مقدمه :

دستگاه فلومتر جرمی ورتکسی[۱]، از حدود ۳۰ سال پیش راه خود را به صنعت باز کرد. دلیل استقبال گسترده از فلومتر ورتکس را می توان به نداشتن قطعات متحرک و همچنین تولید یک فرکانس خروجی خطی، به ازای دبی های عبوری، در رینولدز[۲] های گسترده دانست. این سیستم دارای عملکردی نسبتا ساده با دقتی در حدود ۱ در صد و یا حتی کمتر، و همچنین دارای قیمتی پایینتر از سیستم های معادل آن می باشد. همچنین عملکرد سیستم ورتکس در مقابل گاز و مایع یکسان می باشد.

• اصول عملکرد فلومتر ورتکس

اگر در مسیر جریان سیال عبوری، مانعی قرار داده شود، در پشت آن مانع، گردابه هایی تشکیل می شود. این گردابه ها در بازه ی مشخصی از دبی عبوری،  به صورت شکل خاصی قرار می گیرند، که به آن خیابان ون کارمان[۳] می گویند. در زندگی روزمره خود موارد زیادی از این پدیده ی فیزیکی را می توانینیم مشاهده کنیم. نوساناتی که در پرچم ها ایجاد می شود ویا در اعوجاجاتی که در خطوط سیم های  تلفن در باد های شدید ایجاد می شوند، ناشی از همین پدیده می باشند. این پدیده را ون کارمان در سال ۱۹۱۱ میلادی تحلیل کرد و نشان داد که آنها در بازه ی مشخصی از جریان پایدار می باشند. در شکل ۱، ورتکس های ایجاد شده در پشت یک  مانع استوانه ای شکل به تصویر کشیده شده است:

برگرفته از سایت "http://homepages.engineering.auckland.ac.nz"

شکل ۱ : خیابان ون کارمان - بر گرفته از سایت "http://www.efunda.com/"

در اوایل این کار عنوان شد که برای تعدادی زیادی از موانع موجود، افزایش سرعت نسبت مستقیم با تعداد گردابه های تشکیل شده در پشت جسم وهمچنین نسبت مستقیم با فرکانس آنها دارد. برای توصیف این پدیده از عدد بدون بعد اشتروهال[۴]، برای بیان رابطه ی یبن سرعت، فرکانس گردابه های تشکیل شده، استفاده می شود:

(۱)

f = فرکانس ورتکس های تشکیل شده در پشت جسم

d = عرض مانع در مقابل جریان

U = سرعت متوسط جریان

اگر چه مطالعات اولیه، بر روی موانع، در جریان های آزاد انجام می شد، اما مطالعه ی جریان های داخلی نیز نشان داد که در درون جریان هایی مانند لوله ها نیز چنین پدیده ای رخ می دهد. برای چنین جریان هایی سرعت متوسط به صورت زیر تعریف شد:

(۲)

شکل ۲ : جریان درون یک کانال با مانع - بر گرفته از سایت"iom.invensys.com"

در جریان درون کانال، از آنجا که سطح مقطع کانال ثابت است، می توان ضریب k تعریف کرد که به وسیله ی آن دبی حجمی عبوری را به فرکانس گردابه های تشکیل شده ی پشت مانع، ربط داد:

(۳)

که در این فرمول ها، k  ضریب تعریف شده و Q دبی حجمی می باشد.

فرکانس تولید شده را می توان از فرکانس های کمتر از ۱ هرتز برای دستگاههای بزرگ در سرعت های کم تا بیش از ۳۰۰۰ هرتز برای دستگاههای کوچک با سرعت زیاد تقسیم بندی کرد.

برای یک دستگاه دبی سنجی ورتکسی، مانع کار گذاشته شده در درون جریان به گونه ای است که در محدوده ی بالایی از  اعداد رینولدوز، دارای ضریب تناسب ثابت است. با استفاده از این روش و با استفاده از روابط ۳ می توان دبی مورد نظر را حساب کرد. در شکل ۳ ، به صورت موردی نمودار تغییرات k نسبت به محدوده ای از رینولدز ها، برای مانع مشخصی رسم شده است:

شکل ۳ : نمودار تغییرات ضریب k به عدد رینولدز درون لوله - بر گرفته از سایت"iom.invensys.com"

تغییرات ضریب k در یک بازه ای از اعداد رینولدز را، میزان خطی بودن سیستم می دانند. به عنوان مثال در شکل ۳، می توان دید که سیستم به ازای اعداد رینولدز بین ۱۵۰۰۰ تا ۲۰۰۰۰۰۰ بیشترین میزان خطی بودن را دارا می باشد.  هرچه میزان این خطی بودن بیشتر باشد برای دستگاه مطلوب تر است.

در بازه ی اعداد رینولدز زیر ناحیه ی خطی مورد نظر، می توان از فرآیند خطی سازی استفاده کرد و لیکن میزان عدم قطعیت سیستم افزایش می یابد.

• پرتاب کننده[۵]

پرتاب کننده در واقع مانعی است که در سر راه جریان قرار می گیرد و در واقع ورتکس های پشت مانع را تولید می کند. انواع مختلف این پرتاب کننده ها در شکل ۴ نشان داده شده است:

شکل ۴ : انواع رایج پرتاب کننده ها – بر گرفته از سایت"iom.invensys.com"

• سنسور ها

زمانی که فرآیند پرتاب ورتکس ها در اطراف مانع ایجاد می شود، هر دو متغیر فشار و سرعت در فرکانس مورد نظر ورتکس ها نوسان می کنند. با استفاده از سنسور های سرعت و یا فشار سعی می شود که این نوسانات به سیگنال های جریان الکتریکی و یا  ولتاژ تبدیل شود. در شکل ۵ همانطور که نشان داده شده است از یک سنسور پیزو الکتریک[۶] برای تبدیل اختلاف فشار نوسانی  بین جلو و عقب مانع، به سیگنال جریان استفاده می شود(شکل ۵).  در دبی سنج ورتکسی، معمولا ادوات الکتریکی در فاصله ی  دور از دستگاه نصب می شوند و به این دلیل معمولا از تقویت کننده ای سیگنال برای این سیستم استفاده می کنند.

شکل ۵ : بر گرفته از سایت"http://www.aalborginstruments.de/"

شکل ۶ : سنسور دستگاه"http://www.aalborginstruments.de/"

• ترنسمیتر[۷]

ترنسمیتر های دستگاه دبی سنج ورتکسی معمولا به دو دسته ی آنالوگ[۸] و هوشمند[۹] تقسیم بندی می شوند. ارتباط با ترنسمیتر های آنالوگ از طریق ابزار مکانیکی نظیر سوئیچ ها[۱۰] و سیم های جامپر[۱۱] انجام می شود. در مقابل ارتباط با ترنمسمیتر های هوشمند از طریق تکنیک های الکترونیکی صورت می گیرد. یکی از مهمترین ویژگی های تر نسمیتر های جدید این است که، اطلاعات را روی ترنسمیتر بار گذاری می کند. این اطلاعات بعدا به صورت اتوماتیک از روی ترنسمیتر برای استفاده در کاربرد مورد نظر، اصلاح و پردازش می شود.

• پیشرفت ها و آینده ی دستگاه

تلاش های جدید صورت گرفته رو به سوی این واقعیت است که این سیستم را که قادر به اندازه گیری دبی حجمی سیالات می باشد را به دستگاهی با قابلیت اندازه گیری دبی جرمی تبدیل کند. همانطور که در قسمت های قبلی نشان داده شد، اصول عملکرد دستگاه براساس فرکانس ورتکس های تشکیل شده در پشت اجسام می باشد. که می توان آنها را به دبی حجمی سیالات عبوری ربط داد.  می توان به وسیله ترنسمیتر های هوشمند، چگالی مرجع و همچنین چگالی سیال در جریان را به پایگاه اطلاعاتی دستگاه داد و از آن برای اندازه گیری دبی جرمی بهره برد. این روش تنها زمانی درست است که چگالی با زمان تغییر نکند. در غیر این صورت باید سنسوری برای اندازه گیری تغییرات چگالی نسبت به زمان نیز در نظر گرفت

شکل ۷ – دستگاه دبی سنج ورتکسی – برگرفته از سایت"http://www.onicon.com/"

۱٫Vortex
۲٫Reynolds
۳٫Von-karman
۴٫strouhal number
۵٫shedder
۶٫piezo-electric
۷٫Transmitter
۸٫Analog
۹٫Intelligent
۱۰٫switch
۱۱٫jumper wire