به نام خدا
جلسه سوم سمینار انواع فلومترها و الزامات طراحی آنها در خطوط پایپینگ
با عرض سلام و ادب خدمت دوستان و همراهان گرامی
با جلسه سوم سمینار "انواع فلومترها و الزامات طراحی آنها در خطوط پایپینگ" در خدمتتون هستم.
در جلسات گذشته، با اصول اندازه گیری جریان، مقدمات فلومترها و برخی از انواع فلومترها آشنا شدیم. در این جلسه به بررسی دقیق دو نوع دیگر از جریان سنج¬ها می¬پردازیم.
فلومتر التراسونیک (Ultrasonic Flowmeter)
•    تعریف:
سرعت صوت (c) یک خاصیت متریال است که سرعت انتشار موج صوت در حالت متوسط می¬باشد. سرعت صوت با چگالی اندازه گیری متوسط تغییر می¬کند. از این رو در مایعات به دما و در گازها به دما و فشار وابسته است. همچنین تغییرات فشار در امتداد جریان در سرعت صوت به سیال وابسته است.

در جریان سنج¬های التراسونیک، از امواج التراسونیک برای اندازه گیری دبی استفاده می¬شود. اصطلاح التراسونیک براساس اصلی کار می¬کند که سرعت صوت در سیال متحرک برابر است با یرآیند سرعت صوت در سیال در حال آسودگی به علاوه یا منهای سرعت خود سیال. امواج التراسونیک در مایعات دارای فرکانسی در محدوده MHZ و در گازها دارای محدوده فرکانسی KHZ می¬باشند. مهمترین مزیت این جریان سنج¬ها عدم نیاز به قطع لوله در مدل CLAMP-ON برای نصب فلومتر می¬باشد.

 

 

فلومتر التراسونیک دارای دو روش متفاوت برای اندازه گیری جریان می¬باشد:
-    گذر زمانی (Transient Time)
-    داپلر (Doppler)
1.    گذر زمانی (Transient Time)
همانطور که از نام این فلومتر پیداست، این ابزارها جریان را با استفاده از اندازه گیری زمان پیمایش یک پالس انرژی التراسونیک در امتداد لوله اندازه می¬گیرند. فلومتر التراسونیک معمولا شامل ترانسمیتر، ترانس دیوسر و یک قطعه لوله است. یک تکه لوله به همراه یک ترانس دیوسر دقیق یکی از رایج¬ترین ساختمان¬ها برای فلومترهای التراسونیک است. تکه لوله یا اسپول باید همیشه پر باشد تا عملکرد صحیح نمایش جریان را اطمینان دهد.

 

در این روش دو ترانسدیوسر بر روی لوله تعبیه می¬شوند. این دو ترانس دیوسر در یک زمان سیگنال التراسونیک را ارسال و در زمان دیگر دریافت می¬کنند. این موج التراسونیک پس از طی فاصله بین دو ترانس دیوسر، در لحظه ای مشخص توسط ترانس دیوسر دوم دریافت می¬گردد. سپس ترانس دیوسر دریافت کننده یک موج التراسونیک دیگر را به ترانس دیوسری که قبلا فرستنده بود ارسال می¬کند. این موج پس از طی مسافت مساوی با دفعه قبل، در زمان متفاوتی به دریافت کننده می¬رسد. با توجه به فاصله دو ترانس دیوسر، موج ارسالی یکبار موافق جهت جریان و در مسیر برگشت در خلاف جهت جریان حرکت می¬کند. طبیعتا موج ارسالی در دو زمان متفاوت بسته به سرعت جریان فاصله بین دو ترانس دیوسر را طی می¬کند.
ترانس دیوسرها بدون زاویه از نسبت به یکدیگر قرار داشته باشن

د

 

برای ارتقای دقت و عملکرد این فلومتر در سایزهای بالا، برخی از تامین کننده ها فلومترها را به همراه دو جفت، چهار جفت تراس دیوسر سفارش می¬دهند.
انواع قرارگیری ترانس دیوسرهای التراسونیک در روش گذر زمانی:
-    آرایش Z : پالس ارسالی یکبار قطر لوله را طی می¬کند.
-    آرایش V: پالس ارسالی دو بار قطر لوله را طی می¬کند.
-    آرایش W: پالس ارسالی چهار بار قطر لوله را طی می¬کند.

نکته 1: مقدار Turndown Ratio در فلومتر التراسونیک گذر زمانی  2000:1 است.
نکته 2: درصد خطای فلومتر سطح متغیر 2 % FULL SCALL می¬باشد.


2.    داپلر (Doppler)
برای اندازه گیری¬های التراسونیک که از اثر داپلر استفاده می¬کنند، باید سیال ناهمگون یا دارای ذرات جامد باشد تا بخشی از انرژی به صوت بازتاب داده شود. روش داپلر جهت اندازه گیری گازها غیر قابل استفاده است. زیرا این روش به درصد بالای مقدار ذرات همراه سیال وابسته است.

 

موج صوت با فرکانس ترانسمتر f1 به اجزا سیال در حال حرکت (اجزا جامد یا حباب گازی) پرتاب می-شود و بازتاب داده می¬شود. از این رو هریک از اجزا مانند ترانسمیتر متحرک عمل می¬کنند که با فرکانس f1 ترانسمیتر اصلی یکی است. فرکانس f2 فرکانسی است که بازتاب داده می¬شود

 

•    نصب فلومترهای التراسونیک

جریان سنج¬های التراسونیک در دو مدل نصب در دسترس هستند. یکی سیستم¬های در خط (IN-LINE) و دیگری سیستم¬های گیره ای (CLAMP-ON) . در طراحی N-LINE، ترانسدیوسرهای التراسونیک به صورت صلب در دیواره لوله جانمایی شده¬اند که به صورت مستقیم یا غیر مستقیم با سیال در تماس هستند. این سیستم¬ها می¬توانند دقتی در حدود % 0.5 نرخ جریان یا بهتر را فراهم کنند. در طراحی CLAMP-ON، ترانس دیوسرهای التراسونیک در بیرون پایپینگ جانمایی می¬شوند. پالس صوتی باید از دیواره لوله و هرگونه پوششی که در مسیر است عبور کند. در حین نصب قوانین بازتاب و انکسار باید در نظر گرفته شوند. این سیستم¬ها می¬توانند دقتی در حدود % 2 نرخ جریان را فراهم کنند. اگر کالیبراسیون در داخل سلیت انجام گیرد می¬توان دقت این سیستم را به % 0.5 نیز رساند.

 

-    فلومترهای التراسونیک از DN 25 تا DN 3000 موجود هستند. ولی در بالای DN 600 مدل CLAMP-ON ترجیح داده می¬شود.
-    از این جریان سنج¬ها برای سیالات با محدوده سرعت 1 تا 10 متر بر ثانیه و محدوده دمایی 40- تا 260 درجه سانتیگراد استفاده می¬شود.
در انتخاب فلومتر التراسونیک موارد زیر را باید در نظر داشت:
-    محدوده اندازه گیری جریان
-    فشار خط
-    نحوه نصب
-    چگالی سیال
-    ثابت یا متحرک بودن دستگاه
-    وجود ذرات ناخالص در دستگاه

•    کاربردها:
-    فرآیندهای شیمیایی
-    نیروگاه¬ها
-    آب و فاضلاب
-    صنایع غذایی
-    صنایع دارویی
-    تشخیص نشتی
-    صنایع نفت و گاز

•    مزایا:
-    دقت بالا
-    مورد تایید برای ارسال ایمن
-    محدوده کاری بالا
-    قابلیت تکرار پذیری
-    پایداری کالیبراسیون زیاد
-    حساس نبودن نسبت به تغییرات دما، فشار، چگالی و ویسکوزیته
-    توانایی تحمل دماهای شدید
-    عمر بالا
-    تعمیرات و نگهداری کم
-    بدون اجزای متحرک
-    قابل استفاده برای جریان¬های خورنده
-    افت فشار بسیار ناچیز
•    معایب:
-    قیمت بالا
-    شنیده شدن نویز در زمان ارسال سیگنال
-    اگر در داخل دیواره لوله تعبیه شود می¬تواند قطر داخلی را کاهش داده و بر دقت اندازه گیری اثر بگذارد
-    برای سرویس¬هایی که سرعت خیلی پایینی دارند مناسب نیست.




فلومتر الکترو مغناطیسی (Electromagnetic Flowmeter)
•    تعریف:
در 1832، مایکل فارادی یک اندازه گیر مغناطیسی در مقیاس بزرگ برای یک کانال باز ابداع کرد. او ابداع خود را برای اندازه گیری مقدار آب عبوری از زیر پل واترلو شهر لندن استفاده کرد. عمل فارادی موفقیت 100 درصدی در پی نداشت. اما پایه ای شد برای استفاده از این تجربه در صنایع گوناگون.

در چند دهه گذشته پس از ابداع تکنولوژی ساخت فلومترهای الکترومغناطیسی، تکنولوژی¬های دیگری مانند التراسونیک ابداع گردید. ولی هیچ یک از این تکنولوژی¬ها تاکنون نتوانسته اند با دقت و قابل اعتماد بودن مقادیر خوانده شده فلومترهای الکترومغناطیسی برابری نمایند.

 

فلومتر مغناطیسی نرخ حجمی جریانی که مقدار هدایت الکتریکی قابل اندازه گیری داشته باشد را اندازه گیری می¬کند. بیشتر هیدرو کربن¬های نفتی رسانایی الکتریکی لازم برای اندازه گیری توسط فلومترهای الکترومغناطیسی را ندارند. به همین دلیل، این فلومتر در صنعت نفت به سرویس¬های مشخصی مانند آب، اسیدها، ذرات چرب و سایر مایعات رسانا محصور می¬شود.
فلومتر از دو قسمت تشکیل شده است. قطعه اصلی فلومتر به صورت مستقیم در خط پروسسی نصب می-شود و جز ثانویه یک ترانسمیتر الکترونیکی است. جریان سنج یک سیگنال متناسب با حجم جریان تولید می¬کند.
فلومترهای الکترومغناطیسی به کمک اندازه گیری تغییرات شار مغناطیسی در اثر سرعت سیال می¬توانند مقدار جریان را اندازه گیری کنند. اصول اندازه گیری در این جریان سنج بر مبنای قانون القای فارادی می¬باشد. جریان سنج براساس این اصل ساخته شده است که اگر یک هادی در داخل یک میدان مغناطیسی حرکت نماید، ولتاژی در هادی القا می¬گردد. در جریان سنج، میدان مغناطیسی میدان  ثابت مغناطیسی که توسط سیم پیچ الکترو مغناطیسی در اطراف لوله قرار گرفته و در آن به طور دائمی جریان مستقیم عبور می¬نماید، ایجاد می¬شود. چون هم طول هادی و هم میدان مغناطیسی دارای مقدار ثابتی هستند. لذا ولتاژ القا شده در هادی توسط دو الکترود که در طرفین لوله کار گذلشته شده اند، دریافت می¬شوند.

قاعدتا هر جسم هادی که یک میدان مغناطیسی را قطع نماید، در داخل آن جسم ولتاژ القا خواهد شد که با شدت میدان مغناطیسی، زاویه برخورد و سرعت عبور آن جسم از درون میدان متناسب است. با توجه به ثابت بودن شدت میدان و زاویه برخورد، ولتاژ القا شده در داخل ماده هادی متناسب با سرعت حرکت سیال خواهد بود.

 

 

•    کاربردها:
فلومترهای الکترو مغناطیسی به صورت گسترده ای در جریان¬های دوغابی استفاده می¬شوند. آنها برای سیالات با ویسکوزیته بسیار بالا و مکان¬هایی که افت فشار ناچیز بخواهیم مناسب هستند. در زمان استفاده این جریان سنج¬ها در خلا بسیار مراقب باشید. زیرا برخی از شاخص¬ها و اندازه گیرهای فلومتر می¬توانند شکسته شده و در داخل خط لوله ای که سرویس خلا در آن است بیفتند. همچنین فلومتر مغناطیسی را در نزدیکی میدان الکتریکی آن کار نکنید. زیرا ممکن است فلومتر خاموش شود.
برای سرویس¬های دوغابی، سایز فلومتر باید به صورت مطمئن انتخاب شود تا در سرعتی بالاتر از سرعت سکون ذرات جامد عمل بکند (برای نمونه 1 فوت بر ثانیه). این عمل به منظور جلوگیری از پر شدن لوله از ذرات جامد می¬باشد که می¬تواند باعث اثرات مخرب در اندازه گیری جریان بشود. فلومترهای مغناطیسی برای سرویس¬های ساینده معمولا در سرعت¬های پایین (برای نمونه 3 فوت بر ثانیه) برای کاهش فرسودگی کار می¬کنند. این الزامات می¬توانند محدوده وسیهی از فلومترهای الکترومغناطیسی را ایجاد کند.
•    سرویس¬های مورد استفاده:
-    سرویس¬های دوغابی
-    بخارهای اسیدی
-    جریان¬های بسیار کوچک
-    سیالات با ویسکوزیته بالا

•    مزایا:
-    به تغییرات چگالی، ویسکوزیته و فشار استاتیکی وابسته نیست
-    افت فشار بسیار کم
-    مصرف برق کم
-    موجود بودن در سایزهای متنوع از mm 2.5  تا m 2.5 (inch 10/1  تا in 96)
•    معایب:
-    حساسیت در سرویس¬های سایشی
-    قیمت تقریبا بالا
-    قابلیت کالیبراسیون در محل اجرا را ندارد
-    برای هیدروکربن¬های نفتی مناسب نیست

نکته 1: مقدار Turndown Ratio در فلومتر الکترومغناطیسی 10:1 است.
نکته 2: درصد خطای فلومتر الکترو مغناطیسی 0.5%  FULL SCALEمی¬باشد.
با تشکر از حسن توجه شما همراهان گرامی
در اینجا پایان جلسه سوم سمینار انواع فلومترها و الزامات طراحی آنها در خطوط پایپینگ را اعلام می-کنم.