فلومتر اختلاف فشار یا فشار تفاضلی (Differential pressure flow meter) یا به اصطلاح فلومتر DP به گروهی از فلومترها اطلاق می‌شود که فلوی سیال عبوری از درون لوله را با سنجش افت فشار ایجادشده در مسیر لوله اندازه‌گیری می‌کنند و برای این کار از یک مانع در مسیر سیال بهره می‌گیرند. اساس کار فلومترهای فشار تفاضلی معادله برنولی است. بر اساس معادله برنولی با افزایش سرعت فلوی یک سیال، فشار آن افت می‌کند. در این مطلب قصد داریم به بررسی انواع، اصول کاری، دقت و طریقه نصب فلومترهای اختلاف فشار بپردازیم.
در فلومترهای اختلاف فشار معمولا هیچ بخش متحرکی وجود ندارد و اختلاف فشار بین دو نقطه یکی قبل از مانع در مسیر و دیگری بعد از آن را اندازه می‌گیرد. افت فشار توسط انواع مختلف موانع ایجاد می‌شود و در واقع بر اساس همین موانع، فلومترهای DP در انواع مختلف طبقه‌بندی می‌شوند. هر نوع دارای مزایا و معایب خاص خود است و نوع مورد استفاده بر اساس کاربرد خاص تعیین می‌شود. انواع مختلف فلومترهای فشار تفاضلی عبارتند از:
در قرن ۱۸ام ریاضیدان و فیزیکدان سوییسی، رابرت برنولی به معادله برنولی دست یافت که رابطه بین انرژی استاتیک و جنبشی در یک سیال جاری را توضیح می‌داد. بر این اساس، با عبور سیال از یک مانع، سیال شتاب گرفته و انرژی لازم برای این شتاب از فشار استاتیک سیال به دست می‌آید. در نتیجه، فشار خط در محل مانع افت پیدا می‌کند. بخشی از این افت فشار با گذر سیال از مانع جبران می‌شود. در تصویر زیر افت فشار سیال در برخورد با مانع در فلومتر اختلاف فشار نشان داده شده است.
اختلاف فشار h ایجادشده در سیال اندازه‌گیری می‌شود و با استفاده از آن سرعت، فلو حجمی Q و فلوی جرمی W سیال را می‌توان با کمک روابط زیر به دست آورد:
V = K (h/D) 0.5
Q = KA(h/D)0.5
W = KA(hD)0.5
در روابط فوق K ضریب تخلیه المان، A سطح مقطع لوله و D چگالی سیال هستند. ضریب تخلیه K توسط عدد رینولدز و ضریب بتا تحت تاثیر قرار می‌گیرد. ضریب بتا نسبت بین قطر قسمت مانع‌دار به قطر درونی لوله است. در نمودار زیر رابطه و تاثیر عدد رینولدز در فلومترهای مختلف بر روی ضریب تخلیه نشان داده شده است.
پارامترهای دیگری نیز بسته به نوع فلومتر مورد استفاده، بر تغییر ضریب K موثر هستند. این پارامترها را می‌توان در جداول استاندارهای مختلف مانند ANSI, ASME, API و … مطالعه کرد. ضریب تخلیه معمولا در آزمایشگاه‌ها تعیین می‌شوند. معمولا مقدار میانگین در طول حداقل ۳۰ بار کالیبراسیون اعلام می‌شود. عدم قطعیت در این مقدار اعلام‌شده از ۰.۵٪ تا ۳٪ متغیر است. بنابراین می‌توان بدون کالیبراسیون در محل هم به دقت‌های بسیار خوبی در اندازه‌گیری فلو دست یافت. زمانی که تست‌های آزمایشگاهی موجود نباشد یا به دقت‌های بالاتر از آنچه نیاز داشتیم که با عدم قطعیت‌های فوق به دست می آید، در این صورت می‌توان از کالیبراسیون در محل استفاده کرد.
ارتباط بین فلو و افت فشار متناسب با پروفایل سرعت که می‌تواند آرام یا متلاطم و تابعی از عدد رینولدز باشد، تغییر می‌کند. برای فلو مایعات عدد رینولدز می‌تواند با استفاده از رابطه زیر محاسبه شود:
Re = 3160(SG)(Q)/(ID)µ
در این رابطه، ID قطر درونی لوله، Q فلو حجمی سیال، SG وزن مخصوص سیال در دمای ۶۰ درجه فارنهایت و µ ویسکوزیته سیال است. در اعداد رینولدز پایین (کمتر از ۲۰۰۰) سیال آرام و پروفایل سرعت سهمی‌وار (parabolic) است. در اعداد رینولدز بالا (بزرگتر از ۳۰۰۰) سیال کاملا آشوبی و متلاطم و پروفایل سرعت در طول لوله خطی محوری (تصویر اول) خواهد بود. همان طور که در نمودار فوق نشان داده شده است، گذار سیال آرام به متلاطم می‌تواند گستره وسیعی از اعداد رینولدز را پوشش دهد و رابطه عدد رینولدز با ضریب تخلیه بستگی به نوع فلومتر دارد.
امروزه نرم‌افزارهای بسیاری برای سایزینگ انواع مختلف فلومتر اختلاف فشار توسط سازندگان آن‌ها و یا جوامع مهندسی ارائه شده‌اند. این نرم‌افزارها شامل داده‌های مورد نیاز از نمودارها، جداول و معادلات ضرایب فلو و فاکتورهای تصحیح هستند. برخی نیز شامل اطلاعاتی از مشخصه‌های فیزیکی سیالات متداول هستند. کاربر می‌تواند به سادگی داده‌های کاربرد مورد نظر خود را وارد کند و سایز پیشنهادی را مشاهده کند. البته صحت این پیشنهادات باید توسط کارشناسان تایید شود.
عملکرد یک فلومتر اختلاف فشار تابعی از صحت (precision) المان فلو و دقت (accuracy) سلول DP آن است. صحت المان معمولا به صورت درصد خوانش واقعی (AR) اعلام می‌شود، در حالی که دقت سلول DP درصدی از اسپن کالیبره‌شده (CS) است. یک سلولو DP معمولا دارای دقت ۰.۲٪± CS است. این بدین معنی است که در انتهای پایین گستره فلو 10:1 (در ۱۰٪ فلو) که متناظر با گستره اختلاف فشار ۱۰۰:۱ است، فلومتر خطای ۲۰٪ ± AR خواهد داشت. به همین دلیل سازندگان فلومتر اختلاف فشار استفاده از آن را در بازه ۳:۱ یا ۴:۱ محدود کرده‌اند.
گستره فلومترهای اختلاف فشار را می‌توان بدون تاثیرگذاری منفی بر دقت، افزایش داد. برای این کار چند فلومتر DP به صورت موازی با هم مورد استفاده قرار می‌گیرد. تنها تعدادی از فلومترها در یک زمان مورد استفاده قرار می‌گیرد که فلو در حدود ۷۵ تا ۹۰ درصد بازه حفظ شود. روش دیگر قرار دادن دو یا بیشتر ترانسمیتر به صورت موازی در یک المان یکسان است. یکی از آن‌ها برای ۱ تا ۱۰ ٪ و دیگری برای ۱۰ تا ۱۰۰٪ فول اسکیل (FS) اختلاف فشار ایجادشده است. البته هر دوی این روش‌ها مشکلاتی دارند و دست‌وپاگیر هستند. راه بهتر استفاده از ترنسمیترهای اختلاف فشار هوشمند است.
دقت ترانسمیترهای هوشمند معمولا ۰.۱٪ CS بیان می‌شود که فقط شامل خطاهای ناشی از هیسترزیس، گستره و خطی بودن است. از خطاهای بالقوه ناشی از دریفت، دما، رطوبت، ارتعاش، overrange، تداخل فرکانس رادیویی و تغییرات منبع تغذیه همگی صرف نظر شده‌اند. در صورت وجود یکی از این موارد، خطا بیشتر از ۰.۲٪ C.S خواهد بود. به این دلیل که ترانسمیترهای فشار تفاضلی می‌توانند به صورت اتوماتیک بین دو بازه کالیبراسیون سوئیچ کنند، در نتیجه می‌توان از اریفیس با عدم دقت ۱٪ AR در بازه فلو ۱۰:۱ استفاده کرد.
در بسیار از کاربردهای اندازه‌گیری فلو، چگالی مستقیما اندازه‌گیری نمی‌شود، بلکه فرض می‌شود مقداری معین دارد. اگر مقدار چگالی با این مقدار پیش فرض تفاوت داشته باشد، در اندازه‌گیری خطا به وجود می‌آید. اگر مقدار چگالی به صورت مستقیم یا غیر مستقیم با اندازه‌گیری فشار در گازها یا دما در مایعات سنجش شود، می‌توان خطای چگالی را تصحیح کرد. انواعی از پکیج‌های محاسبه فلو هم وجود دارند که ورودی‌های ترانسمیتر فشار تفاضلی و سایر سنسورها را می‌گیرند و به صورت همزمان فلوی جرمی و حجمی را محاسبه می‌کنند.
برای کاهش خطا (و نیاز به تصحیح چگالی)، هنگام برخورد با سیالات تراکم‌پذیر نباید نسبت فشار تفاضلی (h) بر فشار بالادست (p) بیش از ۰.۲۵ باشد. خطاهای اندازه‌گیری ناشی از نصب نادرست المان فلو می‌تواند مقداری قابل توجه (بیش از ۱۰٪) باشد. وجود چنین مقادیری از خطا می‌تواند ناشی از گرفتگی لوله، کافی نبودن لوله مستقیم و خطاهای طراحی لوله و تپ‌های فشار باشد.
تحت شرایط وجود فلوی متلاطم، ۱۰٪ سیگنال DP نویز حاصل از اغتشاشات ولو‌ها و فیتینگ‌ها، هم در بالادست و هم در پایین‌دست و نیز توسط خود المان خواهد بود. در بسیاری از کاربردها، دمپینگ فراهم شده در فلومتر اختلاف فشار برای فیلتر کردن نویز کافی است. اما نویزهای شدید را می‌توان با استفاده از دو یا تعداد بیشتر تپ فشار با اتصال موازی در دو سمت سلول DP کاهش داد.
فلوهای ضربه‌ای یا پالسی (Pulsating) توسط پمپ‌ها و کمپرسورها به وجود می‌آیند. این ضربه‌ها معمولا با دور کردن فلومتر اختلاف فشار از منبع ایجاد ضربه‌ها و یا استفاده از فیلتر و سایر تجهیزات دمپینگ کاهش داده می‌شود. سخت‌افزارهای دمپ ضربه را می‌توان در تپ‌های فشار نیز نصب کرد و یا نرم‌افزارهای دمپینگ را به سیگنال خروجی فلومتر فشار تفاضلی اعمال کرد. این چنین فیلتری وقوع هر نرخ تغییر که سریع‌تر از نرخی باشد که فلو فرایند بتواند تغییر کند را بلاک خواهد کرد.
راهنماهای نصب معمولا علاوه بر سازندگان، توسط سازمان‌های مختلفی از جمله ISA ،ANSI ،API و … منتشر می‌شوند. این راهنماها شامل نکات زیر هستند:
◊ زمانی که علاوه بر فلو، لازم است مولفه‌های دیگر سیال مانند دما و فشار نیز اندازه‌گیری شود، ترانسمیتر فشار نباید در لوله فرایند نصب شود، بلکه باید توسط tee به یک خط lead مناسب از المان فلو متصل شود.
◊ ترموول مورد استفاده برای اندازه‌گیری دما باید حداقل در فاصله ده برابر قطر لوله و در پایین دست فلومتر قرار گیرد تا از اعوجاج پروفایل سرعت جلوگیری شود.
به منظور گسترش کامل پروفایل سرعت و قابل پیش‌بینی بودن افت فشار، در بالادست و پایین‌دست فلومتر اختلاف فشار باید از لوله مستقیم استفاده کرد. طول این لوله‌های مستقیم تابعی از ضریب بتا تجهیز و نیز ذات اجزای بالادست در لوله است. به عنوان مثال وقتی قبل از فلومتر اریفیس یک زانویی (elbow) ۹۰ درجه نصب شده باشد، طول لوله مستقیم مورد نیاز حدود ۶ تا ۲۰ برابر قطر لوله است و نسبت قطر از ۰.۲ به ۰.۶ افزایش می‌یابد.
به منظور کاهش طول لوله مستقیم مورد نیاز، می‌توان مستقیم‌کننده‌های جریان (flow straightener) مانند تیوب باندل‌ها، صفحات سوراخ‌دار (perforated plates) و یا تب‌های داخلی را در بالادست فلومتر اختلاف فشار نصب کرد. در تصویر زیر نمایی از انواع مستقیم‌کننده‌های جریان در بالادست فلومتر نشان داده شده است.
اندازه و جهت تپ‌های فشار تابعی از اندازه لوله و نوع سیال فرایند هستند. حداکثر قطر پیشنهادی سوراخ تپ‌های فشار درون لوله‌های فلنجی برابر با “۱/۴ برای لوله‌های با قطر زیر “۲ ، “۳/۸ برای لوله‌های با قطر “۲ و “۳، “۱/۲ برای لوله‌های با قطر “۴ تا “۸ و “۳/۴ برای لوله‌های بزرگتر است. هر دو تپ باید دارای قطر یکسان باشند و هنگام ایجاد سوراخ درون سطح داخلی لوله باید صاف و بدون زبری و برآمدگی باشد. اتصال به سوراخ‌های فشار باید توسط کوپلینگ و یا اداپتور به سطح بیرونی لوله جوش داده شود.
در مورد سرویس‌هایی که سیال فرایند می‌تواند تپ‌های فشار را مسدود کند و یا در خطوط lead به صورت ژلی یا یخ‌زده درآید، می‌توان از محافظ‌های آب‌بند شیمیایی (chemical seal protectors) استفاده کرد. به دلیل فضایی که این محافظ‌ها نیاز دارند، معمولا مطابق تصویر زیر در تپ‌های شعاعی یا تپ‌های لوله نصب می‌شوند. هنگامی که از آب‌بندهای شیمیایی استفاده می‌شود، اتصالات کپیلری باید دمای یکسانی را تجربه کنند و زیر سایه‌بان قرار گیرند، چون به d/p cell منتهی می‌شوند.
ترانسمیتر اختلاف فشار باید تا حد امکان نزدیک به المنت اولیه نصب شود. خطوط lead نیز باید تا حد امکان کوتاه و دارای قطر یکسان باشند. در سرویس‌های مایعات تمیز حداقل قطر باید “۰.۴ باشد. در سرویس‌های بخار، خطوط lead افقی نیز باید تا حد امکان کوتاه باشند و (با حداقل شیب ۱ اینچ بر فوت با توجه به لوله) به سمت تپ متمایل باشند تا محصول میعان (condensate) مجددا به لوله بازگردند. مجددا هر دو خطوط lead باید در معرض دمای محیطی یکسانی باشند و با سایه‌بان از نور خورشید محافظت شوند. در سرویس مایعات تمیز و گازها، خطوط lead می‌توانند در کانکشن‌های درین (drain) یا ونت (vent) سلول d/p تخلیه شوند و باید چند دقیقه هواگیری شوند تا هوای موجود در خط خالی شود. وجود هوای محبوس در خط باعث آفست کالیبراسیون صفر می‌شود.
در نصب فلومتر اختلاف فشار، سیل پات‌ها (Seal pot) با بازه کوچک (زیر ۱۰ اینچ آب) روی پایه خیس تجهیز هستند تا تغییرات سطح در پایه‌ها به حداقل برسد. در کاربردهای بخار، استفاده از filling tees برای اطمینان از برابری ارتفاع پایه‌های condensate در دو طرف سلول اختلاف فشار پیشنهاد می‌شود. اگر به هر دلیل ارتفاع دو پایه برابر نباشند، فلومتر فشار تفاضلی در معرض خطای صفر کردن اختلاف است هر زمانی که آن اختلاف تغییر نکند.
اگر دمای فرایند از حداکثر محدوده مجاز دمای اختلاف فشار بالاتر برود، یا باید از آب‌بندهای شیمیایی استفاده کرد و یا خطوط lead به اندازه کافی طولانی باشد تا سیال در مسیر خنک شود. اگر احتیاج به افت دمای زیادی باشد، می‌توان از سایفون نوع coiled استفاده کرد.
بازه‌های بازرسی یا جایگزینی فلومترهای اختلاف فشار به ماهیت خورندگی و فرسایندگی سیال فرایند و نیز دقت مورد نیاز وابسته است. اما به عنوان یک توصیه کلی، فلومترهای اریفیس را می‌توان در ۳، ۶ و ۱۲ ماه اول کاری برای بازرسی جدا کرد. سپس بر اساس مشاهده ظاهر صفحه اریفیس، می‌توان یک بازه تعمیر و نگه‌داری منطقی برای آن‌ها انتخاب کرد.
اگر این مطلب برای شما مفید بود، شاید مطالب زیر نیز برای شما مفید باشند:
فلومتر الکترومغناطیسی ــ از صفر تا صد
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:
انواع فلومترهای الکترومغناطیسی
