاه ها تا اندازه ۲۰ اینچ در مناطق عملیاتی عسلویه لاوان و خارک در سرویس می باشد. در این نوع از دستگاه هرچه میزان نشتی سیال از بین اجزای متحرک آن کمتر باشد در نتیجه دقت اندازه گیری و درستی آن نیز مطلوب تر خواهد بود لذا انتخاب مناسب و استفاده صحیح از دستگاه تضمین عملکرد صحیح آن خواهد بود به هر روز می مزایای زیر به دستگاههای پیمانی منسوب است:

  ۱. دقت بالا در اندازه گیری و درستی بسیار مطلوب دارای قابلیت اندازه گیری جریان سیال در اثر نشتی شیر های بالادستی.

2. تکرار پذیری بالا به ویژه درPD Meter های  چرخشی و همچنین رفت و برگشتی

 ۳. Turndown بسیار خوب

   ۴. عدم نیاز به حالت دهنده جریان به طور عام

 ۵. قابل استفاده در اندازه گیری جریان مایعات با گرانروی چگالی و چسبندگی نسبتاً بالا

 ۶. با تغییر گرامری و چسبندگی مواد دقت و صحت دستگاه تغییرات زیادی نخواهد داشت ولی استفاده در اندازه گیری جریان سیالات با گرانروی یا چسبندگی غیر از آنچه در داده برگ آن قید شده است توصیه نمی شود و دستگاه نیاز به تغییر مجدد دارد.

 ۷. عدم تاثیر پذیری درستی دستگاه از آشفتگی رژیم جریان سیال.

 ۸. عدم نیاز به منبع تغذیه در بعضی از کاربرد های خاص. خواص

  ۹. در دسترس بودن با جنس قطعات بسیار متنوع و برای کاربردهای گوناگون

 معایب

   اغلب معایب این دستگاه به دلیل داشتن قطعات متحرک می باشد با این وجود سعی شده است این ضعف‌ها فهرست‌وار بیان گردد.

 ۱. غیر قابل استفاده در اندازه گیری جریان سیالات دوفاز یا سیالات دوغابی در صورت وجود گاز یا بخار در سیال قطعات مکانیکی و متحرک دستگاه آسیب جدی می بیند.

 ۲.  آسیب پذیری دستگاه در مقابل تلاطم زیاد و مداوم سیال

 ۳. آسیب پذیری دستگاه در مقابل توقف یا شوک ناگهانی در اثر به جریان درآمدن سیال.

  ۴. نیاز به جداسازی حباب های هوا از سیال قبل از ورود به دستگاه.

 ۵. ایجاد افت فشار بیش از حد معمول در خطوط لوله.

 ۶ به دلیل وجود ادواتی همچون جداسازی هوا یا فیلتر در بالادست دستگاه اندازه گیری افزایش چگالی مایع و یا افزایش جریان سیال افت فشار بیشتری در دستگاه را خواهیم داشت.

 ۷.  آسیب پذیری دستگاه در مقابل زنگ زدگی و ساییدگی و کاهش دقت دستگاه بعد از مدتی کار کردن با توجه به داشتن قسمت های متحرک.

 ۸.  نیاز به بازبینی دوره‌ای و واسنجی مرتب و به موقع.

 ۹. در بعضی از طراحی ها یا بعضی کاربرد های حساس استفاده از این دستگاه باعث ایجاد نوسان در جریان سیال خروجی می شود.

 ۱۰. نسبت به دیگر تکنیک ها ابعاد دست ها در این روش بزرگتر از ابعاد در روش های دیگر می باشد.

 ۱۱. محدودیت در پذیرش تغییرات دما و فشار سیال به دلیل تاثیر روی قطعات متحرک و عملکرد دستگاه.

 ۱۲. هزینه تعمیرات گران.

 ۱۳. قیمت نسبتاً گران دستگاه نسبت به دیگر روش ها.

 ۱۴. یک جهت بودن جریان سیال در دستگاه.

 ۱۵. با بروز ایراد فنی در قطعات متحرک دستگاه زمان از دست دادن اندازه گیری باعث مسدود شدن مسیر جریان نیز خواهد شد.

 ۱۶. در صورتی که فشار خروجی دستگاه به یکباره کاهش یابد امکان ایجاد یخ زدگی در دستگاه است.

  نکات است عملیاتی:

 هنگام نصب راه اندازی و یا در سرویس قرار دادن مجدد دستگاه بایستی توجه ویژه ای داشت تا اشیا خارجی ای بین قطعات متحرک دستگاه وجود نداشته باشد. در صورت وارد شدن کوچکترین قطعه های این دستگاه آسیب جدی خواهد دید.  با توجه به اینکه امکان بروز یک چنین شرایطی اجتناب‌ناپذیر است توصیه می‌شود هنگام طراحی به موازات دستگاه یک انشعاب جنبی به اضافه شیر مسدود کننده قرار داده شود تا در زمان به وجود آمدن شرایط یاد شده مسیر عبور جریان مسدود نشود بدیهی است برای ایجاد شرایط بهره برداری مطلوب و امکان جداسازی دستگاه جهت انجام تعمیرات بایستی دو طرف دستگاه اندازه گیری دو شیر مسدود کننده نیز در نظر گرفته شود.

 عبور دادن سیال با سرعتی بیش از سرعت طراحی و پیش بینی شده و باعث آسیب دیدن دستگاه خواهد شد

 عبور دادن سیال در جهت معکوس دستگاه را با آسیب جدی روبرو خواهد کرد

 در صورت انجام تعمیرات در لوله و اتصالات بالادست دستگاه بازرسی فنی دستگاه ها و مسیر عبور جهت حصول اطمینان از عدم وجود قطعات و اجسام اضافی کمک بسیار زیادی در سلامت عملیات و عمر دستگاه خواهد نمود

 بعد از تعویض احتمالی هر قطعه از دستگاه یا انجام هرگونه فعالیت تعمیراتی مجدداً بایستی آن را مطابق با دستورالعمل های سازنده واسنجی و تنظیم نمود

oval Gear Type Flowmeter

یکی از پرکاربردترین PD Meter ها  نوع چرخ دنده  ست آن است.  ست این دستگاه شامل یک بدنه دوچرخه دنده و محور مکانیکی می باشد که توسط آن گردش چرخ دنده که حاصل از عبور جریان است به شمارنده و یا بخش الکترونیک منتقل می شود . تعداد دورهای چرخ دنده متناسب با مقدار یا تعداد حجم ثابت عبور داده شده توسط دستگاه می باشد.

 نوع معمول این دستگاه در اندازه ۲۵ صدم الا ۱۶ اینچ ساخته میشود. نمونه خواص آن نیز برای شرایط ویژه ساخته و کاربرد دارد. همچنین نمونه دیگر از این دستگاه برای اندازه گیری جریان سیال معادل هشت دهم لیتر در ساعت ساخته شده است. است در این نوع خواست به لحاظ اینکه میزان جریان به اندازه نیست که بتواند چرخدنده ها را به حرکت درآورد از سروو موتور یا موتور فرمان یار استفاده میشود نمونه ویژه از این دستگاه نیز در اندازه تا یک اینچ ساخته شده است که به لحاظ عمیق نبودن دنده چرخ دنده ها دارای کاربرد در سیالات با گرانروی و چگالی بالا می باشد

 دستگاه اندازه گیری حجمی رفت و برگشتی

 این نوع دستگاه اندازه گیری حجمی جریان کرد قدیمی ترین نوع آن نیز می باشد در شکل و طرح های گوناگون ساخته می شود

 شکل زیر به طور نموداری این دستگاه رفت و برگشتی را نمایش می دهد

 شکل زیر نمونه دو پیستونی از دستگاه رفت و برگشتی را نمایش می دهد با ورود مایع و فشار آوردن به پیستون سمت چپ پیستون سمت راست در جهت عکس و به طرف بالا حرکت میکند. در این حالت مایع موجود در قسمت فوقانی پیستون سمت راست به طرف خروجی هدایت می شود. در نتیجه دستگاه آماده است تا مایع بالای پیستون سمت چپ را به طرف بیرون هدایت و بالای پیستون سمت چپ را از مایع ورودی پر کند. در مرحله بعد وضعیت دو پیستون عکس حالت قبلی خواهد بود. به این صورت متناسب با میزان جریان سیال رفت و برگشتی پیستون ها ادامه می یابد. ظرفیت بالای هر پیستون ثابت و تعداد این احجام توسط شمارنده شمرده می شود.

Nutating Type Meter

نام این دستگاه با توجه به چرخش موضوع و منظم محور بالای دست پا در هنگام کار انتخاب شده است طرز کار دستگاه با توجه به شکل با پر شدن فضای بالای بخشی از دیسک و گلوله متصل به آن شروع به چرخش می کند. در نتیجه محور بالای دستگاه نیز متناسب با آن دور یک چرخ دنده میچرخد به عبارتی محور متصل به گلوله چرخش وضعی به شعاع چرخ دنده بالای دستگاه دارد که این چرخش به چرخ دنده منتقل میشود. تعداد دوره های محور دقیقاً برابر تعداد دفعات پر و خالی شدن فضای بالای دیسک است . ضعف این طراحی را می توان از امکان نشتی و در نتیجه کاهش نسبی دقت عنوان کرد از دیگر ویژگی های دستگاه فوق هزینه نگهداری کم به لحاظ عملکرد ساده آن می باشد.

 دستگاه اندازه گیری جریان از نوع پیستون نوسانی

 بیشترین کاربرد دستگاه نوع پیستون نوسانی و یا چرخشی در اندازه گیری میزان جریان آب منازل است . پیستون چرخشی داخل محفظه دستگاه حول محوری روی محیط دایره داخل دستگاه امکان چرخیدن دارد.

 در حالت عادی که جریانی از دستگاه نداریم پیستون در حالت تعادل بوده و در قسمت فوقانی محفظه قرار دارد. در این حالت پیستون مانع برقراری ارتباط بین ورودی و خروجی دستگاه میشود. به محض ایجاد اختلاف فشار که بیانگر برقراری جریان است پیستون به سمت چپ منحرف شده و حرکت چرخشی خود را آغاز می‌کند. در یک دور کامل در جهت عکس عقربه های ساعت به میزان یک حجم ثابت مایع از دستگاه خارج میشود. هرچه میزان سرعت سیال و در نتیجه جریان سیال بیشتر باشد تعداد دور هایی که توسط پیستون زده میشود بیشتر خواهد بود در نهایت با شمارش تعداد دور ها میزان جریان عبوری قابل محاسبه است.

 سازنده های مختلف ممکن است که دستگاه هایی با عملکرد مشابه ولی با نام گذاری خارج از چهار دسته بندی بالا طراحی و تولید کند اما آنچه مهم است استفاده از تکنیک بسیار ساده نمونه گیری از جریان و تکرار منظم نمونه برداری از سیال در تمام روش های فوق است.

 استفاده از تکنیک حجمی در اندازه گیری جریان گاز ها

 اندازه گیری جریان گاز ها نسبت به مایعات دارای ملاحظات و ظرافت های خاص خود است. اما زمانی که اندازه گیری جریان گاز زیاد بحرانی نباشد امکان استفاده از بعضی روش ها حجمی نیز وجود دارد. شکل زیر ساختمان یک نمونه از کنتور گاز قابل نصب در مبادی ورودی مصرف کنندگان خانگی با فشار نسبتاً پایین و ظرفیت مصرف کم را نشان میدهد.

 آنگونه که در شکل زیر نشان می‌دهد دستگاه دارای دو فانوس ۱ به  شماره ۲ و ۳ و همچنین دو فضای ۱ و ۴ است. این فانوس ها که توان تحمل گاز با فشار بسیار پایین را دارد به ترتیب پر و خالی میشود. پر و خالی شدن پانوس ها تحت کنترل بوده و همزمان است با حرکت لرزشی شیرهای بالایی دستگاه که مجرای ورودی و خروجی خانم ها را کنترل میکند. حرکت رفت و برگشت شیر ها توسط محوری به بیرون منتقل و شرایط شمارش و پر و خالی شدن محفظه ها فراهم می شود. توضیحات بیشتر روی شکل ها داده شده است

 

مطالعه در مورد PID Controller