فلومتر ورتکس (Vortex flowmeter) یکی دیگر از انواع فلومترهای حجمی است که برای اندازه‌گیری فلو گستره وسیعی از سیالات مانند مایعات، گازها و بخار مورد استفاده قرار می‌گیرد. فلومتر ورتکس در واقع یک شمارشگر فرکانس است که فرکانس جریان‌های گردابی یا گردابه‌ها (vortices) ایجاد شده توسط یک مانع به نام بلاف بادی (bluff body) یا شیدر بار (shedder bar) را شمارش می‌کند. در این مطلب از مجله پریسماتک قصد داریم به اصول کار فلومترهای ورتکس یا دبی سنج‌های گردابی بپردازیم.
اصول کار فلومتر ورتکس
فلومترهای ورتکس یکی از انواع فلومترهای حجمی مانند فلومترهای اریفیس و التراسونیک هستند. فلومتر ورتکس نیز مانند فلومتر اریفیس نفوذی (intrusive) بوده و با عبور سیال از درون لوله، موجب افت فشار در آن می‌شود. این فلومترها در بسیاری کاربردها جایگزینی مناسب برای انواع سنتی فلومترهای مبتنی بر افت فشار هستند. فلومترهای ورتکس قسمت متحرکی ندارند و برای گستره وسیعی از بازه‌های فلو و برای سیالات مایع و نیز گاز می‌توانند به کار گرفته شوند. همچنین این دبی سنج‌ها مصرف انرژی بسیار کمی دارند و تعمیر و نگهداری آن‌ها مقرون به صرفه است.
اصول عملکرد این فلومتر مبتنی بر پدیده طبیعی ورتکس شدینگ (vortex shedding) است. برای به وجود آمدن این پدیده، یک مانع به نام بلاف بادی در مسیر لوله حامل سیال قرار داده می‌شود. در تصویر زیر نمایی از ساختار فلومتر ورتکس نشان داده شده است. به گردابه‌های ایجاد شده، گردابه‌های کارمن (Karman’s Vortices) می‌گویند که به افتخار تئودور فون کارمن (Theodore Von Karman) فیزیکدان بلغارستانی-آمریکایی نام گذاری شده است.
هنگامی که سیال به مانع درون لوله برخورد می‌کند، در طول لبه‌های خارجی مانع گردابه‌هایی به وجود می‌آیند که در قسمت پایین دست و کم‌فشار‌تر از هم جدا می‌شوند. فرکانس شدینگ این گردابه‌ها با سرعت فلوی عبوری از لوله متناسب است. در انواع مختلف فلومترهای ورتکس، برای تشخیص فرکانس این گردابه‌ها از تکنیک‌های مختلف مانند حرارتی، مغناطیسی، التراسونیک و یا خازنی استفاده می‌شود.
نکته‌ای که در فلومتر ورتکس باید به آن توجه کرد این است که گردابه‌ها فقط برای سرعت‌های بالاتر از حد معینی تشکیل می‌شوند. به همین دلیل این فلومترها دارای یک صفر بالاتر از حد معمول هستند که به آن نقطه قطع (cut-off point) می‌گویند. پس قبل از اینکه سرعت کاملا به صفر برسد، خروجی فلومتر به صفر می‌رسد. همچنین در یک فلو بازگشتی معین (بالاتر از نقطه قطع)، برخی فلومترهای ورتکس سیگنال خروجی تولید می‌کنند که منجر به تفسیر اشتباه می‌شود.
نکته دیگر این است که با کاهش فشار در طول فلومتر به زیر فشار بخار مایع و در نزدیکی نقطه جوش آن، مایع می‌تواند موجب کاویتاسیون شود. به محض اینکه فشار به بالای فشار بخار برسد، حباب‌ها می‌ترکند. کاویتاسیون منجر به عملکرد نادرست فلومتر می‌شود و باید از آن اجتناب کرد.
فرمول‌های فلومتر ورتکس
همان طور که قبلا بیان کردیم، هنگامی که یک سیال با سرعت مشخص از کنار یک مانع ثابت درون لوله عبور می‌کند، گردابه تشکیل می‌شود. نقطه اوج این گردابه‌ها در فاصله ۱.۲ برابر قطر در پایین دست بلاف بادی است. بر اساس آنچه دانشمندی به نام وینسنت استروهال (Vincenc Strouhal) کشف کرد، زمانی که یک سیم بر اثر جریان هوا شروع به نوسان کند، فرکانس این نوسان متناسب با سرعت جریان هوا خواهد بود.
St = f * d /V
در رابطه فوق St عدد استروهال و بدون واحد، f فرکانس نوسان سیم، d قطر سیم و V سرعت جریان هوا می‌باشد. به این پدیده ورتکس شدینگ می‌گویند و زنجیره گردابه‌های ایجاد شده با نام مسیر ورتکس کارمن (Karman’s Vortex street) شناخته می‌شود. فرکانس ورتکس شدینگ یک تابع مستقیم از سرعت سیال است. همچنین این فرکانس به شکل و عرض بلاف بادی بستگی دارد. به دلیل اینکه شکل بلاف بادی و عرض آن و قطر درونی لوله ثابت هستند، پس فرکانس به صورت زیر محاسبه می‌شود:
f = (St * V)/ c*D
در این رابطه c ثابت (برابر با نسبت d/D) و D قطر درونی لوله و d عرض بلاف بادی بر حسب متر هستند. همچنین فرکانس بر حسب هرتز و سرعت بر حسب متر بر ثانیه است.
نمودار افت فشار در طول فلومتر ورتکس تقریبا مانند فلومتر اریفیس است. کمترین مقدار فشار در محل بلاف بادی (در اریفیس در نقطه vena contracta) خواهد بود. در پایین دست این نقطه، فشار به تدریج بالا می‌رود. اما همیشه مقداری افت فشار باقی خواهد ماند. برای جلوگیری از کاویتاسیون، مقدار فشار در vena contracta اهمیت دارد. مقدار کمینه فشار معکوس (back pressure) که برای اطمینان از عدم وقوع کاویتاسیون لازم است را به صورت زیر می‌توان محاسبه کرد:
Pmin = 3.2*Pdel + 1.25*Pv
در این رابطه، Pmin کمینه فشار مورد نیاز در فاصله پنج برابر پایین دست قطر لوله در فلومتر و بر حسب بار، Pdel مقدار محاسبه شده افت فشار دائم بر حسب بار و Pv فشار بخار در دمای عملکرد بر حسب بار است. به خاطر داشته باشید که برای بسیاری از فلومترهای ورتکس، نسبت d/D در بازه ۰.۲۲ تا ۰.۲۶ است و فرکانس گردابه‌ها به سایز فلومتر بستگی دارد که هر چقدر بزرگتر باشد، فرکانس پایین‌تر خواهد بود. بنابراین بیشینه قطر فلومتر ورتیکس محدود می‌شود، زیرا رزولوشن فلومتر در اهداف کنترلی مشکل‌ساز خواهد شد. برای رفع این مشکل از ضرب‌کننده‌های دیجیتال (multiplier) استفاده می‌شود که فرکانس ورتکس را بدون افزودن خطا چندبرابر می‌کنند.
اندازه‌گیری فرکانس در فلومتر ورتکس
سنسورهای فرکانس ورتکس انواع مختلفی دارند و معمولا با شیدر بار یا بلاف بادی ترکیب می‌شوند. این سنسورهای اندازه‌گیری فرکانس را می‌توان به صورت عمده به دو گروه تقسیم کرد. در گروه اول، سنسورهایی قرار دارند که به دلیل ارتعاشات ایجادشده در سیال (ناشی از ورتکس شدینگ)، تغییرات در سرعت سیال را تشخیص می‌دهند. اما در گروه دوم سنسورها تغییرات فشار ایجاد شده را تشخیص می‌دهند. در گروه اول این سنسورهای فرکانس، معمولا از ترمیستور یا التراسونیک استفاده می‌شود. در گروه مبتنی بر اختلاف فشار از دیافراگم با پیزوالمنت /خازنی /القایی و یا استرین گیج استفاده می‌شود.
در فلومترهای ورتکس که برای اندازه‌گیری فرکانس از سنسورهای پیزوالکتریک استفاده می‌شود (یک جفت کریستال پیزوالکتریک هستند)، این سنسورها در شیدر بار قرار داده می‌شوند. پیزوکریستال‌ها نیز همراه با شیدر بار در معرض نیروی گردابه‌ها قرار می‌گیرند و مقدار فشار وارد بر آن‌ها تغییر می‌کند. فرکانس این تغییرات فشار متناسب با سرعت فلو است.
در برخی دیگر از فلومترهای ورتکس از سنسورهای کاپاسیتانس متغیر استفاده می‌شود. همانند نوع قبلی، یک جفت از این سنسورها در شیدر بار قرار داده می‌شوند. با هر بار حرکات شیدر بار که در حد چند میکرو است، مقدار ظرفیت خازنی این سنسورها نیز تغییر می‌کند. با استفاده از این تغییر ظرفیت خازنی، مقدار فرکانس محاسبه می‌شود.
ویژگی‌های فلومتر ورتکس
یکی از عوامل موثر بر عملکرد فلومتر ورتکس، تغییر در شکل بلاف بادی به دلیل خوردگی و فرسایش است. یکی از عوامل تغییردهنده شکل بلاف بادی، تجمع رسوبات روی آن است. همچنین تحلیل لوله بالادستی، تغییر در محل بلاف بادی و نویز هیدرولیکی نیز از سایر عوامل موثر بر عملکرد فلومترهای ورتکس هستند.
فلومتر ورتکس یک سیگنال خروجی دیجیتال یا آنالوگ خطی را بدون استفاده از ترنسمیتر یا مبدل جداگانه فراهم می‌کند که باعث سهولت در نصب این تجهیز می‌شود. فلومتر ورتکس در بازه گسترده‌ای از نرخ‌های فلو دارای دقت خوبی است. البته این بازه به شرایط کاری نیز وابسته است. فرکانس شدینگ در این فلومتر تابعی از ابعاد بلاف بادی است و دارای پایداری کالیبراسیون در طولانی مدت و تکرارپذیری بالا است. همچنین به دلیل اینکه یک سیستم فرکانسی است، پس هیچ دریفتی در آن وجود ندارد.
فلومتر ورتکس قسمت متحرکی ندارد، پس نیاز به تعمیر و نگهداری کم و قابلیت اطمینان بالایی دارد. همچنین این واقعیت که به هیچ ولو یا منیفولدی نیاز نیست باعث شده تا مشکل نشتی وجود نداشته باشد و نصب آن ایمن باشد. این ویژگی بخصوص در مورد سیالات خطرناک یا سمی بسیار مفید است. اگر سنسور مورد استفاده به اندازه کافی حساس باشد، از یک فلومتر ورتکس می‌توان هم برای مایعات و هم گازها استفاده کرد. کالیبراسیون فلومترهای ورتکس مستقل از کاربرد برای گاز یا مایع و شرایط کاری (ویسکوزیته، چگالی، فشار، دما و …) است.
هزینه نصب فلومترهای ورتکس مخصوصا برای لوله‌های با سایز کمتر از ۶ اینچ در مقایسه با فلومترهای اریفیس و ترنسمیترهای فشار تفاضلی بسیار پایین‌تر است. محدودیت این فلومترها در گستره سایز آن‌ها است. فلومترهای با قطر کمتر از ۰.۵ اینچ کاربردی نیستند و فلومترهای با قطر بزرگتر از ۱۲ اینچ نیز به دلیل افزایش هزینه نسبت به اریفیس و رزولوشن پالس خروجی محدود کاربردهای کمی دارند.
با افزایش قطر لوله، تعداد پالس‌های تولیدشده در واحد حجم (با رابطه معکوس مکعب) کاهش می‌یابد. بنابراین یک فلومتر ورتکس ۲۴ اینچی با نرخ انسداد ۰.۳ تنها دارای خروجی فرکانس فول اسکیل ۵ هرتز در سرعت ۳ متر بر ثانیه است.
انتخاب فلومتر ورتکس و سایزینگ
قدم اول در فرایند انتخاب فلومتر ورتکس مناسب، شرایط کاری مانند دمای سیال فرایند، دمای محیط، فشار خط و … است. تمام این موارد باید با مشخصه‌های فلومتر مورد نظر مقایسه شوند. جنس قسمت wetted سنسور که در ارتباط با سیال است باید هم از لحاظ شیمیایی و هم از لحاظ ایمنی با سیال مورد نظر سازگار باشد. برای مثال در مورد اکسیژن، باید از مواد غیرآهنی یا non ferrous اجتناب شود. همچنین کمینه و بیشینه نرخ فلو برای کاربرد مورد نظر باید بررسی شود.
کمینه نرخ فلو با اعداد رینولدز ۱۰۰۰ تا ۱۰۵۰۰، چگالی سیال و کمینه فرکانس شدینگ قابل قبول برای الکترونیک تعیین می‌شود. بیشینه نرخ فلو توسط افت فشار ماندگار، شروع کاویتاسیون با مایعات و فلو سرعت صوتی (choking) در گازها مشخص می‌شود. بنابراین بازه فلو در تمام کاربردها به ویسکوزیته سیال، چگالی، فشار بخار، فشار خط و بیشینه نرخ فلو بستگی دارد.
در سیالات با ویسکوزیته پایین، مانند آب، بنزین و آمونیاک مایع و با سرعت بیشینه ۴.۶ متر بر ثانیه، فلومتر ورتکس می‌تواند بازه‌پذیری (rangeability) حدود ۲۰:۱ با افت فشار حدود ۴PSIG یا ۲۷.۴KPa داشته باشد. دقت بالا و سیگنال خروجی خطی دیجیتال منجر به استفاده از فلومتر ورتکس در بازه وسیعی از کاربردها شده است. با افزایش ویسکوزیته، کاهش چگالی یا کاهش بیشینه سرعت سیال، بازه‌پذیری کاهش می‌یابد. بنابراین استفاده از این نوع فلومترها برای سیالات با ویسکوزیته بالا مناسب نیست.
مزایای فلومتر ورتکس
از این نوع فلومتر می‌توان برای گازها، مایعات و بخار استفاده کرد.
هزینه نصب و نگهداری آن‌ها نسبتا پایین است.
نسبت به تغییرات شرایط فرایند حساسیت کمی دارند.
دقت و تکرارپذیری آن‌ها در طولانی مدت پایدار است.
در گستره وسیعی از دماهای فرایند قابل استفاده هستند.
برای سایز لوله‌های مختلف موجود هستند.
محدودیت‌ها
برای نرخ فلوهای بسیار پایین مناسب نیستند.
در پایین دست و بالادست فلومترهای ورتکس لازم است از لوله‌های مستقیم استفاده شود.
کاربردها
فلومترهای ورتکس برای استفاده در گستره وسیعی از کاربردها و صنایع مناسب هستند، اما برای استفاده با سیالات تمیز، با ویسکوزیته پایین و با سرعت‌های متوسط تا بالا مناسب‌تر هستند. برخی از مهم‌ترین کاربردهای این فلومترها عبارتند از:
- انتقال گاز طبیعی
- اندازه‌گیری فلو بخار
- اندازه‌گیری فلو سوسپانسیون مایع
- مواد شیمیایی مایع و دارویی
اگر این مطلب برای شما مفید بود، شاید مطالب زیر نیز برای شما مفید باشند:
سنسور فشار دیافراگمی ــ مفاهیم و اصول کاری
سنسور دمای غیر تماسی — از صفر تا صد
کنداکتیویتی متر بدون الکترود ــ اصول کاری
پریسماتک اولین تولیدکننده رفرکتومتر، فلومتر و کنداکتیویتی‌مترهای صنعتی در انواع مختلف است. برای راهنمایی در انتخاب این ابزارها با شماره‌های شرکت تماس بگیرید.
محصولات پریسماتک:
