اندازه گیری فلو مبتنی بر فشارسنج تفاضلی

فهرست مطالب

اندازه­ گیری فشار تفاضلی برای کاربرد اندازه­ گیری فلو

فشار سنج تفاضلی امروزه جزو یکی از پرکاربردترین ادوات ابزار دقیق در صنعت به حساب می آید. همانطور که از نام این ابزار مشخص است؛ این تجهیزات اختلاف فشار بین دو نقطه را مشخص می کنند. امّا این که اختلاف فشار چه کمکی به فرآیند اتوماسیون می کند و همچنین چگونه با استفاده از این اختلاف فشار اندازه گیری  فلو انجام می شود؛ موضوعی است که در این مقاله، پس از بیان یک مقدمه، به آن پرداخته می شود.

 

معرفی فشار

همانطور که از فیزیک می دانیم؛ کمیت فشار به مقدار نیروی وارده بر واحد سطح گفته می­ شود. در مورد سیالات (مایعات و گازها) این سطح شامل قسمت­های داخلی لوله، تانکر یا هر محفظه ی آب ­بندی شده ­ای می باشد. برای اندازه­ گیری فشار پنج واحد مشهور از جمله پاسکال (Pascal)، بار (bar)، جوّ (atm)، torr و پوند بر اینچ مربع (psi) مطرح هستند که در صنعت دو واحد bar و psi از دیگر واحدها پرکاربردتر هستند. به این صورت که اغلب تجهیزات فشارسنج ابزاردقیق موجود در بازار از یکی از این دو واحد برای بیان کمیت فشار استفاده می­ کنند. در ادامه تعریف این دو واحد آورده شده است.

اندازه گیری فلو مبتنی بر فشارسنج تفاضلی
  • bar: هر bar برابر است با فشار اتمسفر بر واحد سطح دریا. این واحد معادل 100 کیلو پاسکال است.
  • psi: هر psi برابر است با فشار جسمی با وزن یک پوند بر سطحی به مساحت یک اینچ مربع. این واحد معادل حدود 6.9 کیلو پاسکال است.

فشارسنج تفاضلی

فشارسنج تفاضلی یا به اختصار DPT (Differential Pressure Transmitter) ابزاری برای محاسبه ی اختلاف فشار بین دو منبع مختلف می باشد. فشارسنج تفاضلی امروزه برای کاربردهای متفاوتی از جمله اندازه گیری فلو، اندازه گیری سطح، اندازه گیری چگالی(دانسیته)، اندازه گیری چسبناکی(viscosity) و حتی اندازه گیری دما مورد استفاده قرار می گیرد.

اندازه گیری فلوی عبوری با استفاده از فشارمتر تفاضلی

یکی از متداول ترین کاربردهای این نوع فشارسنج استفاده از آن برای اندازه گیری فلو در صنعت می باشد. در این کاربرد، با استفاده از اندازه گیری فشار تفاضلی بین دو نقطه ی متفاوت از لوله عبوری سیال، مقدار دبی لحظه ای محاسبه می شود. فلومترهای مبتنی بر فشارسنج تفاضلی به طور کلی از سه جزء مهم تحت عناوین محفظه ی الکترونیکی (Electronics Housing)، قسمت اولیه(primary element) و قسمت ثانویه(secondary element) تشکیل شده اند. این بخش ها در شکل زیر نمایش داده شده است.

اندازه گیری فلو مبتنی بر فشارسنج تفاضلی1

قسمت اولیه(primary element) عمدتاً به جهت ایجاد اختلاف فشار با افزایش مقدار دبی طراحی شده است. این قسمت وابسته به کاربرد، در انواع مختلفی وجود دارد که در شکل زیر تعدادی از مدل های این قسمت آورده شده است.

اندازه گیری فلو مبتنی بر فشارسنج تفاضلی2

قسمت ثانویه این فلومترها، بخش اندازه گیری فشار تفاضلی می باشد. این قسمت در واقع برای اندازه گیری هر چه دقیق تر اختلاف فشار ناشی از قسمت اولیه تعبیه شده است. در صورت وجود اختلاف فشار بین دو سمت، دیافراگم دچار تغییر حالت می شود. در ادامه تغییر حالت دیافراگم به سیگنال الکتریکی تبدیل شده و پس از پردازش سیگنال و تقویت آن، سیگنال به یک جریان یا ولتاژ خروجی جهت ارسال به سیستم کنترلی تبدیل می شود. این سیگنال خروجی ممکن است جریان 4-20 میلی آمپر، ولتاژ 0-5 ولت یا ولتاژ .-10 ولت باشد.

یکی از راه های متداول اندازه گیری فلو استفاده از ترانسمیتر فشارسنج تفاضلی ایجاد یک مجرای تنگ شونده در لوله توسط قسمت اولیه فلومتر می باشد. این مجرا باعث می¬شود یک اختلاف فشار در دو طرف آن ایجاد شود. در این مدل افزایش نرخ فلو باعث افزایش افت فشار اندازه گیری شده می گردد. از طرفی قسمت ثانویه (فشارسنج تفاضلی) می تواند اختلاف فشار دو طرف مجرا را اندازه بگیرد و با استفاده از این اختلاف فشار، نرخ فلوی عبوری از لوله محاسبه می شود. شکل زیر تصویر شماتیکی این نوع فلومتر را نمایش می دهد.

اندازه گیری فلو مبتنی بر فشارسنج تفاضلی3

 

چگونه با محاسبه اختلاف فشار می شود مقدار فلو را اندازه گرفت؟

(اندازه گیری فلو مبتنی بر فشارسنج تفاضلی)

فلومترهای فشارسنج تفاضلی با استفاده از قانون برنولی با داشتن افت فشار مقدار فلوی سیال را محاسبه می کنند. با استفاده از قانون برنولی؛ می توان استناد کرد که افت فشار در راستای مجرای تنگ شونده با مجذور نرخ فلوی عبوری از لوله متناسب است. رابطه ی زیر قانون برنولی را بیان می کند.

که در رابطه ی بالا، ρ چگالی سیال، g شتاب گرانش، P_1 و P_2 فشار در پورت یک و دو، v_1 و v_2 سرعت سیال در پورت یک و دو، h_1 و h_2 ارتفاع سیال از سطح زمین در پورت یک و دو می باشند. بنابراین، طبق رابطه ی بالا، با کاهش فشار در پورت دوم بایستی سرعت سیال افزایش پیدا کند. شکل زیر این موازنه سرعت و فشار را به خوبی نمایش می دهد.

 

اندازه گیری فلو مبتنی بر فشارسنج تفاضلی5

در نهایت با اندازه گیری اختلاف فشار بین دو پورت و با استفاده از این قانون، سرعت سیال در لوله و در ادامه فلوی سیال محاسبه می شود. در ادامه به طور دقیق تر نحوه ی محاسبه ی فلوی سیال با استفاده از اختلاف فشار و دیگر پارامترهای لوله آورده شده در شکل شماتیکی زیر محاسبه می شود.

اندازه گیری فلو مبتنی بر فشارسنج تفاضلی6

با استفاده از قانون برنولی داریم:

 

اندازه گیری فلو مبتنی بر فشارسنج تفاضلی7

که در این رابطه، q مقدار فلوی سیال بر حسب m^3/s ، c_D ضریب تخلیه و برابر با نسبت A_2/A_1 ، P_1 و P_2 فشار با واحد N/m^2 ، پارامتر ρ دانسیته(چگالی) سیال بر حسب Kg/m^3 ، D_2 قطر داخلی قسمت اولیه بر حسب متر، D_1 قطر داخلی لوله بر حسب متر و پارامتر d برابر با نسبت D_2/D_1 می باشند.

 

جمع بندی

در پایان لازم است یادآور شد که استفاده از سنسورهای فشار تفاضلی برای محاسبه ی فلوی جریان در صنعت بسیار پرکاربرد است. علاوه بر این، این ابزارها می توانند کاربردهایی مانند محاسبه ی فلو در وسایل دمنده، فیلترهای تصفیه کننده، هودهای تهویه، دیگ های بخار گاز یا مباحث کنترلی مربوط به سیستم¬های گرمایشی و تهویه مطبوع (HVAC) و سیستم های هواساز حجم متغیر (VAV) مورد استفاده قرار بگیرد. همچنین در کاربردهای پزشکی، برای کاربرد تحویل داروی مایع از سنسورهای فشار تفاضلی برای اندازه گیری نرخ فلوی 0.5 تا 10 میلی لیتر بر دقیقه استفاده می شود.