اصول و مبانی ابزاردقیق: بخش هشتم – مبدل های سیالات (2)

فلومتر چیست – (Flow Transducers)

فلو (دبی یا جریان)، مقدار سرعت حرکت یک ماده (سیال) را بیان می ­کند. به تعریف بسیار ساده، دبی (Debi) عبارت است از سرعت جا به جايي سيالات.

فلو را مي توان به سه صورت بيان کرد:

• فلو حجمي (Volumetric Flow)
• فلو جرمي (Mass Flow)
• فلو سرعت (Velocity Flow)

فلو حجمي (Q):

ميزان حجم يك سيال كه از يك نقطه در واحد زمان عبور می کند. واحد آن متر مكعب در ثانيه (m³/s) يا (gal/min) مي­ باشد.

فلو جرمي (Q_m):

توانایی سنجش جریان جرمی سیال عبوری را دارا بوده و با واحد جرم در زمان (ثانیه) مثل (kg/s) بيان مي­ گردد.

فلو سرعت (Q_v):

در نظر گرفتن تناسب سرعت تغییر یک ماده با سرعت سیال عبوری به سنجش جریان حجمی می انجامد و با واحد m/s معرفی می شود.

اين سه كميت به روش زير با هم مرتبط مي­ باشند:

که در آن ρ چگالي سيال و A سطح مقطع لوله مي ­باشد.

 

فلو مي ­تواند به دو صورت آرام و لامینار (Laminar) و یا آشفته (Turbulent) توصيف گردد.

در حالت فلو لامينار، سيال به صورت موازي با ديواره هاي لوله و با لغزش آرام با يك شكل واحد، حركت مي­ كند. در صورتی كه در فلو “توربولنت”، سيال در لوله دچار تغييرات ناگهاني شده و چرخش دارد. در هر لحظه و يا در هر نقطه، ميزان فلو امکان تغييرات ناگهاني دارد. نوع مبدل نيز مي­بايستي بر حسب نوع فلو تغيير کند. گاهی اوقات خود مبدل هم ممكن است تا حدودي موجب ایجاد آشفتگی در جریان سيال گردد.

ميزان آشفتگی (یا آرامی) به صورت كمي، توسط عدد رينولدز (Reynolds Number) بيان مي­ گردد:

که در آن:

N = عدد رينولدز

Q_v = سرعت فلو

d = قطر لوله

    ρ = چگالي

 µ = ويسكوزيته

 

می باشد که در N > 4000، فلو آشفته و براي N < 2000، فلو آرام است.

طبقه بندی فلومترها 

نوع سيالي كه فلوی آن اندازه گيري می شود؛ نوع مبدل را تعیین خواهد کرد. از پارامترهايي كه با تغيير نوع سيال، تفاوت قابل توجهی در آن به چشم می خورد، چگالي ماده است. ماده مورد نظر، در یک طبقه بندی، ممكن است هموژن (Homogeneous) و يا قطعه قطعه (Large Chunks) باشد. در تقسیم بندی دیگری، می تواند “عايق” الكتريكي و يا “هادي” جریان الکتریسیته باشد؛ “سوزاننده” و يا “خنثي” باشد. چنین گوناگونی در طبقه بندی مواد، موجب ایجاد گونه های متنوعی از فلومترها شده است.

 

به صورت كلي، فلومترها را مي­ توان در دو گروه اصلی جای داد:

• مبدل هاي انسدادی (Obstruction)

از انرژي موجود در سيال جهت اندازه گيري استفاده می­ نمایند. به عنوان مثال، مي ­توان به فلومترهاي توربيني (Turbine)، چرخشي (Vortex)، صفحه اوريفيس، لوله ونتوري و لوله پيتوت اشاره کرد.

در زیر، ویدئوهایی از فلومترهای انسدادی اشاره شده را مشاهده می کنید:

 

• مبدل های غیر تماسی (Non-Intrusive) 

شامل فلومتر مغناطيسي (Electromagnetic) و اولتراسونيك (Ultrasonic) مي ­باشند.

 

• مبدل انسدادی:

قرار گرفتن مانع در مسیر عبور سيال، دو اثر بر جای می­ گذارد. يكی افت فشار در دو طرف مانع که سبب می شود تا فشار در قسمت ورودی افزايش و در قسمت خروجی كاهش پيدا کند؛ و دوم کاهش فلو است. اين اتفاق، زمانی روی می دهد كه مقاومتی به صورت سري با يك مدار قرار بگیرد. در نتیجه جريان، موجب افت ولتاژ اطراف مقاومت و نيز كاهش جريان كلي در مدار مي­ گردد.

 

1. صفحه اوریفیس (Orifice Plate)

صفحه اوريفيس، ساده ­ترين نوع از فلومترهای گروه اول با مانع است كه موجب افت فشار مي­ گردد. در این روش، صفحه ای با یک حفره در آن، بر سر راه عبور سيال قرار داده مي ­شود. تغییر فشار در دو طرف صفحه به وسیله يك فشارسنج ديفرانسيلي اندازه گيري مي ­شود.

شکل (1). ساختار مبدل انسدادی با صفحه اورفیس (Orifice Plate)

 

معادله برنولي (Bernoulli’s equation)، پايه و اساس مكانيك سيالات مي­ باشد. رابطه بين انرژي سينتيك و پتانسيل در دو نقطه از جريان يك سيال غير قابل فشرده شدن، عبارت است از:

 

که در آن:

                  Q = فلو

k = ثابت مشخص شده توسط هندسه اوريفيس و واحد اندازه گيري

P₂ = فشار قسمت قبل از صفحه

P₁ = فشار قسمت بعد از صفحه

توجه داشته باشيد كه فلو متناسب است با ريشه دوم افت فشار. بنابراين سيگنال خروجي مبدل فشار به كار گرفته شده در این سیستم، باید به روشی پردازش گردد كه ريشه دوم آن گرفته شود تا سيگنالي که توليد می شود، به صورت خطي با فلو تغيير كند.

مزیت صفحه اوريفيس:

• طراحي و ساخت ساده و نصب آسان
• كاهش هزينه نگهداري به علت طراحی ساده
• مناسب براي انواع سيالات بدون اجرام معلق به کار رفته در آن ها

معايب صفحه اوريفيس:

• خروجي یا اختلاف فشار غير خطي، در اين روش
• خروجي بزرگ تر یا برابر با افت فشار بيش تر و در نهایت، باركردن سيستم
• مسدود شدن صفحه اوريفيس به علت قرارگیری ناگهانی مانع در مسیر سیال

 

2. لوله ونتوري (Venturi Tube)

در اين روش، به جاي مانع ناگهاني در خط جريان سیال، قطر لوله به آرامی كاهش یافته و سپس دوباره افزايش پيدا مي ­كند. اين روش، پيچيده ­تر و گران قيمت تر از روش اوریفیس مي ­باشد ولي در مقابل، خطاي سیستم و احتمال گرفتگي لوله نیز کاهش می یابد. در زمان نصب آن، به مجموعه ای از تجهیزات اضافه سيستم لوله كشي، نیاز است.

شکل (2). ساختار مبدل انسدادی با لوله ونتوری (Venturi Tube)

 

3. لوله پيتوت (Pitot Tube)

در اين روش با به کار گرفتن يك لوله در مقابل جريان سيال و لوله ديگری که به صورت غیرمستقیم در ارتباط با سيال است؛ مي ­توان اختلاف فشار ضربه ­و فشار ايستا را كه با فلو ارتباط دارند؛ اندازه­ گيري نمود. اين روش براي جريان گازها بسيار مناسب است. هم چنین از اين سنسور در برخي از هواپيماها جهت اندازه ­گيري سرعت عبور هوا استفاده شده است. از كاربردهای دیگر اين سنسور، می توان به اندازه گيري جريان خون نیز اشاره کرد. اما در كاربردهاي صنعتي آن، احتمال مسدود شدن لوله در اثر وجود ذرات در سيال، بسیار بالا است.

 

شکل (3). ساختار مبدل انسدادی با لوله پیتوت (Pitot Tube)

 

حركت سيال در يك لوله، نيرويي به هر آن چه در مسیرش وجود داشته باشد، وارد مي­ كند که با فلو متناسب مي­ باشد. اين نيرو را مي ­توان برای نشان دادن میزان فلو اندازه گيري نمود. اين ايده در فلومترهاي نوع بیم کانتیلور (Cantilever beam) و روتامتر (Rotameter) به كار گرفته می شود.

 

4. بیم کانتیلور (Cantilever beam)

این روش در شكل زير نمایش داده شده است. فلو، نيرويي را بر هدف (Target) وارد مي ­كند. اين نيرو را مي­ توان با كرنش سنجي كه روي ميله متصل به هدف نصب شده است، اندازه ­گيري نمود. براي جبران حرارت مربوط به سيال، بايستي از چهار كرنش­ سنج استفاده کرد. با استفاده از این روش، فلو در هر دو جهت، قابل اندازه گيري خواهد بود و پلاريته ولتاژ قرائت شده، نشان دهنده جهت جريان سيال خواهد بود.

 

شکل (4). ساختار مبدل انسدادی با بیم کانتیلور (Cantilever beam)

 

معایب این روش:

• سيم ارتباطي كرنش سنج را باید از درون لوله به بيرون آن منتقل نمود كه خود اين موضوع نیز به روشی مناسب جهت آب بندي آن نیاز دارد.
• در اين نوع فلومتر نيز مشكل گرفتگي مسير جريان، مانند سایر سنسورهايي كه با مكانيزم مانع، كار مي­ كنند؛ وجود دارد. پس خرابي هدف نيز محتمل است.
• در اين روش نيز افت فشاری اطراف ميله ایجاد می شود كه مقدار آن، از روش اوريفيس، پایین تر است.

 

5. روتامتر (Rotameter)

شکل اين فلومتر، در انتهای مبحث، مشاهده می شود. فلو به هدف نيرو وارد می کند و در وضعيتی خاص كه نيروي ناشي از فلو با نيروي مقاومت فنر به تعادل برسد، مي ­توان جا به جايي فنر را از طريق يك مبدل فاصله مانند LVDT، اندازه گيري نمود كه متناسب با فلو مي­ باشد. با توجه به چنین ساختاری در اين فلومتر، بايد توجه داشت تا این مبدل، هیچ گاه به صورت عمودي نصب نشود.

 

شکل (5). ساختار مبدل انسدادی با روتامتر (Rotameter)

 

در اين فلومتر نيز، افت فشار قابل توجهي وجود دارد كه خود سبب بروز خطا در سيستم اندازه گيري خواهد شد. به جاي ايجاد يك حركت يا جا به جايي خطي، مي ­توان فلو را با ايجاد دوران، اندازه گيري نمود. با اندازه گيري سرعت دوراني، مي توان فلو را مشخص نمود.

 

 

6. Paddle wheel

چنان چه در تصویر زیر مشاهده می شود؛ پروانه ای با چهار تيغه كه به انتهاي هر کدام از آن ها آهن ربای دائمی متصل است، به گونه اي در مسير جريان سيال قرار داده شده است كه با عبور سيال به چرخش در مي­ آيد. در بدنه اين فلومتر يك ترانزيستور با اثر هال نصب شده است كه گذر تيغ ها را آشكار مي­ كند. اين ترانزيستور هر بار كه تيغه مغناطيسي از مقابل آن عبور مي ­كند، به حالت اشباع مي­ رود. بنابراين خروجي اين ترانزيستور به صورت پالس مي ­باشد که متناسب با فلو است.

 

شکل (6). ساختار مبدل انسدادی با Paddle wheel

 

از آنجا كه افت فشار در اين فلومتر بسيار كم است، مشكل خاصي در اين زمينه وجود ندارد. به این علت که خروجي به صورت پالس است و به آسانی در مدارات ديجيتال و يا ميكروكنترلرها قابل استفاده مي ­باشد. به دليل وجود تنها چهار تيغه و در نتيجه چهار پالس در هر دور كامل، براي فلوهاي كم، باید به جاي شمارش پالس ­ها، فاصله زماني بين پالس ­ها را اندازه­ گيري نمود.

براي کاهش احتمال ایجاد مانع توسط تيغه ها مي ­توان به جاي آن ها از يك “مكانيزم توربين شكل” استفاده کرد. در شكل زير يك نمونه از اين فلومترها مشاهده می شود:

شکل (7). ساختار مبدل انسدادی با مكانيزم توربين شكل در Paddle wheel

 

در اين نوع از فلومتر، ديگر مغناطيس دائم در سر تيغه ها نصب نشده و در مقابل، تيغه ­ها از جنس مواد با رلوكتانس پایین، ساخته مي­ شوند و يك پيكاپ مغناطيسي براي آشكارسازي به كار گرفته می شود. هم چنین می­ توان از سنسورهاي نوري جهت آشكارسازي چرخش استفاده نمود.

در چنین فلومترهایی كه فلو با فركانس چرخش، متناسب است، كاليبراسيون، به درجه حرارت سيال، ويسكوزيته سيال، افت فشار و توربولان سيال وابسته می شود.

بعضي اوقات، برای ممانعت از شكستن تيغه ها توسط ذرات معلق در سيال، باید از صاف كننده جريان (Straightener) جهت حذف توربولان به همراه يك صافي استفاده کرد.

 

تمامي فلومترهايي كه تا به حال مورد بررسي قرارگرفته اند، به نوعي از انرژي موجود در سيال جهت توليد اثري كه قابل اندازه گيري است، استفاده شده است. به همين دليل در اندازه گيري فلو با چنین روش هایی می توان موجب كاهش فلو شد.

 

• مبدل غیر تماسی

در اندازه­ گيري­ هاي روش غير تماسی (Non-Intrusive)، سيستم اندازه ­گيري هيچ باري براي سيال ايجاد نمي­ كند.

 

1.  فلومتر الكترومغناطيسی

اگر سيال مورد نظر تا اندازه قابل قبولي هادي باشد (مانند آب)؛ مي­ توان از فلومترهاي الكترومغناطيسي استفاده کرد. اصول كار اين نوع فلومترها در شكل زير نشان داده شده است:

 

شکل (8). ساختار مبدل غیرتماسی با سیستم الکترومغناطیس (Electromagnetic)

 

در اين نوع فلومتر، بايستي قسمتي از لوله كه فلو در آن اندازه گيري مي­ شود؛ غير هادي باشد. نوع مواد استفاده شده در اين بخش، به دماي سيال و نيز ميزان خورنده بودن آن بستگی دارد.

يك ميدان الكترومغناطيسی به صورت عمود بر مسير جريان سيال قرار داده مي ­شود. واضح است که اگر يك هادي، اين ميدان را قطع كند ولتاژی القايي با زاويه 90 درجه نسبت به ميدان و هم جهت با حركت به وجود خواهد آمد. اين ولتاژ در حد ميكروولت است. جهت استفاده از اين ولتاژ القايي، الكترودهايي در دو طرف لوله و در راستاي ولتاژ القاء شده نصب مي­ گردند. اين ولتاژ القايي به صورت خطي، متناسب با سرعت فلو V، شدت ميدان مغناطيسي B و قطر لوله D مي­ باشد:

از مزاياي اين نوع فلومتر، مي توان به موارد زیر، اشاره کرد:

• عدم افت فشار
• امکان تشخیص جهت جریان
• عدم وجود مانع و عامل مسدود کننده لوله در مسير عبور سيال

و معایب آن:

• قیمت بسیار بالا
• نكته مهم اين است كه سيال باید هادي باشد. تحريك ميدان الكترومغناطيس مي ­تواند به عنوان يك مشكل قلمداد شود. استفاده از سيگنال AC در مقايسه با سيگنال DC، ولتاژ بالاتری را ايجاد مي­ نمايد اما اين مسئله مي­ تواند مشكلاتي از قبيل اثرات خازني سيال را ايجاد نمايد. بنابراین بهترين روش، استفاده از پالس DC مي­ باشد كه خود اين موضوع نیز، به مدارات تحريك و نيز مدارات اندازه ­گيري پيچيده­ تري نیاز دارد.

با مشاهده ویدئوی زیر، با عملکرد این فلومتر، بیش تر آشنا می شوید:

 

ویدئو (5). چگونگی عملکرد فلومتر الکترومغناطیسی (ElectroMagnetic)

 

2.  فلومتر اولتراسونيك

از ديگر روش هاي اندازه ­گيری فلوی غيرتماسی، مي­ توان از عبور امواج اولتراسونيك از ميان سيال را نام برد. ساختار يك نمونه از اين روش، در شكل زير نشان داده شده است:

 

شکل (9). ساختار مبدل غیرتماسی با سیستم اولتراسونيك (Ultrasonic)

 

در این روش، مبدل­ هاي به كار رفته، كريستال­ هاي پيزوالكتريك هستند كه هم قابليت فرستندگي و هم قابلیت گيرندگي سيگنال­ هاي اولتراسونيك را دارا می باشند. اين مبدل­ ها با زاويه 45 درجه نسبت به مسير جريان قرار مي­ گيرند. هر كدام از آن ها می تواند يك فركانس را ارسال کند. سيگنالي كه زمانی هر چند کوتاه را با فلو هم مسير مي­ شود، با فركانس بالاتری نسبت به فركانس فرستنده خود به گيرنده مي­ رسد. به همين ترتيب، سيگنالي كه در خلاف مسير جريان است؛ داراي فركانس كم تري خواهد بود. اين اختلاف فركانس در گيرنده، به صورت مستقيم با سرعت سيال متناسب مي­ باشد.

• فلومترهاي اولتراسونيك را مي­ توان براي سيالات غيرهادي و يا حتی گازها به كار برد.
• اين فلومترها نيز هيچ گونه مانعي بر سر راه عبور سيال ايجاد نمي ­كنند و براي نصب آن ها به آسانی مي توان فلومتر را از بيرون لوله متصل نمود كه چنین اندازه گيري براي اندازه گيري­ هاي موقت بسيار مفيد مي ­باشد.
• از عمده نقاط ضعف فلومترهاي اولتراسونيك مي ­توان بالا بودن بیش از اندازه قیمت (البته کم تر از نوع مغناطیسی) آن ها را دانست.

ویدئوی زیر، دریافت پررنگ تری از عملکرد فلومتر اولتراسونیک به دست می دهد: