فلومتر اریفیس ــ راهنمای جامع

فلومتر اریفیس یا صفحه اریفیس (orifice plate flowmeter) یکی از انواع فلومترهای اختلاف فشار است. این نوع فلومتر بیشتر برای مایعات تمیز، گازها و اندازه‌گیری فلوی جرمی مورد استفاده قرار می‌گیرد. فلومترهای اریفیس به دلیل قیمت ارزان و دوام بالا، بیشتر در کاربردهای پایدار مورد استفاده قرار می‌گیرند. در مطالب قبلی به بررسی فلومتر کوریولیس و فلومتر الکترومغناطیسی پرداختیم. در این مطلب قصد داریم به بررسی ساختار و اصول کاری فلومترهای اریفیس بپردازیم.

فلومتر اریفیس

همان طور که از نام آن مشخص است، فلومتر اریفیس از یک صفحه اریفیس تشکیل شده است که اساسی‌ترین المان آن است. زمانی که این صفحه در خط لوله قرار گیرد، در طول صفحه اریفیس یک اختلاف فشار به وجود می‌آيد. این افت فشار خطی است و با نرخ فلو مایع یا گاز متناسب است. چون مانند فلومتر توربینی در این فلومتر هم افت فشار به وجود می‌آید، پس باید از آن فقط در کاربردهایی استفاده کرد که افت فشار برای فرایند مجاز باشد.

اریفیس یک مجرا است و برای افت فشار باید از یک مانع استفاده کرد. یک نازل (nozzle)، ونتوری (venturi) و یا اریفیس‌های با لبه تیز و نازک می‌توانند به عنوان مانع فلو مورد استفاده قرار گیرند. برای استفاده از این وسایل در اندازه‌گیری باید آن‌ها را به صورت تجربی کالیبره کرد. برای این کار باید حجم مشخصی از سیال از فلومتر عبور داده شود و از نتایج آن برای استاندارد کردن سایر اندازه‌گیری‌ها استفاده کرد.

به دلیل ساختار ساده، اریفیس با لبه تیز و نازک به عنوان استاندارد انتخاب شده است و کارهای کالیبراسیون زیادی بر روی آن انجام شده است. به همین دلیل به صورت گسترده به عنوان ابزار استاندارد اندازه‌گیری فلو مورد پذیرش قرار گرفته است. به شرط وجود استانداردهای مکانیکی ساخت، کالیبراسیون اضافه لازم نیست. در تصویر زیر یک فلومتر درون لوله همراه با یک مانومتر برای اندازه‌گیری افت فشار تفاضلی هنگام عبور سیال از درون لوله نشان داده شده است. به کمینه سطح مقطع عرضی دهانه، فشردگی جریان (vera contracta) می‌گویند.

طرز کار فلومتر اریفیس

با نزدیک شدن سایل به صفحه اریفیس، فشار به صورت تدریجی افزایش می‌یابد و سپس با عبور از اریفیس به سرعت فشار افت می‌کند. این افت فشار تا رسیدن به نقطه فشردگی جریان ادامه دارد و سپس به تدریج افزایش می‌یابد تا در فاصله ۵ تا ۸ برابر قطر لوله در جریان پایین‌دستی  به نقطه ماکزیمم فشار می‌رسد، اما کمتر از فشار جریان بالادستی اریفیس است. کاهش فشار هنگام عبور سیال نتیجه افزایش سرعت آن هنگام عبور از ناحیه کوچک‌شده اریفیس است.

پس گذشت سیال از اریفیس سرعت کاهش می‌یابد و فشار به سمت بازگشت به مقدار اولیه افزایش می‌یابد. البته به دلیل اصطکاک و تلفات تلاطم در جریان، تمام فشار از دست داده بازیابی نمی‌شود. در تصویر، افت فشار در طول اریفیس با مقدار Δp نشان داده شده است و مقدار آن با افزایش نرخ فلو بیشتر می‌شود. اگر مقدار فلو صفر باشد، افت فشار نیز صفر خواهد بود. فشار تفاضلی با مربع سرعت متناسب است. بنابراین اگر تمام فاکتورهای دیگر ثابت بمانند، اختلاف فشار متناسب با مربع نرخ فلو خواهد بود. در تصویر زیر ساختار اریفیس نشان داده شده است.

مطابق تصویر فلومتر اریفیس از قسمت‌های مختلفی تشکیل شده که عبارتند از: بخش ورودی، صفحه اوریفیس و بخش خروجی. بخش ورودی یک قسمت خطی با قطری هم‌اندازه با لوله ورودی است و اتصال بین لوله و ورودی فلومتر است. صفحه اریفیس بین بخش ورودی و بخش خروجی قرار می‌گیرد تا افت فشار ایجاد شود و از روی آن مقدار فلو اندازه‌گیری شود. بخش خروجی نیز قسمتی خطی است که مانند ورودی قطری هم‌اندازه با لوله دارد و اتصال بین خروجی فلومتر و لوله‌ها را ایجاد می‌کند. در این بخش فشار سیال را اندازه‌گیری می‌کنیم.

همان طور که در تصویر نشان داده شده است، به منظور جلوگیری از نشتی بین  صفحه اریفیس و سطح فلنج از درزگیر استفاده می‌شود. در ورودی و خروجی محلی برای اتصال فشارسنج تفاضلی وجود دارد.

جنس و اندازه فلومتر اریفیس

صفحه اریفیس معمولا از استیل ضد زنگ با درجات مختلف ساخته می‌شود. همچنین شکل فلومترهای اریفیس بسته به ملزومات خاص هر کاربرد متنوع است. بر اساس شکل، اندازه و محل قرار گرفتن روزنه‌ در صفحه اریفیس، فلومتره اریفیس را به انواع زیر طبقه‌بندی می‌کنند.

• صفحه اریفیس متحدالمرکز (concentric)
• صفحه اریفیس غیر هم‌مرکز (eccentric)
• صفحه اریفیس سگمنتی (segment)
• صفحه اریفیس چندلبه‌ای (quadrant edge)

صفحه اریفیس متحدالمرکز از جنس استیل ضد زنگ ساخته می‌شود و ضخامت آن از ۳/۱۷۵ تا ۱۲/۷۰ میلی متر تغییر می‌کند. ضخامت صفحه در لبه‌های اریفیس نباید از پارامترهای زیر تجاوز کند:

1. D/۵۰ که D قطر درونی لوله است.
2. d/۸ که d قطر روزنه اریفیس است.
3. ۸/(D-d)

صفحه اریفیس غیر هم‌مرکز مشابه با نوع هم‌مرکز است، به جز اینکه سوراخ با لوله هم‌مرکز نیست و افست دارد. از این صفحه بیشتر در اندازه‌گیری فلو سیالاتی که حاوی ذرات جامد، روغن‌های شامل آب و بخار مرطوب (Wet steam) استفاده می‌شود. صفحات اریفیس نوع سگمنتی، روزنه‌ای دارند که نیم‌دایره و یا بخشی از یک دایره کامل است. قطر آن حدودا ۹۸٪ قطر لوله در نظر گرفته می‌شود. صفحه اریفیس چندلبه‌ای معمولا در سنجش فلو موادی نظیر نفت خام، سیروپ‌های با چگالی بالا و دوغاب‌ها کاربرد دارد. معمولا این نوع صفحه اریفیس زمانی مورد استفاده قرار می‌گیرد که اعداد رینولدز خط در محدوده بالاتر از ۱۰۰۰۰۰ و یا بین ۳۰۰۰ تا ۵۰۰۰ با ضریب دقت تقریبی ۰/۵٪ باشند.

نحوه عملکرد فلومتر اریفیس

ابتدا فلو به بخش داخلی ونتوری متر وارد می‌شود که فشار آن برابر با P1 است. با نزدیک شدن فلو به بخش همگرا کننده، فشار آن به تدریج کاهش می‌یابد و سرانجام در انتهای بخش همگرا کننده فشار به مقدار P2 می‌رسد و وارد بخش استوانه‌ای می‌شود. سنسور فشار اختلافی که بین بخش داخلی و بخش استوانه‌ای ونتوری متر نصب شده است، مقدار اختلاف فشار P1-P2 را نشان می‌دهد. این میزان اختلاف فشار رابطه مستقیمی با نرخ فلو جاری در ونتوری متر دارد. سپس سیال از بخش واگرا کننده عبور می‌کند و سرعت سیال کاهش یافته و تقریبا فشار اولیه خود را باز می‌یابد. با طراحی یک زاویه کمتر برای بخش واگرا کننده، می‌توان به بازیابی انرژی جنبشی بیشتر توسط سیال کمک کرد.

مزایای فلومتر اریفیس

• قیمت فلومترهای اریفیس نسبت به سایر انواع آن پایین‌تر است.
• به دلیل اینکه فلومترهای اریفیس برای نصب به فضای کمی نیاز دارند، برای استفاده در کاربردهای با محدودیت مکان بسیار ایده‌آل هستند.
• می‌توان پاسخ عملکردی آن‌ها را با دقت بالایی طراجی کرد.
• امکان نصب فلومتر اریفیس در سه جهت افقی، عمودی و شیب‌دار وجود دارد.

محدودیت‌های فلومترهای اریفیس

• به راحتی توسط ناخالصی‌های گازها و یا مایعات کدر مسدود می‌شود.
• به دلیل محدودیت‌های طول قسمت آشفتگی جریان در صفحه اریفیس، گاهی رسیدن به کمینه فشار لازم برای خواندن فلو دشوار است.
• برخلاف ونتوری متر، در فلومتر اریفیس نمی‌توان فشار پایین‌دستی را جبران کرد.
• در بخش‌های ورودی و خروجی به صاف‌کننده جریان نیاز است، در نتیجه منجر به افزایش هزینه و فضای لازم برای نصب می‌شود.
• صفحه اریفیس با گذر زمان دچار خوردگی و پوسیدگی می‌شود و درنتیجه خطا در اندازه‌گیری افزایش می‌یابد.
• ضریب تخلیه به دست آمده پایین است.

کاربردها

• گاز طبیعی
• تصفیه‌خانه‌های آب
• کارخانه‌های تصفیه روغن
• پتروشیمی و پالایشگاه

انتخاب فلومتر اریفیس

فلومتر اریفیس برای تمام اندازه‌های لوله‌ وجود دارد و به تجهیزات اضافه نیاز ندارد. همچنین این فلومتر برای اندازه‌گیری فلو در لوله‌های بزرگ (بیشتر از ۶ اینچ قطر) مقرون به صرفه است. فلومتر اریفیس توسط سازمان‌های استاندارد برای خطوط انتقال مایعات و گازها تایید شده است. معادله فلو اریفیس که از معادله برنولی استفاده می‌کند، هنوز به فرم متحدی دست نیافته است. اگرچه سازمان‌های استاندارد تلاش می‌کنند تا فرم یکسانی را برای معادلات فلو در فلومترهای اریفیس تصویب کنند. برنامه‌های سایزبندی اریفیس معمولا به کاربران اجازه می‌دهند که فرمول مورد نظر خود را از میان معادلات مختلف انتخاب کنند.

فلومتر اریفیس را می‌توان از مواد مختلف ساخت، اما معمولا برای ساخت آن‌ها از استیل ضد زنگ استفاده می‌شود. ضخامت صفحه مورد استفاده در آن‌ها از ۱/۸ اینچ تا ۱/۲ اینچ متفاوت بوده و تابعی از اندازه لوله، دمای فرایند، فشار و اختلاف فشار است. اریفیس‌های سنتی یک صفحه نازک دایره‌ای (با تب‌هایی برای جابجایی و داده‌ها) هستند که درون لوله و بین دو فلنج واحد اریفیس قرار می‌گیرند. این روش نصب ارزان است، اما هر بار که برای بازرسی یا تعمیر و نگه‌داری از خط جدا شودند، باید کل فرایند خاموش شود. اما روش نصب تطبیق اریفیس این امکان را فراهم می‌کند که بدون خاموش کردن خط، فلومتر را از مدار خارج کرد. در این روش، از یک صفحه اریفیس یکپارچه استفاده می‌شود که یک صفحه‌ دایره‌ای بدون هیچ زبانه‌ایی است.

صفحه اریفیس متحدالمرکز دارای یک روزنه تیز و مربعی است که یک ارتباط خط را بین صفحه و سیال به وجود می‌آورد و در مرزها مقدار اصطکاک ناچیز است. نسبت‌های قطرهای صفحات اریفیس که به آن بتا نیز می‌گویند، در بازه بین ۰/۲۵ تا ۰/۷۵ قرار دارند. بیشینه سرعت و کمینه فشار استاتیک معمولا در قطرهای ۰/۳۵ تا ۰/۸۵ قطر لوله پایین‌تر از صفحه اریفیس اتفاق می‌افتد. به این نقطه، نقطه فشردگی جریان می‌گویند. اندازه‌گیری فشار تفاضلی در مکانی نزدیک به صفحه اریفیس اثر ناهمواری لوله را کم می‌کند، زیرا اصطکاک بر روی سیال و دیواره لوله اثر می‌گذارد.

استفاده از تب‌های فلنجی (Flange taps) در آمریکا بسیار رایج است و در فاصله یک اینچی از سطح صفحه اریفیس نصب می‌شود. استفاده از آن‌ها برای خطوط با قطر زیر ۲ اینچ توصیه نمی‌شود. از طرف دیگر تب‌های گوشه‌ای (Corner taps) در اروپا برای تمام سایزهای لوله‌ها رایج هستند، اما در آمریکا فقط برای لوله‌های با قطر کمتر از ۲ اینچ مورد استفاده قرار می‌گیرند. در تب‌های گوشه‌ای روزنه‌های نسبتا کوچک منجر به مشکلات تعمیر و نگه‌داری می‌شوند. در تب‌های فشردگی جریان که به تب‌های شعاعی نزدیک هستند، یک قطر لوله بالاتر از صفحه اریفیس و پایین‌تر از نقطه فشردگی جریان قرار گرفته‌اند. این محل با تغییر نسبت بتا و عدد رینولدز از ۰/۳۵D تا ۰/۸D تغییر می‌کند.

تب‌های فشردگی جریان بیشینه مقدار فشار تفاضلی و نیز بیشینه نویز را ایجاد می‌کنند. علاوه بر این، اگر صفحه تغییر کند، ممکن است لازم باشد محل تب تعویض شود. همچنین در لوله‌های کوچک، تب‌های فشردگی جریان ممکن است زیر یک فلنج قرار بگیرد. بنابراین تب‌های فشردگی جریان معمولا در لوله‌های با اندازه بزرگتر از ۶ اینچ مورد استفاده قرار می‌گیرند. تب‌های شعاعی نیز مانند تب‌های فشردگی جریان هستند فقط با این تفاوت که تب پایینی در فاصله ۰/۵D از صفحه اریفیس قرار می‌گیرد. تب‌های لوله در فاصله ۲/۵ برابر قطر لوله و پایین‌تر از اریفیس قرار می‌گیرند. آن‌‌ها کوچک‌ترین مقدار اختلاف فشار را نیز تشخیص می‌دهند. به دلیل فاصله از اریفیس تاثیر زمختی لوله، ناهماهنگی‌های ابعاد و در نتیجه خطاهای اندازه‌گیری بیشتر است.

اگر این مطلب برای شما مفید بود، شاید به مطالب زیر نیز علاقه‌مند باشید:

ابزار دقیق پنوماتیک ــ به زبان ساده

فلومتر الکترومغناطیسی ــ از صفر تا صد

کنداکتیویتی‌متر ــ به زبان ساده

رفرکتومتر دیجیتال ــ اصول کار و ساختار

پریسماتک اولین تولیدکننده رفرکتومتر، فلومتر و کنداکتیویتی‌مترهای صنعتی در انواع مختلف است. برای راهنمایی در انتخاب این ابزارها با شماره های شرکت تماس بگیرید.

محصولات پریسماتک:

انواع رفرکتومترهای دیجیتال

انواع فلومترهای الکترومغناطیسی

انواع کنداکتیویتی مترها

منبع ۱