مجموعه سنسور، نوسانات فشار و سرعت ایجاد‌ شده‌ در هر طرف بدنه توسط گرداب‌ها را ثبت می‌کند و یک سیگنال خروجی خطی دیجیتال تولید می‌کند. سنسورها برای تجزیه و تحلیل تلاطم ایجاد‌ شده‌ نصب می‌شوند.

بطور خلاصه، تلاطم به وجود آمده از برخورد سیال با جسم فیزیکی، منجر به حرکت مکانیکی حسگر می‌شود که این حسگر به طور مستقیم به یک مبدل وصل شده است.

ترانسمیتر نتایج دریافتی را تجزیه و تحلیل می‌کند و آنها را به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کند. علاوه بر عناصر اصلی در سیستم فلومتر ورتکس، چندین دستگاه اضافی نیز می‌توان نصب کرد، به عنوان مثال، ماشین حساب یا یک مبدل نرمال سازی و غیره.

فرکانس ریزش گرداب با استفاده از فرمول زیر محاسبه می‌شود:

f = St*V
d

که:

f = فرکانس ریزش گرداب

St = عدد استروهال (Strouhal) (عدد استروهال یک کمیت بدون بعد است که به پارامترهای جریان نوسانی (فرکانس تلفات گرداب، فاصله جریان و سرعت) بستگی دارد.)

V = سرعت جریان

d = عرض بدنه

اصل اندازه گیری فلومتر ورتکس

فلومتر ورتکس از اصلی به نام اثر فون کارمان برای اندازه‌گیری مایعات، گازها و بخارات استفاده می‌کنند. در دینامیک سیالات، Karman Vortex Street یک الگوی تکرارشونده از گرداب‌های چرخشی است که توسط فرآیندی به نام ریزش گرداب ایجاد می‌شود. با عبور آب (یا مایع، گاز یا بخار دیگر) از کنار مانع، سیال جدا می‌شود و فشار دیفرانسیل متناوبی به نام گرداب را تشکیل می‌دهد.

از نگاه دیگر، فلومترهای گردابی دستگاه‌های فرستنده و انتقال نیرو هستند که با تجزیه و تحلیل یک خط گردابی (Von Kármán vortex) میزان جریان یک ماده را در بخشی از لوله تعیین می‌کنند. عملکرد چنین فلومترهایی بر اساس تجزیه و تحلیل ریزش گرداب است که هنگام عبور جریان از یک مانع اتفاق می‌افتد. قرار دادن یک جسم فیزیکی در مسیر عبور سیال باعث تغییر وضعیت آن می‌شود که این تغییر وضعیت، نشان‌ دهنده‌ی‌ شدت جریان حجمی سیال است.

نحوه اندازه گیری

فلومتر ورتکس با قرار‌ دادن‌ یک مانع (جسمی مقاوم در مسیر سیال) در مسیر جریان، گرداب‌هایی با فشار دیفرانسیل متناوب ایجاد می‌کند و از این طریق، شدت جریان را اندازه‌گیری می‌کند. این گرداب‌ها باعث می‌شوند که یک دستگاه سنسور کوچک با فرکانسی کاملا متناسب با سرعت سیال متحرک، نوسان کند. سپس عنصر حسگر، نرخ نوسان را به یک سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کند که به یک سرعت قابل اندازه‌گیری و قابل‌ خواندن‌، تبدیل می‌شود.

در حقیقت، گرداب‌های جدا‌ شده‌ در دو طرف بدنه به طور متناوب یک فشار موضعی مثبت یا منفی ایجاد می‌کنند که توسط حسگر خازنی شناسایی می‌شود و به عنوان سیگنال دیجیتال اولیه و خطی به الکترونیک‌ تغذیه‌ می‌شود.

فلومتر ورتکس – فلومتر همه جانبه

فلومتر ورتکس در شاخه‌های متعدد صنعت برای اندازه‌گیری جریان حجمی مایعات، گازها و بخار استفاده می‌شوند. کاربردها در صنایع شیمیایی و پتروشیمی، به عنوان مثال، در سیستم‌های تولید برق و تامین حرارت شامل سیالات بسیار متفاوتی می‌شود: بخار اشباع‌ شده‌، بخار فوق گرم، هوای‌ فشرده‌، نیتروژن، گازهای مایع، گازهای لوله بخار، دی اکسید کربن، آب کاملاً غیر معدنی، حلال‌ها، روغن‌های انتقال حرارت، آب تغذیه دیگ بخار، میعانات و غیر. فلومترهای ورتکس برای اندازه گیری جریان جرمی نیز استفاده گسترده‌ای دارند.

اندازه‌گیری جریان در فلومتر ورتکس به روش حجمی می‌باشد. البته برای اندازه گیری جریان به روش جرمی از ترانسمیتر فشار جدا و  سنسور دما استفاده می‌شود.

‌بسته‌ به نوع نصب، انواع فلومتر ورتکس عبارتند از:

1. فلومتر Insertion

این نوع فلومتر گردابی شامل یک بدنه داخلی و سه سنسور، یعنی یک سنسور برای ثبت فرکانس ریزش گرداب، یک سنسور دمای RTD و یک سنسور فشار حالت-جامد است. این اجزا در مجاورت یکدیگر در یک لوله کوتاه قرار دارند و با هم مجموعه‌ای به نام سر سنسور درجی (insertion sensor head) را تشکیل می‌دهند. ردیاب سنسور با دقت در سوراخ ایجاد‌ شده‌ در خط لوله با استفاده از اتصالات فرآیند NPT فلنج دار یا male وارد می‌شود. این فلومتر همچنین دارای صفحه نمایش LCD و صفحه کلید برای برنامه ریزی و نظارت بر تنظیمات سیستم است. این فلومتر در لوله‌های 2 اینچی یا بزرگتر استفاده می‌شود. از آنجایی که این ابزار جمع شونده است، برای انجام اندازه‌گیری‌های مورد نیاز، نیازی به خاموش کردن سیستم نیست.

2. فلومتر خطی (Inline)

این فلومتر از نظر اجزای تشکیل دهنده شبیه فلومتر Insertion است. همچنین دارای بدنه و سه سنسور برای ثبت فرکانس ریزش گرداب، دما و فشار است. تفاوت آن با یک فلومتر Insertion در این است که بخشی از خط لوله را جایگزین می‌کند و از طریق آن وارد نمی‌شود. بسیاری از فلومترها سرعت، دما و فشار یک محیط را در مکان‌های مختلف یک سیستم اندازه‌گیری می‌کنند. با این حال، یک فلومتر Inline، این متغیرها را در یک نقطه اندازه‌گیری می‌کند.

یک فلومتر خطی به نوبه خود‌ بسته‌ به اتصال انتهایی دو نوع اصلی دارد:

1. فلومتر Inline درون خطی به سبک ویفر

این نوع فلومتر برای لوله‌هایی با قطر چهار اینچ یا کمتر استفاده می‌شود. بین دو فلنج توسط سوراخ‌های بدون رزوه نصب می‌شود که پیچ‌ها از طریق آنها وارد می‌شوند، محکم می‌شوند و با واشر، مهره آب بندی می‌شوند. برای اطمینان از خوانش دقیق، ابزار، طوری قرار می‌گیرد که قطر داخلی آن نسبت به قطر داخلی خط لوله در مرکز باشد.

2. فلومتر Inline به سبک فلنجی

یک فلومتر به سبک فلنجی دارای انتهای فلنجی است که با استفاده از پیچ و مهره و واشر مستقیماً به فلنج خط لوله متصل می‌شود.

 

3. فلومتر با بدنه ساده و بی حرکت

در این نوع، جریان از طریق یک بدنه حرکت می‌کند و شکاف گردابی متناوب را در دو طرف تشکیل می‌دهد. این باعث افزایش فشار و تغییرات سرعت می‌شود که توسط سنسورها تجزیه و تحلیل می‌شوند.

4. فلومتر با مجرای گردابی مارپیچی

در چنین دستگاه‌هایی امواج گردابی با استفاده از دستگاه‌های مخصوص تولید می‌شوند و به صورت گرداب در قسمت جریان وارد می‌شوند. اندازه‌گیری‌ها نیز مانند نوع قبلی با تجزیه و تحلیل تغییرات سرعت و فشار انجام می‌شود.

مزایای فلومتر ورتکس

فلومتر ورتکس مزایای زیادی در کاربردهای اندازه‌گیری جریان ارائه می‌دهد، از جمله:

◊ سطح آلودگی پایین

◊ افت فشار ناشی از آن کم است.

‌◊ هزینه فلومتر و نصب آن مقرون به‌ صرفه‌ است.

‌◊ پایداری طولانی مدت بالا و محدوده دمایی‌ گسترده‌

◊ کاملا مناسب برای اندازه‌گیری مایعات، گازها و بخار

◊  حساسیت پیشرفته. امکان سطوح بالای حساسیت و افت فشار کم را فراهم می‌کند.

‌◊ این فلومتر محدوده اندازه گیری وسیعی دارد و نسبت چرخش به طور کلی می‌تواند به 1:10 برسد.

‌◊ تا حد زیادی تحت تأثیر تغییرات فشار، چگالی، دما و ویسکوزیته سیال قرار نمی‌گیرد و نیازی به کالیبراسیون جداگانه نیست.

◊  عملکرد استثنایی. دارای یک RTD داخلی و یک سنسور فشار خارجی (اختیاری) برای جبران تغییرات فشار و دما برای دستیابی به دقت اندازه‌گیری.

◊ ساخت و ساز بادوام. فاقد قطعات متحرکی است که نیاز به تعمیر و نگهداری دارند، احتمال خرابی را کاهش می‌دهد و عملکرد را در طیف وسیعی از کاربردها افزایش می‌دهد.

◊ دقت ابزار در یک محدوده جریان گسترده خوب است، اگرچه این محدوده به شرایط عملیاتی بستگی دارد، تکرارپذیری نتایج (تکرارپذیری 0.5٪) خوب می‌باشد.

◊ سیگنال خروجی دیجیتال (یا آنالوگ) خطی را بدون استفاده از ترانسمیترها یا مبدل‌های جداگانه ارائه می‌دهد. نصب تجهیزات را ساده می‌کند.

◊ هیچ شیر یا منیفولدی برای ایجاد مشکلات نشتی وجود ندارد. عدم وجود شیر یا منیفولد منجر به نصب ایمن می‌شود که در مواقعی که سیال فرآیند خطرناک یا سمی است، مهم است.

معایب فلومتر ورتکس

– جریان حجمی فلومتر ورتکس تحت تأثیر دما، فشار، چگالی و سایر پارامترهای حرارتی سیال اندازه‌گیری‌ شده‌ قرار نمی‌گیرد، اما نتیجه اندازه‌گیری نهایی مایع یا بخار باید جریان جرمی باشد. برای گاز، نتیجه اندازه‌گیری نهایی باید جریان حجمی استاندارد باشد. هم نرخ جریان جرمی یا نرخ جریان حجمی استاندارد باید به چگالی سیال تبدیل شوند و تغییرات چگالی سیال ناشی از تغییرات در شرایط کاری سیال باید در نظر‌ گرفته‌ شود.
– عوامل اصلی که باعث خطاهای اندازه‌گیری جریان می‌شوند عبارتند از: خطاهای اندازه‌گیری ناشی از نرخ جریان ناهموار خط لوله. چگالی رسانه در هنگام تغییر شرایط کاری سیال را نمی‌توان به طور دقیق تعیین کرد. بخار اشباع‌‌ شده‌ مرطوب برای اندازه‌گیری بخار اشباع‌‌ شده‌ خشک در نظر‌ گرفته‌ می‌شود. اگر این خطاها محدود یا حذف نشوند، کل خطای اندازه‌گیری فلومتر ورتکس بسیار زیاد خواهد بود.

– مقاومت ضعیف در برابر لرزش. ارتعاش خارجی باعث خطاهای اندازه‌گیری فلومتر ورتکس می‌شود یا حتی موجب می‌شود به طور عادی کار نکند. ضربه با سرعت زیاد سیال کانال باعث ایجاد ارتعاشات اضافی در مولد گرداب می‌شود که دقت اندازه‌گیری را کاهش می‌دهد. تأثیر قطر لوله بزرگ هم مشخص است.

– سازگاری ضعیف در اندازه‌گیری رسانه‌ی‌ آلوده‌. بدنه مولد فلومتر ورتکس به راحتی توسط رسانه کثیف می‌شود یا توسط کثیفی دچار مشکل می‌شود و تغییر اندازه ساختار بدنه بر دقت اندازه‌گیری تاثیر زیادی خواهد گذاشت.

– مقاومت ضعیف در برابر دما. فلومترهای گردابی معمولاً فقط می‌توانند جریان سیال محیط زیر 300 درجه سانتیگراد را اندازه‌گیری کنند.

انتخاب و اندازه:

به عنوان اولین مرحله در فرآیند انتخاب، شرایط عملیاتی (دمای سیال فرآیند، دمای محیط، فشار خط و غیره) باید با مشخصات ابزار مقایسه شود. سپس مواد مرطوب شده‌ی ابزار (از جمله اتصالات) و سنسورها باید از نظر سازگاری با سیال فرآیند هم از نظر حمله شیمیایی و هم از نظر ایمنی بررسی شوند. به عنوان مثال، در مورد اکسیژن، از مواد غیر آهنی باید اجتناب کرد یا با احتیاط بسیار نزدیک شد. سپس حداقل و حداکثر جریان فلومتر برای

کاربرد معین باید تعیین شود.

از نصب این فلومترها در مکان‌هایی که نیروهای مکانیکی مختلف می‌توانند روی دستگاه وارد شوند و همچنین در خطوط لوله با قطر بیش از 300 میلی‌متر خودداری کنید.

توصیه‌های نصب

هنگام نصب یک فلومتر ورتکس در یک فرآیند موجود که محدوده جریان مشخص نیست، توصیه می‌شود ابتدا اندازه‌گیری‌های تقریبی انجام شود (با استفاده از لوله‌های پیتوت قابل حمل یا دستگاه‌های التراسونیک گیره دار). در غیر این صورت، هیچ تضمینی وجود ندارد که فلومتر کار کند. فلومتر را می‌توان به صورت عمودی، افقی و یا در هر زاویه‌ای در صورتی که پر از آب باشد، نصب کرد.

در این مقاله به معرفی انواع فلومتر ورتکس و هر آنچه باید قبل از خرید این محصول بدانید پرداختیم. برای مطالعه بیشتر در زمینه عملکرد فلومترهای ورتکس پیشنهاد می‌کنیم که حتما مقاله جامع را در این خصوص مطالعه نمایید.

اگر نیاز به مطالعه بیشتر در این زمینه دارید، پیشنهاد می‌کنیم که به لینک‌های زیر رجوع کنید.

https://www.wermac.org/specials/vortex_flowmeter.html

https://www.badgermeter.com/products/meters/vortex-flow-meters

https://zeroinstrument.com/vortex-flow-meter-advantages-and-disadvantages