ایشاپ صنعت

جریان سنج جرمی چیست؟

دبی سنج جرمی نوعی دبی سنج است و دستگاهی است که دبی جرمی سیال در حال حرکت در لوله را به دقت اندازه گیری می کند. نرخ جریان جرمی جرم را در واحد زمان اندازه گیری می کند، که با دبی حجمی - که حجم را در واحد زمان اندازه گیری می کند - متفاوت است.

اندازه گیری جریان انبوه اساس اکثر فرمولاسیون های دستور العمل، تعیین تعادل مواد، صورتحساب، و عملیات انتقال حضانت در سراسر صنعت است. با توجه به اینکه این اندازه‌گیری‌ها حیاتی‌ترین اندازه‌گیری‌های جریان در یک کارخانه پردازش هستند، قابلیت اطمینان و دقت تشخیص جریان جرم از اهمیت بالایی برخوردار است.

جریان سنج جرمی چگونه کار می کند؟

دو فناوری جریانی که برای اندازه‌گیری جریان جرمی استفاده می‌شوند، اینرسی و حرارتی هستند. اینرسی متر که به عنوان جریان سنج کوریولیس شناخته می شود، از اثر کوریولیس برای اندازه گیری دبی جرمی استفاده می کند. هنگامی که یک سیال در یک لوله جریان دارد و از طریق وارد کردن مکانیکی چرخش ظاهری به لوله تحت شتاب کوریولیس قرار می گیرد، مقدار نیروی انحرافی ایجاد شده توسط اثر اینرسی کوریولیس تابعی از سرعت جریان جرمی سیال خواهد بود.

فلومترهای جرمی حرارتی همچنین دبی جرمی مایعات و گازها را به طور مستقیم و عملکرد را بر اساس اصول انتقال حرارت با استفاده از المنت گرمایشی و سنسورهای دما اندازه گیری می کنند.

انواع دبی سنج های جرمی

جریان سنج جرمی کوریولیس

فلومترهای جرمی کوریولیس یک شتاب مصنوعی کوریولیس - نیرویی ظاهری که نسبت به یک قاب در حال چرخش عمل می کند - به جریان جریان وارد می کند و با تشخیص تکانه زاویه ای حاصل، دبی جرمی را اندازه گیری می کند.

هنگامی که یک سیال در یک لوله جریان دارد و از طریق وارد کردن مکانیکی چرخش ظاهری به لوله تحت شتاب کوریولیس قرار می گیرد، مقدار نیروی انحرافی ایجاد شده توسط اثر اینرسی کوریولیس تابعی از سرعت جریان جرمی سیال خواهد بود.

جریان سنج جرمی حرارتی

فلومترهای جرمی حرارتی همچنین دبی جرمی گازها و مایعات را مستقیماً اندازه گیری می کنند. این کنتورها یا با وارد کردن مقدار مشخصی از گرما به جریان جاری و اندازه‌گیری تغییر دمای مربوطه یا با حفظ یک پروب در دمای ثابت و اندازه‌گیری انرژی مورد نیاز برای انجام این کار عمل می‌کنند. اجزای یک دبی سنج جرمی پایه شامل دو سنسور دما و یک بخاری الکتریکی بین آنها می باشد. بخاری می تواند به داخل جریان سیال بیرون بزند یا می تواند خارج از لوله باشد.

کاربردهای رایج متر جریان جرمی

جریان سنج جرمی اغلب در نظارت یا کنترل فرآیندهای مرتبط با جرم (مانند واکنش های شیمیایی) که به جرم نسبی مواد تشکیل دهنده واکنش نداده بستگی دارد، مانند فرمولاسیون دستور پخت، تعیین تعادل مواد و عملیات انتقال صورت حساب و نگهداری استفاده می شود. از آنجایی که اینها حیاتی ترین اندازه گیری های جریان در یک کارخانه فرآوری هستند، قابلیت اطمینان و دقت اندازه گیری جریان جرم بسیار مهم است.

فلومترهای جرمی کوریولیس در کاربردهای مختلف در صنایع مختلف و همچنین در کاربردهای علمی - برای اندازه گیری گازها و مایعات خورنده و تمیز استفاده می شود. آنها دقت بالایی در اندازه گیری چگالی اندازه گیری جریان جرمی، اندازه گیری دما و ویسکوزیته ارائه می دهند. دبی سنج های حرارتی اغلب در نظارت یا کنترل فرآیندهای مرتبط با جرم مانند واکنش های شیمیایی که به جرم نسبی مواد تشکیل دهنده واکنش نداده بستگی دارد استفاده می شود.

برخی از کاربردهای رایج جریان گاز برای کنتورهای جرمی حرارتی شامل اندازه گیری هوای احتراق در دیگهای بزرگ، اندازه گیری گاز فرآیند نیمه هادی در صنایع شیمیایی و پتروشیمی، کاربردهای تحقیق و توسعه، کروماتوگرافی گازی، و فیلتر و تست نشت می باشد. در تشخیص جریان جرمی بخارات و گازهای تراکم پذیر، اندازه گیری تحت تأثیر تغییرات فشار و/یا دما قرار نمی گیرد. یکی از قابلیت‌های دبی‌سنج‌های جرمی حرارتی، اندازه‌گیری دقیق دبی گاز یا سرعت کم گاز (زیر 25 فوت در دقیقه) است - بسیار کمتر از آن چیزی که با هر دستگاه دیگری قابل تشخیص است. فلومترهای حرارتی در صورتی که در حالت اختلاف دمای ثابت کار کنند، برد بالایی (10:1 تا 100:1) را فراهم می کنند.

از طرف دیگر، اگر گرمای ورودی ثابت باشد، توانایی تشخیص تفاوت‌های دمایی بسیار کوچک محدود می‌شود و دقت و بردپذیری کاهش می‌یابد. در جریان های معمولی، خطاهای اندازه گیری معمولاً در محدوده 1-2٪ در مقیاس کامل هستند.

محدودیت های جریان سنج جرمی چیست؟

دبی سنج های جرمی می توانند بردپذیری بسیار بالا و دقت بالایی داشته باشند، اما محدودیت های جدی نیز دارند. متغیرهای محیطی و خطاهای خواندن، محاسبه و تنظیم می توانند باعث کاهش کارایی، آسیب احتمالی تجهیزات و در نهایت کاهش دقت شوند.

مشکلات بالقوه دبی سنج ها عبارتند از:

فلومترهای جرمی کوریولیس به سرعت جریان بالایی برای تشخیص نیاز دارند - و این منجر به افت فشار بالا می شود.

کنتورهای کوریولیس در مقایسه با سایر دبی مترها گران هستند. آنها همچنین برای لوله های با اندازه بزرگتر در دسترس نیستند.

دبی سنج های حرارتی تحت تأثیر تراکم رطوبت (در گازهای اشباع) روی آشکارساز دما قرار می گیرند - این امر باعث می شود دماسنج پایین خوانده شود و می تواند منجر به خوردگی شود.

فلومترهای جرمی حرارتی تحت تأثیر پوشش یا تجمع مواد روی سنسور قرار می گیرند - این امر از انتقال گرما جلوگیری می کند و باعث می شود که متر خوانده شود.

فلومترهای جرمی حرارتی تحت تأثیر تغییرات حرارت ویژه ناشی از تغییرات در ترکیب گاز قرار می گیرند.

اندازه گیری جریان جرمی: تاریخچه

در گذشته، دبی جرمی اغلب از خروجی های یک دبی سنج حجمی و یک چگالی سنج محاسبه می شد. چگالی یا به طور مستقیم اندازه گیری شد (شکل 1-A) یا با استفاده از خروجی فرستنده های دما و فشار فرآیند محاسبه شد. این اندازه‌گیری‌ها خیلی دقیق نبودند، زیرا رابطه بین فشار فرآیند یا دمای فرآیند و چگالی همیشه دقیقاً مشخص نیست - هر سنسور خطای جداگانه خود را به خطای کلی اندازه‌گیری اضافه می‌کند و سرعت پاسخگویی چنین محاسباتی معمولاً برای تشخیص کافی نیست. تغییرات مرحله ای در جریان

عکس 1

یکی از طرح‌های اولیه دبی‌سنج‌های جرمی مستقل که با استفاده از تکانه زاویه‌ای کار می‌کرد (شکل 1-B). این پروانه دارای یک پروانه موتور محور بود که با شتاب دادن به سیال تا یک سرعت زاویه ای ثابت، تکانه زاویه ای (حرکت چرخشی) ایجاد می کرد. هر چه چگالی بیشتر باشد، تکانه زاویه ای بیشتری برای به دست آوردن این سرعت زاویه ای مورد نیاز است. در پایین دست پروانه رانده، یک توربین ثابت فنری در معرض این تکانه زاویه ای قرار گرفت.

گشتاور حاصل (پیچش فنری) نشانگر جریان جرمی بود. این مترها همگی دارای قطعات متحرک و طراحی های مکانیکی پیچیده بودند. اولین بار برای اندازه گیری سوخت هواپیما ساخته شد، برخی هنوز در حال استفاده هستند. با این حال، به دلیل ماهیت پیچیده و هزینه های بالای تعمیر و نگهداری، آنها به تدریج با طراحی های قوی تر و کمتر نیاز به تعمیر و نگهداری جایگزین می شوند.

جریان جرمی را می توان با توزین دسته ای یا با ترکیب یک سنسور سطح دقیق با یک چگالی سنج اندازه گیری کرد. روش دیگر نصب دو فرستنده d/p در قسمت پایین مخزن اتمسفر در ارتفاعات مختلف است. در این حالت، خروجی سلول d/p بالایی با سطح مخزن تغییر می‌کند، در حالی که سلول پایینی هد هیدرواستاتیک را در یک فاصله ارتفاعی ثابت اندازه‌گیری می‌کند. این اختلاف فشار باعث ایجاد چگالی مواد در مخزن می شود. چنین سیستم هایی برای اندازه گیری کل جریان جرمی دوغاب ها استفاده شده است.

اندازه‌گیری جریان جرمی در مقابل اندازه‌گیری جریان حجمی

اندازه‌گیری جریان جرمی و اندازه‌گیری جریان حجمی هر دو تکنیک‌های مهمی هستند که برای اندازه‌گیری مقدار جریان در یک سیستم استفاده می‌شوند. در حالی که این دو مفهوم به هم مرتبط هستند، از چند جهت کلیدی با هم تفاوت دارند. اندازه‌گیری جریان جرمی به مقدار جرمی که در یک سیستم در یک بازه زمانی معین در حال حرکت است، معمولاً بر حسب گرم در ثانیه اندازه‌گیری می‌شود.

اندازه‌گیری جریان حجمی مربوط به مقدار فضایی است که جرم در یک زمان معین اشغال می‌کند، که معمولاً بر حسب لیتر در ثانیه اندازه‌گیری می‌شود. یک شباهت بین این دو این است که هر دو سرعت جریان چیزی در یک سیستم را اندازه گیری می کنند. علاوه بر این، هر دو اندازه‌گیری معمولاً در ترکیب با اندازه‌گیری‌های دیگر استفاده می‌شوند تا درک بهتری از سیستم به‌عنوان یک کل داشته باشند.

دبی سنج صفحه اوریفیس معمولاً در سرویس های مایع، گاز و بخار تمیز استفاده می شود. برای همه اندازه‌های لوله موجود است و اگر افت فشار مورد نیاز آزاد باشد، برای اندازه‌گیری جریان در لوله‌های بزرگتر (قطر بیش از ۶ اینچ) بسیار مقرون به صرفه است. صفحه اوریفیس همچنین توسط بسیاری از سازمان های استاندارد برای انتقال مایعات و گازها تایید شده است.

محاسبه صفحه روزنه‌ای که امروزه استفاده می‌شود هنوز با یکدیگر متفاوت است، اگرچه سازمان‌های استاندارد مختلف در تلاش هستند تا یک معادله جریان روزنه‌ای واحد و پذیرفته‌شده جهانی را اتخاذ کنند. برنامه‌های اندازه‌گیری صفحه اوریفیس معمولاً به کاربر این امکان را می‌دهند که معادله جریان مورد نظر را از بین چندین مورد انتخاب کند.

صفحه اورفیس متر می تواند از هر ماده ای ساخته شود، اگرچه فولاد ضد زنگ رایج ترین است. ضخامت صفحه مورد استفاده (1/8-1/2 اینچ) تابعی از اندازه خط، دمای فرآیند، فشار و فشار دیفرانسیل است. دبی سنج روزنه ای سنتی یک صفحه دایره ای نازک (با زبانه ای برای جابجایی و داده ها) است که در خط لوله بین دو فلنج یک اتصال روزنه قرار می گیرد. این روش نصب مقرون به صرفه است، اما هر زمان که صفحه برای تعمیر و نگهداری یا بازرسی برداشته شود، باید فرآیند خاموش شود. در مقابل، یک اتصالات روزنه ای اجازه می دهد تا دهانه از فرآیند بدون کاهش فشار خط و قطع جریان خارج شود. در این گونه اتصالات، از صفحه روزنه جهانی، یک صفحه دایره ای بدون زبانه، استفاده می شود.

دبی سنج صفحه اوریفیس متحدالمرکز دارای یک حفره متحدالمرکز تیز (لبه مربع) است که یک تماس خط تقریبا خالص بین صفحه و سیال با کشش اصطکاک ناچیز در مرز ایجاد می کند. نسبت بتا (یا قطر) صفحات روزنه متحدالمرکز از 0.25 تا 0.75 متغیر است. حداکثر سرعت و حداقل فشار استاتیکی در حدود 0.35 تا 0.85 قطر لوله در پایین دست صفحه روزنه رخ می دهد. به آن نقطه ورید منقبض می گویند. اندازه گیری فشار دیفرانسیل در محلی نزدیک به صفحه روزنه، اثر زبری لوله را به حداقل می رساند، زیرا اصطکاک بر روی سیال و دیواره لوله تأثیر می گذارد.

شیرهای فلنجی عمدتاً در ایالات متحده استفاده می شوند و در فاصله 1 اینچی از سطوح صفحه روزنه قرار دارند (شکل 2-3). آنها برای استفاده در خطوط لوله با قطر کمتر از 2 اینچ توصیه نمی شوند. شیرهای گوشه ای در اروپا برای همه اندازه های لوله غالب است و در ایالات متحده برای لوله های زیر 2 اینچ استفاده می شود (شکل 2-3). با شیرهای گوشه ای، فاصله های نسبتاً کوچک یک مشکل بالقوه نگهداری را نشان می دهد. شیرهای Vena contracta (که نزدیک به شعاع شیرها هستند، شکل 2-4) یک قطر لوله در بالادست صفحه و پایین دست در نقطه ورید قراردادی قرار دارند. این مکان (با نسبت بتا و عدد رینولدز) از 0.35D تا 0.8D متفاوت است.

شیرهای ورید انقباض حداکثر اختلاف فشار و همچنین بیشترین صدا را ایجاد می کنند. علاوه بر این، اگر صفحه عوض شود، ممکن است نیاز به تغییر در محل شیر داشته باشد. همچنین، در لوله های کوچک، ورید منقبض ممکن است زیر فلنج قرار گیرد. بنابراین، شیرهای Vena contracta معمولاً فقط در اندازه‌های لوله بیش از شش اینچ استفاده می‌شوند.

شیرهای شعاعی شبیه به شیرهای منقبض ورید هستند، با این تفاوت که شیر پایین دست در 0.5D از صفحه روزنه ثابت است (شکل 2-3). شیرهای لوله به قطر 2.5 لوله در بالادست و 8 قطر پایین دست از دهانه قرار دارند (شکل 2-3). آنها کوچکترین اختلاف فشار را تشخیص می دهند و به دلیل فاصله شیر از دهانه، اثرات ناهمواری لوله، ناهماهنگی ابعادی و بنابراین خطاهای اندازه گیری بیشترین میزان را دارند.

انواع روزنه و انتخاب

صفحه دهانه متحدالمرکز برای مایعات، گازها و جریان بخار تمیز توصیه می شود که اعداد رینولدز از 20000 تا 107 در لوله های زیر 6 اینچ متغیر باشد. از آنجایی که معادلات اصلی جریان روزنه فرض می‌کنند که سرعت جریان بسیار کمتر از صوت است، اگر سرعت‌های صوتی مورد انتظار باشد، رویکرد نظری و محاسباتی متفاوتی مورد نیاز است. حداقل عدد رینولدز توصیه شده برای جریان از دهانه (شکل 1-5) با نسبت بتا دهانه و اندازه لوله متفاوت است. در لوله های سایز بزرگتر، حداقل عدد رینولدز نیز افزایش می یابد.

به دلیل این حداقل در نظر گرفتن عدد رینولدز، روزنه های لبه مربعی به ندرت در سیالات چسبناک استفاده می شوند. صفحات روزنه ای چهار لبه و مخروطی (شکل 2-5) زمانی توصیه می شود که عدد رینولدز زیر 10000 باشد. شیرهای فلنجی، گوشه و شعاع همگی می توانند با دهانه های لبه ربع استفاده شوند، اما فقط شیرهای گوشه باید با دهانه مخروطی استفاده شوند.

صفحات منفذی متحدالمرکز را می توان با سوراخ های تخلیه برای جلوگیری از تجمع مایعات حباب شده در جریان های گاز، یا با سوراخ های دریچه برای تخلیه گازهای حباب شده از مایعات (شکل 2-4A) ارائه کرد. اگر قطر سوراخ کمتر از 10 درصد سوراخ سوراخ باشد، جریان اندازه‌گیری نشده عبوری از دریچه یا سوراخ تخلیه معمولاً کمتر از 1٪ کل جریان است. با این حال، کارایی سوراخ‌های هواکش/ تخلیه محدود است، زیرا اغلب آنها را وصل می‌کنند.

متر صفحات روزنه ای متحدالمرکز برای سیالات چند فاز در خطوط افقی توصیه نمی شود زیرا فاز ثانویه می تواند در اطراف لبه بالادست صفحه ایجاد شود. در موارد شدید، این می تواند دهانه را مسدود کند یا می تواند الگوی جریان را تغییر دهد و خطای اندازه گیری ایجاد کند. صفحات دهانه غیرعادی و سگمنتال برای چنین کاربردهایی مناسب تر هستند. روزنه های متحدالمرکز هنوز برای جریان های چند فازی در خطوط عمودی ترجیح داده می شوند زیرا احتمال تجمع مواد کمتر است و داده های اندازه برای این صفحات قابل اعتمادتر است.

دبی سنج دهانه خارج از مرکز شبیه به هم مرکز است با این تفاوت که دهانه از خط مرکزی لوله جدا می شود. دهانه سگمنتال (شکل 2-4C) قطعه ای از یک دایره است. اگر فاز ثانویه یک گاز باشد، دهانه یک دهانه خارج از مرکز به سمت بالای لوله قرار می گیرد. اگر فاز ثانویه مایع در گاز یا دوغاب در جریان مایع باشد، دهانه باید در انتهای لوله باشد. مساحت زهکشی روزنه سگمنتال بزرگتر از روزنه خارج از مرکز است و بنابراین در کاربردهایی با نسبت های بالای فاز ثانویه ترجیح داده می شود.

این صفحات متر معمولاً در اندازه لوله هایی با قطر بیش از چهار اینچ استفاده می شود و باید با دقت نصب شوند تا اطمینان حاصل شود که هیچ بخشی از فلنج یا واشر با دهانه تداخل نداشته باشد. شیرهای فلنجی برای هر دو نوع صفحه استفاده می‌شوند و در ربع مقابل دهانه دهانه خارج از مرکز، در راستای حداکثر ارتفاع سد برای روزنه سگمنتال قرار دارند.

برای اندازه گیری نرخ جریان پایین، یک سلول d/p با روزنه یکپارچه ممکن است بهترین انتخاب باشد. در این طرح، کل جریان فرآیند از سلول d/p عبور می کند و نیاز به خطوط سرب را از بین می برد. اینها دستگاه های اختصاصی با داده های کمی منتشر شده در مورد عملکرد خود هستند. ضرایب جریان آنها بر اساس کالیبراسیون آزمایشگاهی واقعی است. آنها فقط برای سیالات تمیز و تک فاز توصیه می شوند زیرا حتی مقدار کمی از تجمع خطاهای اندازه گیری قابل توجهی ایجاد می کند یا دستگاه را مسدود می کند.

روزنه های محدود کننده برای حذف فشار اضافی نصب می شوند و معمولاً در سرعت های صوتی با نسبت بتا بسیار کوچک کار می کنند. افت فشار در سرتاسر یک روزنه محدود نباید از 500psid تجاوز کند که دلیل آن مسدود شدن یا گاز گرفتن است. در تاسیسات روزنه محدودکننده چند عنصری، صفحات تقریباً یک قطر لوله از یکدیگر قرار می گیرند تا از بازیابی فشار بین صفحات جلوگیری شود.