مبانی جریان سنج
اندازه گیری جریان حدود 3000 سال سابقه دارد. تنها در 200 سال گذشته مورد مطالعه قرار گرفته است و در 30 سال گذشته تمام تکنیک های جدید تکامل یافته است. در حال حاضر روش‌های متنوعی برای اندازه‌گیری جریان مایعات، جامدات، گازها و بخارها وجود دارد.
مبانی اندازه گیری جریان کدامند؟
سه مقدار جریان مختلف برای اندازه گیری وجود دارد:
سرعت واقعی سیال در یک نقطه معین (بر حسب متر بر ثانیه اندازه گیری می شود).
سرعت حجمی جریان (بر حسب متر مکعب در دقیقه اندازه گیری می شود).
نرخ جریان جرمی (بر حسب کیلوگرم در ثانیه اندازه گیری می شود).
همچنین می توان جریان کل را اندازه گیری کرد که عبارت است از کل حجم یا جرمی که در یک دوره زمانی مشخص جریان داشته است.
سیستم‌های اندازه‌گیری جریان سیال اطلاعات حیاتی را برای اهداف زیر فراهم می‌کنند:
برنامه ریزی تولید :
مقدار محصول عرضه شده به مشتریان عموماً با توجه به تقاضای فصلی متفاوت است. معمولاً یک نرخ متوسط تولید در یک روز تقویمی برنامه ریزی می شود که هر دوره خاموشی لازم برای تعمیر و نگهداری و بازرسی را در نظر می گیرد.
کیفیت محصول:
کنترل‌کننده‌های جریان در ترکیب متناسب محصولات میانی برای تولید محصولات نهایی مطابق با مشخصات با کیفیت ثابت لازم هستند.
کنترل فرآیند:
گاهی اوقات از دبی سنج ها برای کنترل برخی دیگر از متغیرهای اصلی فرآیند استفاده می شود. به عنوان مثال در ستون جداکننده، سطوح مایع با تغییر نرخ جریان فرآیند در ستون‌ها نیز با تغییر نرخ جریان سیال فرآیندی که از آنها عبور می‌کند ثابت نگه داشته می‌شوند. فشار در ستون نیز با تغییر نرخ جریان محیط خنک کننده ثابت نگه داشته می شود.
Flow چیست؟
جریان به عنوان سیال (مایعات یا/و گازها) در حال حرکت تعریف می شود.
عوامل موثر بر دبی در لوله ها:
عوامل اصلی موثر بر جریان سیالات از طریق لوله ها عبارتند از:
- سرعت سیال
- اصطکاک سیال در تماس با لوله.
- ویسکوزیته سیال
- چگالی سیال
- سرعت سیال
به فشار هد بستگی دارد که سیال را با فشار وارد لوله می کند. هرچه فشار هد بیشتر باشد، سرعت جریان سیال سریعتر است (همه عوامل دیگر ثابت می مانند) و در نتیجه حجم جریان بیشتر می شود.
اندازه لوله نیز بر سرعت جریان تأثیر می گذارد. به عنوان مثال، دو برابر شدن قطر یک لوله، دبی بالقوه را چهار برابر افزایش می دهد.
اصطکاک لوله
اصطکاک لوله سرعت جریان سیالات را از طریق لوله ها کاهش می دهد و بنابراین یک عامل منفی در نظر گرفته می شود.
به دلیل اصطکاک سیال در تماس با لوله، سرعت جریان سیال در نزدیکی دیواره های لوله نسبت به مرکز آن کندتر است. هر چه لوله صاف تر، تمیزتر و بزرگتر باشد، اصطکاک لوله تاثیر کمتری بر سرعت جریان کلی سیال دارد.
ویسکوزیته
ویسکوزیته (η)، یا اصطکاک مولکولی درون یک سیال، بر سرعت جریان سیالات تأثیر منفی می گذارد. ویسکوزیته و اصطکاک لوله باعث کاهش سرعت جریان سیال در نزدیکی دیواره های لوله می شود. ویسکوزیته با تغییر دما افزایش یا کاهش می یابد، اما نه همیشه آنطور که انتظار می رود. در مایعات، ویسکوزیته معمولاً با افزایش دما کاهش می یابد.
با این حال، در برخی از سیالات، ویسکوزیته می تواند شروع به افزایش بیش از دماهای خاص کند. به طور کلی، هر چه ویسکوزیته سیال بالاتر باشد، سرعت جریان سیال کمتر است (سایر عوامل ثابت می مانند).
ویسکوزیته بر حسب واحد سانتی پویز اندازه گیری می شود. نوع دیگری از ویسکوزیته به نام ویسکوزیته سینماتیکی با واحد سنتستوک اندازه گیری می شود. از تقسیم سانتی پویز بر وزن مخصوص سیال به دست می آید.
تراکم
چگالی (ρ) یک سیال بر سرعت جریان تأثیر می‌گذارد، زیرا سیال متراکم‌تر برای حفظ سرعت جریان مطلوب نیاز به فشار هد بیشتری دارد. همچنین، این واقعیت که گازها قابل تراکم هستند، در حالی که مایعات اساساً اینگونه نیستند، اغلب مستلزم آن است که از روش های مختلفی برای اندازه گیری دبی مایعات، گازها یا مایعات دارای گاز در آنها استفاده شود.
مشخص شده است که مهم ترین عوامل جریان را می توان با هم در یک پارامتر بدون بعد به نام عدد رینولدز مرتبط کرد.
درک جریان
قانون جریان
اگر مایع از لوله ای با قطرهای متفاوت عبور کند، در هر زمان خاص حجم یکسانی در تمام نقاط جریان دارد. این بدان معنی است که سرعت مایع باید در یک نقطه باریک افزایش یابد (شکل زیر را ببینید).
تعادل انرژی در جریان
بازگشت به این اصل که انرژی در یک سیستم حفظ می شود. ممکن است فقط از حالتی به حالت دیگر تغییر کند، همین اصل در مورد جریان در یک سیستم بسته جریان نیز صدق می کند. نمودار زیر را در نظر بگیرید:
فرمول اندازه گیری جریان اوریفیس
مایعی با چگالی ρo به طور مداوم در لوله‌ای با قطرهای کاهش‌دهنده از A تا B جریان می‌یابد. دو نقطه روی لوله با یک لوله کوچک به نام‌های Tapping 1 و Tapping 2 ضربه زده شده و منجر به دو سطح مختلف فشار می‌شود.
قانون بقای انرژی، در رابطه با یک سیال جاری، بیان می کند که «انرژی کل جریان مایع تغییر نمی کند، تا زمانی که
سیستم بسته نگه داشته می شود (بدون تأثیر خارجی).
با غفلت از انواع انرژی که در طول جریان تغییر نمی کنند، انرژی کل از:
من. انرژی بالقوه (به دلیل موقعیت و وابسته به ارتفاع سر مایع و فشار استاتیک برابر با mg·h).
ii انرژی جنبشی (به دلیل حرکت و وابسته به سرعت جریان و فشار برگشتی برابر با ½mv² است)
معادله برنولی
اگر سرعت با کاهش سطح مقطع افزایش یابد، انرژی حرکت افزایش می یابد. همانطور که انرژی کل ثابت می ماند، انرژی پتانسیل و/یا فشار باید با کاهش سطح مقطع کوچکتر شود.
هیچ تغییر قابل اندازه گیری در انرژی پتانسیل وجود ندارد. با این حال، فشار استاتیک، بسته به فشار برگشتی، یعنی بسته به سرعت جریان، تغییر می کند.
عمدتاً فشار استاتیکی است که در «سیستم هیدرواستاتیک» اهمیت دارد، زیرا ارتفاع سر مایع و سرعت جریان معمولاً خیلی کوچک است.