درادامه مطالب قبلی درخصوص تشریح  اصول عمکرد ، ساختار ، مزایا و محدودیتهای عملکردی جریان سنجهای (فلومترهای) مغناطیسی ، گردابی و ماورای صوت(لینک های زیر) ، دراین پست به جریان سنج های توربینی پرداخته میشود.

لینک جریان سنج مغناطیسی : http://calibration-info.blogfa.com/post-80.aspx

لینک جریان سنج گردابی : http://calibration-info.blogfa.com/post-81.aspx

 لینک جریان سنج ماورای صوت : http://calibration-info.blogfa.com/post-82.aspx

 

جریان سنج توربینی

محسن جزمی - خرداد 1396

 

 1) اصول عملکرد جریان سنج توربینی

جریان سنج توربینی از یک توربین که در مسیر عبور سیال قرار می گیرد استفاده می کند ونام خود را مرهون آنست (شکل 1)

 

جریان سنج توربینی با حسگر نوع مغناطیسی

شکل 1) جریان سنج توربینی (با حسگر نوع مغناطیسی)

 

مواد در حال حرکت توربین را با سرعتی میچرخاند که متناسب با سرعت مواد و در نتیجه مقدار جریان سیال است (با شرط حداقل بودن اصطکاک چرخشی توربین ) . با استفاده ازیک حسگر سیگنال که بطور عمودی با روتور توربین نصب میشود، سرعت چرخش ( تعداد دور بر واحد زمان) توربین را می توان اندازه گیری کرد.

 

دو نوع برداشت کننده سیگنال وجود دارد :

  • نوع مغناطیسی و
  • نوع امواج فرکانس بالا

حسگر نوع مغناطیسی از یک مغناطیس دائمی همراه با یک پیچه[1] شکل می گیرد. مکانیزم اندازه گیری با حسگر مغناطیسی میتواند به دو صورت طراحی و ساخته شود:

  1.  مغناطیس دائم  برروی قاب دوار (که همراه با پره های توربین میچرخد ) نصب میشود (مانند شکل1)  و  با چرخش خود میدام مغناطیسی متناوبی با فرکانسی معادل سرعت چرخش توربین ( و متناسب با جریان سیال) را درپیچه ایجاد میکند .دراین نوع مکانیزم ، پره های توربین میتواند غیر فلزی باشند.
  2. مغناطیس دائم درون پیچه ثابت قرار میگیرد .  وقتی پره های فلزی روتور توربین درحال چرخش ، میدان مغناطیسی موجود را قطع می کنند یک جریان متناوب الکتریکی بافرکانسی که متناسب با مقدار جریان سیال است در پیچه القاء می شود .

حسگر نوع فرکانس بالا از یک نوسان ساز که موج حامل با فرکانس بالا را به پیچه حسگر منتقل میکند تشکیل شده است .چرخش توربین ، موج حامل را بسته به سرعت چرخش روتور توربین مدوله می کند .

 خروجی هر دو حسگر بصورت پالسهایی است تعداد (یا فرکانس ) آنها متناسب با میزان جریان سیال است

 

تمامی جریان سنجهای توربینی بوسیله ضریبی با عنوان ضریب K مشخص می شوند.  این ضریب نشاندهنده اینست که برای جریان خاصی از سیال مشخص،  چه تعداد پالس بر هر واحد حجم سیال عبوری( بطور مثال لیتر ) توسط جریان سنج تولید میشود .ضریب K از رابطه  زیر بدست می آید :

که:

  • Qv : مقدار جریان حجمی سیال(برحسب liter/min)
  • f :  فرکانس (برحسب   pulse/sec)
  • K :  ضریبی بدون یکا که به چسبندگی سیال  بستگی دارد

 

برای اندازه گیری جریان حجمی سیال با استفاده از جریان سنج توربینی ، لازمست ضریب K معلوم باشد. درحالت ایده آل ، ضریب K بایستی مقدار ثابتی  داشته باشد ، اما درواقع برای سیالی مشخص با دمایی معین (که چسبندگی سیال را تثبیت میکند)، ضریب K با مقدار جریان سیال تغییر میکند.شکل 2 تغییرات K با مقدار جریان سیال (بصورت نوعی) رانمایش میدهد.

 

تغییرات ضریب K با مقدارجریان سیال در جریان سنج توربینی

شکل 2) تغییرات ضریب K با مقدارجریان سیال در جریان سنج توربینی

 

 منحنی "جبران نشده" متعلق به جریان سنج توربینی پایه می باشد. برای جریانات کم ، اثر چسبندگی باعث تغییرات K میشودو پس از آن درمحدوده های بالاتر (درشکل 2 برای فرکانس 1 تا 10) K تقریبا تثبیت میشود. در جریانهات بسیار بالای سیال نیز مقدار K کاملا تثبیت میشود ،ولی بدلیل افت فشار دو سر جریان سنج و کاهش عمر یاتاقانها این ناحیه درعمل استفاده نمیشود.

با اضافه کردن یک حسگر دما و پردازش داده های جمع آوری شده ، چسبندگی و چگالی سیال قابل محاسبه خواهد بود و میتوان با توجه به تغییرات آنها ، ضریب K را توسط پردازشگر تثبیت و به اصطلاح"جبران" کرد و ناحیه صاف وثابت را در منحنی برای جریانهای کم نیز گسترش داد. علاوه براین محاسبه چگالی سیال ، امکان محاسبه جریان جرمی سیال که معمولا مهمتر از جریان حجمی آن است میسر میشود.

 

نکته : جریان سنج نوع چرخ پره دار متحرک[2] یک نوع جریان سنج توربینی محسوب می شود  که اساس کار آن ساده و مطابق شکل 3 است. از این نوع جریان سنج توربینی معمولا برای اندازه گیری سیال آب یا مشابه آن استفاده میکنند .   جنس بدنه و پره آن از پلی پروپیلن PVDF میباشد . بصورت نوعی گستره آن  از 20 تا 150 لیتر بردقیقه  بادرستی 1 تا 3 درصد حداکثر گستره اندازه گیری میباشد و تادمای 60 درجه سلسیوس و فشار 10 بار کارمیکند.قیمت آن نیز  نسبتا ارزان است.

 

جریان سنج نوع چرخ پره دار متحرک

 شکل 3) جریان سنج نوع چرخ پره دار متحرک

 

2) جریان سنج توربینی با دو روتور

بمنظور بهبود عملکرد جریان سنج توربینی کلاسیک که دارای یک روتور است ، از جریان سنج توربینی با دو روتور میتوان استفاده کرد (شکل 4) . در یک نوع آن دوروتور عکس هم میچرخند و یک حسگر برای اندازه گیری تعداد چرخش روتور اصلی پیش بینی شده است و درنوع دیگر روتورها هم جهت میچرخند و از دو حسگر برای اندازه گیری تعداد چرخش هر روتور استفاده میشود.

 

توربین با دوروتور

شکل 4) توربین با دو روتور

 

در فن آوری دوروتوره با چرخش معکوس هم ، عیب یابی یاتاقانها میسر میشود و بدلیل کاهش حساسیت به تلاطم سیال ، نیازی به یکنواخت کننده های جریان سیال در سمت بالاسری و پایین سری جریان سنج توربینی نمیباشد و گستره خطی اندازه گیری آن نیز توسعه پیدا میکند.

درفن آوری دوروتوره با چرخش هم جهت که برای اندازه گیری با درستی بالای گاز طبیعی فروخته شده به مشتریان شهری یا صنعتی استفاده میشود، از دو روتور ، یکی روتور اصلی در سمت بالادست و دیگری روتور حس کننده درسمت پایین دست جریان سیال استفاده میشود و به دو حسگر مجزا برای اندازه گیری تعداد پالسهای ایجاد شده در دو روتور مجهز شده است . آنها طوری کالیبره میشوند که روتوراصلی ، 110 درصد  و روتور حس کننده 10 درصد مقدار جریان واقعی سیال  را نشان دهند . تفاضل این دو مقدار ، مقدار واقعی جریان سیال را به دست خواهد داد. بدلیل طراحی یکپارچه این نوع جریان سنج، اگر اصطکاک یاتاقانهای روتور اصلی نسبت به مقدار آن درزمان کالیبراسیون افزایش پیداکند و بطور مثال سرعت روتوراصلی را به اندازه 2درصد کاهش بدهد، آنگاه سرعت روتور روتور حس کننده نیز 2درصد کاهش پیدا خواهد کرد و در حاصل تفاضل که متناسب با مقدار واقعی جریان سیال است تغییری ایجاد نخواهد شد. علاوه براین با استفاده از نسبت سرعت های دو روتور، میتوان برای عیب یابی استفاده کرد ، از تغییرات شرایط بطور مثال نسبت به زمان کالیبراسیون اطلاع حاصل کرد و درستی اندازه گیری و گستره خطی کار را افزایش داد.

  

3 ) مشخصات جریان سنجهای توربینی

  • جریان سنج توربینی در جلو و پشت خود به لوله های یکنواخت کننده نیاز دارد . طول لوله های افقی که در جلو و پشت روتور سوار می شوند بستگی به شرایط جریان سیال دارد . بعنوان یک قانون سرانگشتی طول لوله متعادل کننده در سمت بالادستی 15 برابر قطر لوله  و در سمت پایین دستی 5 برابر قطر لوله  منطقی به نظر می رسد
  • در فرآیندهای پیوسته ، استفاده از مسیر فرعی برای عبور سیال  (که مجموعه جریان سنج ، لوله های متعادل کننده ، فیلترو شیرهای ورودی و خروجی جریان سنج را کنار میگذارد) ، امکان جایگزینی و تمیز نمودن جریان سنج و فیلتر آن را،  بدون  نیاز به توقف فرآیند مهیا میسازد
  • برای جلوگیری از تجمع آلودگی که منجر به توقف توربین می شود از یک فیلتر که در ورودی جریان سنج توربینی قرار داده می شود می توان استفاده کرد
  • انتخاب گستره وسیعی از جریان سنجی هم برای گازها و هم برای مایعات را ممکن می کند
  • جریان سنجهای توربینی تجاری در گستره از 0.04 تا 110,000  لیتر بردقیقه برای مایعات و 0.3 لیتر بردقیقه تا 400 متر مکعب بردقیقه برای هوا دربازار یافت میشوند
  • درستی وسیله اندازه گیری به شدت تحت تاثیر طرز کار پره ها و اصطکاک روتور در مقابل محور آن قرار دارد
  • مقدار غیر خطی بودن آنها در گستره اندازه گیری طراحی شده ، میتواند کوچک تا 0.05 درصد برای جریان سنجهایی با ابعاد بزرگ باشد
  • افت فشار دوسر آن با توان دوم مقدار جریان سیال تغییر میکند و حدود 20 تا 70 کیلو پاسکال درحداکثر جریان عبوری خواهد بود
  • نیروی مقاوم (اینرسی ) روتور می تواند زمان پاسخ بالخصوص وقتی سیال گاز باشد را زیاد تحت تاثیر قرار دهد
  • فرکانس کاری آنها از 100 تا 2000 هرتز میتواند باشد
  • برای انجام تبدیل سیگنال دیجیتال به آنالوگ می توان از مبدل فرکانس به ولتاژ استفاده کرد که پالسها را به یک سیگنال الکتریکی استاندارد تبدیل می کند ، ولی سرعت پاسخ آن ،( که درحالت معمول باخروجی پالس دیجیتال حدود 2 تا 10 میلی ثانیه است ) افزایش پیدا میکند و ممکن است قابل صرف نظر نباشد
  • سطح بالایی از درستی ( 0.2 تا 0.3 درصد ) تحت شرایط مشخص شده ای و به دلیل خروجی دیجیتالی دارد
  • به فرسودگی بسیار حساسیت دارد بالخصوص به مواد به شدت آلوده کننده و در سرعتهای بالا
  •  قابلیت تجدیدپذیری بالایی در اندازه گیری دارد،  ولی در ناحیه محدودی بصورت خطی کار می کند که گستره اندازه گیری آن را محدود می کند

 

نوع توربین با دو روتور

نوع چرخ پره دار متحرک

شکل 5) برخی انواع جریان سنج توربینی

 

 

منبع : حسگرهای اندازه گیری جریان سیالات-محسن جزمی تابستان 94

[1] Coil

[2]  Paddle Wheel Flowmeter