در ادامه معرفی دبی سنجهای حجمی که بر اساس اختلاف فشار عمل می کنند به معرفی دبی سنجهای حجمی قطعه مخروطی می پردازیم. اساس عملکرد این نوع از دبی سنجها نیز نظیر دبی سنجهای لوله ونتوری و صفحه اوریفیس می باشد و بدینصورت است که اختلاف فشاری در مسیر سیال ایجاد می گردد و با استفاده از اندازه گیری آن و بهره گیری از رابطه برنولی سرعت سیال محاسبه می شود. سرعت سیال در حجم و زمان مشخص دبی سیال را نتیجه می دهد.
ساختار دبی سنج قطعه مخروطی - تصویر برگرفته از " http://che.engin.umich.edu"مقدمه
طرح دبی سنجهای قطعه مخروطی نسبت به دیگر انواع از خانواده دبی سنجهای اختلاف فشاری بسیار جدیدتر می باشد و به سال ۱۹۸۵ باز می گردد. دبی سنجهای قطعه مخروطی نسبت به هم خانواده های خود دارای مزایای بسیاری می باشند. از جمله مزایای آن دقت بالاتر است و ابعاد بسیار کوچکتر و قابلیت اندازه گیری گستره زیادی از دبی ها و یا گستره زیادی از عدد رینولدز سیال می باشد. همچنین این نوع از دبی سنجها همانند لوله ونتوری و صفحه اوریفیس نیازمند لوله های بالایی و پایین قبل و بعد از افت فشار نیستند. ساختار قطعه مخروطی باعث می شود تا بخش بالایی دبی سنج که می بایست لوله ای مستقیم و بدون خم باشد در دبی سنج های قطعه مخروطی از ۰ تا ۵ برابر قطر لوله باشد. این در حالی است که در دبی سنجهای صفحه اوریفیس این اندازه تا ۴۴ برابر قطر لوله و در دبی سنجهای لوله ونتوری تا ۲۲ برابر قطر لوله است.
ساختار دبی سنج قطعه مخروطیساختار دبی سنج های قطعه مخروطی
ساختار بکار رفته در طراحی دبی سنجهای قطعه مخروطی در واقع نوعی تلفیق از طراحی دبی سنجهای صفحه اوریفیس و لوله ونتوری می باشد. در این ساختار یک قطعه مخروطی که از دو جهت شکل مخروطی دارد هم مرکز با لوله عبور سیال قرار می گیرد.
اندازه گیری افت فشار در دو نقطه صورت می گیرد یکی پیش از رسیدن سیال به قطعه مخروطی و دیگری پس از رسیدن به ابتدای قطعه مخروطی. همانطور که در شکل نیز دیده می شود دیگر نیاز به فاصله انداختن میان دو نقطه برای اندازه گیری افت فشار نمی باشد و همین امتیاز باعث کوچک شدن دستگاه اندازه گیری و هم چنین اتصالات پیش و پس از دستگاه می باشد.
آنچه که باعث ایجاد مشخصات بهینه در ساختار دبی سنجی قطعه مخروطی می شود تغییر شکل پروفایل خطوط سرعت در سیال است. این تغییر شکل در پروفایل خطوط سرعت در سیال باعث ایجاد افت فشار سریع و قابل اندازه گیری در فاصله ای کوتاه می گردد. و این در حالی است که جریانات گردابه ای و مغشوش در برخورد با این قطعه نسبت به دبی سنجهای صفحه اوریفیس بسیار بسیار کمتر می باشد. عدم تغییر شدید در رژیم سیال دلیل اصلی افزایش دقت این دستگاه نسب به دیگر هم خانواده های خود می باشد.
توضیح چگونگی ایجاد تغییر شکل در پروفایل خطوط سرعت در سیال از این قرار است. همانطور که در شکل زیر دیده می شود در حالتی که سیال طی عبور از یک مسیر طولانی به هیچ گونه انسداد و یا اختلال مواجه نگردد خطوط سرعت در این سیال بخوبی توسعه یافته[۱] می گردد. در این وضعیت سرعت سیال در نقاط مختلف متفاوت است. در کنار دیواره های لوله سرعت سیال صفر و در مرکز لوله سرعت سیال بیشینه است و این بدلیل تشکیل لایه مرزی در نزدیک دیواره های لوله می باشد که باعث کاهش سرعت سیال می گردد.
تصویر پروفایل خطوط سرعت سیال در وضعیت توسعه یافتگی - تصویر برگرفته از "http://www.mccrometer.com "در چنین شرایطی هنگامی که قطعه مخروطی که هم مرکز با لوله قرار داده شده است در مقابل سیال قرار می گیرد نوک مخروط مقابل سریعترین خطوط سرعت در پروفایل سیال قرار می گیرد و به همین نسبت خطوط با سرعتهای پایین تر با قسمتهای دیگر مخروط مواجه می شوند. بنابر این شکل مخروط باعث می گردد تا افت سرعت سیال متناسب با خطوط سرعت باشد و بیشتر کاهش در خطوط مرکزی و کمتری کاهش در خطوط نزدیک به دیواره صورت گیرد. این دقیقا نکته ای است که در طراحی دبی سنجهای قطعه مخروطی در نظر گرفته شده است و آنرا از سایر دبی سنجهای اختلاف فشار متمایز نموده است. در روشهای دیگر اندازه گیری نظیر صفحه اوریفیس حضور عامل ایجاد افت فشار خود باعث اغتشاش و اختلال در رژیم سیال می گردید و این باعث تکرار پذیری بسیار ضعیف در رژیم سیال در وضعیت مغشوش و در نتیجه کاهش دقت اندازه گیری سرعت سیال می گشت.
ایجاد پروفایل توسعه یافته در خطوط سرعت سیال به ندرت در عمل پیش می آید و در واقع وجود اتصالات، پمپها، تجهیزات اندازه گیری، زانویی ها و خمها، چند راهی ها و عوامل دیگر باعث تغییر پروفایل سرعت از حالت ایده ال می گردند.
تصویر پروفایل خطوط سرعت سیال در وضعیت توسعه یافتگی و غیر توسعه یافتگی - تصویر برگرفته از "http://www.mccrometer.com"تغییر پروفایل سرعت سیال نسبت به حالت ایده ال باعث ایجاد خطای اندازه گیری در دیگر انواع دبی سنجهای اختلاف فشاری می گردد و این در حالی است که ساختار قطعه مخروطی باعث اصلاح پروفایل سرعت سیال می گردد و در نتیجه خطای اندازه گیری آن کاهش می یابد. این ویژگی دبی سنجهای قطعه مخروطی در مواجهه با اغتشاشات شدید در نزدیکی زانویی ها، چند راهی ها و عوامل گوناگون بر هم زننده پروفایل سرعت سیال، بر قرار می باشد و باعث ایجاد پروفایل توسعه یافته در سرعت سیال می شود.
دقت اندازه گیری این نوع از دبی سنجها تا ۰٫۵ مقدار قرائت شده نیز افزایش می یابد. هم چنین تکرار پذیری این دستگاه ها تا ۰٫۱% قابل ارتقاء است. این دستگاه ها قابل استفاده برای سیالات فاز مایع ، گاز و بخار می باشد. نصب آسان و هزینه نگهداری پایین در کنار طول عمر زیاد از امتیازات این روش اندازه گیری می باشد.
نحوه قرار گیری دبی سنج قطعه مخروطی در نزدیکی یک و دو زانویی - تصویر برگرفته از "http://www.mccrometer.com"از جمله موارد استفاده این نوع از دبی سنجها می توان به اندازه گیری و انتقال گاز طبیعی، کمپرسورها و واحدهای کنترل سوخت گاز، اندازه گیری و انتقال گاز مرطوب و بخار،کنترل پمپ آب دریا، انتقال و تخصیص خطوط نفت، تولید گاز مایع، انتقال فاضلاب و بسیاری کاربردهای دیگر اشاره نمود.
نمونه ای از فلومتر قطعه مخروطی برای اندازه گیری دبی های زیاد - تصویر برگرفته شده از " http://i03.i.aliimg.com/"مراجع:
[۱]. http://www.fujielectric.fr/en/differential-pressure-vcone-meter
[۲]. http://www.mccrometer.com
[۳]. https://en.wikipedia.org/wiki/Flow_measurement