ترانسمیتر اختلاف فشار

 

 

Differential pressure اندازه گیری جریان به روش اختلاف فشار به لحاظ سادگی و ارزان بودن و همچنین به دلیل اینکه مبتنی بر اصول اثبات شده علمی است دارای کاربردهای بسیار زیادی در اندازه گیری جریان مایعات و گازها می باشد.( ترانسمیتر اختلاف فشار )

با این وجود اندازه گیری جریان سیالات به روش اختلاف فشار بدون ضعف نیست. از جمله ضعف های این روش پایین بودن صحت و دقت در ۱۵ درصد ابتدایی گستره اندازه گیری و وجود خطای زیاد در این ناحیه و همچنین ایجاد افت فشار تحمیلی در خط لوله است.

 

 

همانگونه که می دانیم اساس اندازه گیری بر این امر استوار است که با قرار دادن عنصری در مسیر جریان سیال یک اختلاف فشار در دو طرف این عنصر ایجاد میکنیم. اختلاف فشار در دو طرف عنصر فوق که به راحتی قابل اندازه گیری می باشد متناسب با میزان جریان سیال است.

 

اندازه گیری با روش اختلاف فشار

 

 

 نکته:  به علت غیر خطی بودن خروجی دستگاه نسبت به جریان در ۲۵ درصد ابتدایی گستره اندازه گیری تقسیمات بسیار نزدیک به هم و در عوض در ۲۵ درصد چهارم گستره اندازه گیری تقسیمات پرت است لذا در ۲۵% ابتدایی گستره اندازه گیری و به ویژه در ۱۵ درصد اولیه دقت دستگاه کم است. (ترانسمیتر اختلاف فشار )

 اساس علمی Differential pressure اندازه گیری جریان به روش اختلاف فشار

---

 

طبق قانون برنولی مجموع سطوح اندازه گیری در دو طرف عنصر ایجاد اختلاف فشار در لوله با هم برابر است در نتیجه این رابطه به صورت زیر برقرار است 

 

 

z=ارتفاع مرکز لوله نسبت به مبنا

P: فشار مطلق سیال

p: وزن مخصوص  سیال

v: میانگین سرعت  سیال

g: شتاب ثقل

 رابطه بالا در شکل زیر صدق می کند 

 

متغیرهای مورد استناد در رابطه برنولی

 

 

با توجه به اینکه برای کسب نتیجه دقیق در اندازه گیری عنصر ایجاد اختلاف فشار در خطوط لوله قرار می گیرد به طور معمول ارتفاع z1 و z2  با هم برابر است. در نتیجه این متغیر از دو طرف رابطه بالا حذف میشود از جانب دیگر مطابق با قانون پیوستگی داریم:

به طوری که:

 

V1.A=V2.A

یا

 

V1=V2.[a/A]

 

A  سطح مقطع لوله

a سطح مقطع روزنه ایجاد اختلاف فشار

معرفی عناصر ایجاد اختلاف فشار

---

 

 با یادآوری مجدد این موضوع که تمام عناصری که در این روش اندازه گیری جریان مورد استفاده قرار می‌گیرند از اصول واحد و یکسان پیروی کرده و نقش آنها مشابه می باشد مهمترین ابزاری که در اندازه گیری جریان سیالات با آن ایجاد اختلاف فشار میکنیم عبارتند از:

 

1. Orifice Plate
2. Venturi Tube
3. Flow Nozzle
4. Elbow Tap
5. Pitot Tube
6. Annubar

در ادامه با برخی از اینگونه ادوات آشنا می شویم. ( ترانسمیتر اختلاف فشار )

 

Orifice Plate:

---

ارفیس پرکاربردترین وسیله در این روش اندازه گیری جریان سیالات است و دارای کاربرد در مایعات و گازها و بخار ها می باشد.ارفیس  از یک صفحه( معمولاً فلزی و از جنس فولاد ضد زنگ) ساخته می شود که دارای این صفحه یک روزنه ای کوچکتر از قطر لوله جهت ایجاد اختلاف فشار وجود دارد. سطح مقطع این روزن حتی محاسباتی دقیق و با در نظر گرفتن شرایط فرایندی و ویژگی های متعلق به سیال به دست می آید

 ضخامت ارفیس:

 ضخامت صفحه ارفیس  تابعی از اندازه گیری لوله( قطر خارجی) دمای سیال فشار فرایندی و اختلاف فشار ایجاد شده در دو طرف ارفیس  می باشد. این رقم در محاسبات ارفیس به دست می آید

 

 

در ارفیس های محدودکننده گاهی اوقات به ارقامی بالاتر از مقادیر ذکر شده در جدول بر می خوریم که بیشتر به شرایط فرآیندی و نظر طراح بستگی دارد.

 شکل زیر نیز برش عرضی از یک لوله با آفیس و منحنی اختلاف فشار ایجاد شده روی آن را نشان می دهد.

 

برشی عرضی از یک لوله ی حاوی ارفیس و منحنی اختلاف فشار به انضمام محل های پیشنهادی انشعاب

 

روزنه ارفیس  الزاما همیشه به صورت گرد وسط صفحه قرار ندارد. به بیانی با توجه به شرایط سیال طراحی شکل و محل قرار گرفتن آن متفاوت می باشد.  شکل زیر دو نمونه دیگر از ظرفیت را نشان می دهد. چیز های نشان داده شده از نوع روزنه غیر متمرکز (Eccentric Orifice Bore ) و روزنه قطاعی (Segmental Bored Orifice)است که کاربرد هر دو برای اندازه گیری جریان مایعات دوغابی یا مایعات حاوی ذرات جامد می باشد.

 

شکل ظاهری انواع ارفیس

 نحوه نصب ارفیس:

ارفیس بین دو اتصال قرار داده می‌شود که بین هر اتصال و صفحه ارفیس  نیز یک واشر وجود دارد. جنس و محدوده تحمل فشار اتصالات واشر و حتی پیچ و مهره های مربوطه بایستی با شرایط فرایندی و مشخصات طراحی لوله متناسب و یکسان باشد. شکل زیر قطعات مورد نیاز و نحوه نصب ارفیس  را نمایش میدهد.

 یکی از مهمترین ادوات مورد استفاده در این بخش نوع اتصالات و واشر های مربوطه است. بدیهی است این اتصالات از نظر نرخ تعامل فشار و جنس قطعات بایستی کاملاً با ویژگی های خط لوله همخوانی داشته باشد. اتصالات و واشر خود دارای سه گونه است که جدای از جنس آن انواع زیر می تواند برای کاربرد های مختلف به کار گرفته شود:

1.  اتصالات تخت(Flat Face) و یا FF: این نوع واشر و اتصال در صنعت نفت زیاد کاربرد ندارد و بیشتر در خطوط لوله انتقال آب و با فشار پایین استفاده میشود. واشر استفاده شده در این اتصال یکبار مصرف میباشد.
2.  اتصال لبه دار(Raise Face)  و یا RF:  این نوع واشر و اتصال که تا کلاس زیر ۹۰۰ قابلیت استفاده را دارد دارای بیشترین کاربرد در صنعت نفت می باشد. واشر استفاده شده در این اتصال نیز یکبار مصرف می باشد
3.  اتصال حلقوی(Ring Type Joint) و یا RJT: این نوع واشر و اتصال با نرخ بالاتر از کلاس ۹۰۰ دارای قابلیت استفاده در سرویس های ویژه بوده که در صنعت نفت نیز کاربرد دارد.

Venturi Tube: 

---

 

عناصر ایجاد اختلاف فشار سبب ایجاد افت فشار در خطوط لوله های عملیاتی می شود هرچند معمولاً اختلاف فشار ایجاد شده کمتر از یک بار است اما همواره مجاز به ایجاد اختلاف فشار به این میزان نیستیم به این منظور از  عنصر دیگری به جای ارفیس  استفاده می شود که دارای همان قابلیت های ارفیس  بوده ولی به دلیل طولانی تر بودن مسیر ایجاد اختلاف فشار و همچنین ممانعت از اعمال تلاطم در مسیر جریان سیال می تواند در اندازه گیری جریان بخار و گازها کاربرد بیشتری داشته باشد این عنصر که به عنوان بخشی از لوله در مسیر سیال قرار می گیرد  همچون ارفیس  باعث ایجاد اختلاف فشار در مسیر جریان شده و همان کاربرد را دارد.

 

venturi Tube

 

اصول ایجاد اختلاف فشار اندازه گیری اختلاف فشار تناسب اختلاف فشار با میزان جریان سیال و اصول نصب و انشعاب گرفتن در ونچوری تا حدودی با شرایط ارفیس  یکسان است. با توجه به شکل زیر در این عنصر به واسطه وجود دوبخش همگرا ( محلی که قطر لوله در حال کاهش است) و بخش واگرا( قطر لوله شروع به افزایش میکند) شرایط را برای اندازه گیری جریان بخار و مایعات دوغابی راحت تر می نماید.  ( ترانسمیتر اختلاف فشار )

در حقیقت بخش واگرا سبب کاهش حساسیت مجموعه اندازه گیری به پروفایل جریان شده و بخش واگرا باعث حذف جریان های گردابی خواهد شد لازم به ذکر است در ارفیس   درست بلافاصله بعد از مجرا سیال دچار تلاطم و جریان گردابی شدیدی می‌شود که در بعضی از اندازه گیری ها ایجاد خطا می نماید. اما در  ونچوری این ضعف نیز برطرف شده است.

 

 

 

نکته دیگر اینکه در بخش همگرا سرعت صیاد افزایش و فشار کاهش یافته و در بخش واگرا حالت عکس رخ داده و سرعت سیال رو به کاهش( تا قبل از ورود به ناحیه همگرا) و فشار رو به افزایش( تا کمتر از ورود به ناحیه همگرا) خواهد رسید. آنچه در اندازه گیری برای ما مهم است اختلاف فشار ایجاد شده در جریان هنگام عبور از مسیرهای همگرا و واگرا های این عنصر است.

 ویژگیهای venturi Tube:

1.  ایجاد اختلاف فشار بسیار کم در لوله
2.  دارای کاربرد در اندازه گیری جریان مایعات و گازها و بخار
3.  دارای کاربرد در اندازه گیری جریان سیالات با سرعت بسیار بالا
4.  دارای کاربرد در اندازه گیری جریان سیالات با حجم بسیار بالا
5.  دقت ۱ درصد
6.  قابلیت تغییر دامنه
7.  قیمت بسیار گران نسبت به ارفیس

 

Flow Nozzle :

---

 

ساختمان این عنصر نیز تا حدودی مانند venturi Tube با کاربرد و عملکرد یکسان می باشد. به علاوه کاربرد در اندازه گیری جریان سیال های با دمای بسیار بالا و سرعت بالا می تواند آن را از دیگر عناصر مشابه اختلاف فشاری متمایز سازد.

 

 

 

 ویژگی های Flow Nozzle:

1. ایجاد افت فشار بیشتر نسبت به ونچوری
2.  دارای کاربرد در اندازه گیری جریان مایعات گازها و بخار
3.  دارای کاربرد در اندازه گیری جریان سیالات با سرعت بالا و حجم بسیار بالا
4.  دقت ۱ درصد
5.  قابلیت تغییر دامنه
6.  قیمت نسبتا گران نسبت به ارفیس

 

 

Elbow Tap: 

---

 

گاهی اوقات به لحاظ محدودیت در فضای نصب عنصر ایجاد اختلاف فشار و یا محدودیت های فرایندی در ایجاد افت فشار از خاصیت ذاتی عناصر و اتصالات موجود در خطوط لوله استفاده می نماییم. ( ترانسمیتر اختلاف فشار )

Elbow Tap  نمونه ای از این نوع می باشد. در ضمن این عنصر زمانی به کار برده میشود که دقت بالایی در اندازه گیری مورد نظر نباشد.

اساس ایجاد اختلاف فشار در زانوی مبتنی بر تاثیر نیروی گریز از مرکز روی جداره های زانوی است که میزان نیرو و سرعت سیال در هر ناحیه ای به شعاع جداره زانویی بستگی دارد.

باتوجه به پروفایل جریان ایجاد شده در زانوی با زاویه ۹۰ درجه فشار سیال در جداره های زانویی متفاوت بوده و اختلاف فشار فوق متناسب با سرعت سیال( یا میزان جریان سیال) می باشد.

بدیهی است در این روش اندازه گیری جریان سیال به جای استفاده از زانوی های معمولی از زانوی های مخصوص اندازه گیری استفاده می شود که جداره داخل آن کاملا صیقلی بوده و از عدم وجود هرگونه پلیسه داخل آن یا بیضوی شدن مجرای زانوی باید کاملا مطمئن باشیم.

 

 

Pitot Tube: 

---

 

این عنصر نیز از زمانی کاربرد دارد که محدودیت فراوانی در ایجاد اختلاف فشار وجود داشته باشد. هر چند ویژگی لوله پیتوت با زانوی از نظر اعمال  افت فشار بسیار کم یکسان است. اما این عنصر در مقایسه با زانوی از اصول علمی معتبر تر و دقت بسیار بالاتری برخوردار است.

 

 

 اساس اندازه گیری در پیتوت تیوب:

 

 

 

 فشار ناشی از سرعت سیال به مجرای میان لوله پیتوت اعمال می شود. این فشار حاصل جمع فشار استاتیک خط و فشار ناشی از سرعت سیال است. حال اگر فشار سیال را هم داشته باشیم اختلاف این دو فشار فشاری است که ناشی از سرعت بوده. ( ترانسمیتر اختلاف فشار )

 روی جداره لوله پیتوت تعداد معدودی مترو وجود دارد لذا چون در مسیر مستقیم جریان سیال قرار ندارد فشار استاتیک و یا فشار فرآیندی لوله را نمایش می دهد. اما به دلیل که لوله میانی در مسیر مستقیم جریان سیال قرار دارد  جمع ۲ فشار استاتیک و فشار ناشی از جریان سیال را در خود تحمل میکند.

  نکته مهم در این عنصر این است که چون سرعت سیال در بخش‌های مختلف مقطع لوله با هم متفاوت است، زمانی اندازه گیری دقیق خواهد بود که عنصر اندازه گیری در محلی از جریان سیال قرار داده شود که میانگین سرعت سیال در آن نقطه وجود دارد. برخی از سازندگان برای فرار از این حالت بی تفاوت های از نوع چندم طراحی تولید کردند که مجراهای مختلف در مسیر جریان قرار گرفته و با میانگین گرفتن از خروجی های فوق در محاسبات میانگین جریان به دست خواهد آمد.

Annubar: 

ادامه در مقاله بعد

 

برای مطالعه بیشتر در مورد مدباس قسمت اول اینجا کلیک کنید.

---