فلومترهای مبتنی بر فشار

در این مقاله نحوه کارکرد فلومترهای مبتنی بر فشار را بررسی می کنیم.

🔹ارائه دهنده: تیم تولید محتوای میراکنترل

نحوه کارکرد فلومترهای مبتنی بر فشار

همه جرم ها برای شتاب گرفتن نیاز به نیرو دارند (ما همچنین می توانیم این را در قالب جرمی که در نتیجه شتاب گرفتن نیروی واکنش ایجاد می کند در نظر بگیریم). این به طور کمی توسط قانون دوم حرکت نیوتن بیان می شود :

همه سیالات دارای جرم هستند و بنابراین برای شتاب گرفتن مانند توده های جامد به نیرو نیاز دارند. اگر مقداری از سیال محصور در داخل لوله را در نظر بگیریم، آن مقدار سیال دارای جرمی برابر با حجم آن ضرب در چگالی جرمی آن است.

m = pV  جایی که p جرم سیال در واحد حجم است)، نیروی مورد نیاز برای شتاب دادن به آن “پلاگ” سیال دقیقاً مانند یک جرم جامد محاسبه می شود :

از آنجایی که این نیروی شتاب بر روی سطح مقطع پلاگ سیال اعمال می شود، ممکن است آن را به صورت فشار بیان کنیم، تعریف فشار عبارت است از نیرو در واحد سطح :

از آنجایی که قواعد جبر ایجاب می‌کرد که هر دو طرف معادله نیرو را بر مساحت تقسیم کنیم، کسری از حجم بر مساحت  ( V/A) در سمت راست معادله باقی می‌ماند. این کسر یک معنای فیزیکی دارد، زیرا می دانیم که حجم یک استوانه تقسیم بر مساحت صفحه مدور آن به سادگی طول آن استوانه است :

وقتی این را برای تصویر جرم سیال اعمال می کنیم، منطقی است: فشار توصیف شده توسط معادله در واقع یک افت فشار تفاضلی از یک طرف جرم سیال به سمت دیگر است، با متغیر طول (  L) که فاصله بین سیال را توصیف می کند. پورت های اختلاف فشار :

این به ما می‌گوید که می‌توانیم با اعمال اختلاف فشار در طول سیال، «پلاگ» را تسریع کنیم. مقدار فشاری که اعمال می کنیم با چگالی سیال و سرعت شتاب آن نسبت مستقیم خواهد داشت. برعکس، ممکن است نرخ شتاب سیال را با اندازه گیری فشار ایجاد شده در فاصله ای که در آن شتاب می گیرد، اندازه گیری کنیم.

ما به راحتی ممکن است با تغییر مسیر جریان طبیعی سیال را مجبور به شتاب کنیم. اختلاف فشار ایجاد شده توسط این شتاب به طور غیرمستقیم نشان دهنده میزان شتاب خواهد بود. از آنجایی که شتابی که از تغییر مسیر جریان می بینیم تابع مستقیمی از سرعت حرکت اولیه سیال است، شتاب (و در نتیجه افت فشار) به طور غیرمستقیم نرخ جریان سیال را نشان می دهد.

یک روش بسیار متداول برای ایجاد شتاب خطی در سیال متحرک، عبور سیال از یک انقباض در لوله است و در نتیجه سرعت آن افزایش می یابد (به یاد داشته باشید که تعریف شتاب تغییر در سرعت است). تصاویر زیر چندین دستگاه را نشان می‌دهند که برای شتاب خطی سیالات متحرک در لوله‌ها، با ترانسمیتر های فشار تفاضلی که برای اندازه‌گیری افت فشار ناشی از این شتاب متصل هستند، استفاده می‌شوند :

راه دیگری که ممکن است به یک سیال سرعت ببخشیم این است که آن را وادار کنیم تا گوشه ای را از طریق اتصالات لوله ای به نام زانو بچرخانیم. این باعث ایجاد شتاب شعاعی می شود و باعث ایجاد اختلاف فشار بین بیرون و داخل آرنج می شود که ممکن است توسط یک ترانسمیتر اختلاف فشار اندازه گیری شود :

شیر فشاری که در قسمت بیرونی پیچ زانو قرار دارد، فشار بیشتری نسبت به شیری که در قسمت داخلی پیچ زانو قرار دارد، ثبت می کند، به دلیل نیروی اینرسی جرم سیال که در حین چرخاندن چرخش به سمت خارج از پیچ قرار می گیرد. گوشه.

راه دیگری برای ایجاد تغییر در سرعت سیال این است که با توقف کامل بخشی از آن، آن را مجبور به کاهش سرعت کنیم. فشار ایجاد شده توسط این کاهش سرعت (که فشار رکود نامیده می شود) به ما می گوید که در ابتدا چقدر سریع جریان داشته است. چند دستگاه کار بر روی این اصل در اینجا نشان داده شده است :

بخش‌های فرعی زیر در این فصل اندازه‌گیری جریان، عناصر مختلف سنسور اولیه مورد استفاده برای تولید اختلاف فشار در جریان سیال متحرک را بررسی می‌کند. علی‌رغم طراحی‌های بسیار متفاوتشان، همه آنها بر اساس یک اصل اساسی عمل می‌کنند: باعث می‌شوند یک سیال با ایجاد تغییر در مسیر جریان، شتاب یا کاهش یابد و در نتیجه اختلاف فشار قابل اندازه‌گیری ایجاد شود. بخش فرعی زیر دستگاهی به نام لوله ونتوری را معرفی می‌کند که برای اندازه‌گیری نرخ جریان سیال استفاده می‌شود، و روابط ریاضی بین فشار سیال و سرعت جریان را از قوانین پایه حفاظت فیزیکی استخراج می‌کند.

لوله های ونتوری و اصول اولیه

عنصر جریان استاندارد «نمونه کتاب درسی» که برای ایجاد تغییر فشار با شتاب دادن به جریان سیال استفاده می‌شود، لوله ونتوری است: لوله‌ای که عمداً برای ایجاد ناحیه‌ای با فشار کم تنگ شده است. همانطور که قبلا نشان داده شد، لوله های ونتوری تنها ساختاری نیستند که قادر به تولید افت فشار وابسته به جریان هستند. در حین استخراج معادلات مربوط به سرعت جریان با تغییر فشار، باید این را در نظر داشته باشید: اگرچه لوله ونتوری شکل متعارف است، دقیقاً همان رابطه ریاضی برای همه عناصر جریان که با شتاب دادن به سیال افت فشار ایجاد می کنند، از جمله صفحات روزنه، اعمال می شود. نازل های جریان، مخروط های V، گوه های سگمنتال، زانوهای لوله، لوله های پیتوت و غیره.

اگر سیالی که از لوله ونتوری عبور می کند مایعی با فشار نسبتا کم باشد، ممکن است فشار را در نقاط مختلف لوله با استفاده از پیزومترها به وضوح نشان دهیم که لوله های شفافی هستند که به ما امکان می دهند ارتفاع ستون مایع را مشاهده کنیم. هر چه ارتفاع ستون مایع در پیزومتر بیشتر باشد، فشار در آن نقطه از جریان جریان بیشتر می شود:

همانطور که با ارتفاع مایع پیزومتر نشان داده می شود، فشار در انقباض (نقطه 2) کمترین است، در حالی که فشار در بخش های وسیع لوله ونتوری (نقاط 1 و 3) بیشترین است. این یک نتیجه غیر شهودی است، اما دارای پایه محکمی در فیزیک بقای جرم و انرژی است. اگر فرض کنیم با عبور سیال از این لوله، هیچ انرژی اضافه (توسط یک پمپ) یا از دست رفتن (به دلیل اصطکاک) وجود نداشته باشد، قانون بقای انرژی وضعیتی را توصیف می کند که در آن انرژی سیال باید در تمام نقاط لوله ثابت بماند. سفر می کند. اگر فرض کنیم هیچ سیالی از لوله دیگری به این جریان نمی‌پیوندد یا از طریق هر نشتی از این لوله تلف نمی‌شود، قانون بقای جرم وضعیتی را توصیف می‌کند که در آن سرعت جریان جرمی سیال باید در تمام نقاط لوله ثابت بماند.

تا زمانی که چگالی سیال نسبتاً ثابت بماند، سرعت سیال باید با کاهش سطح مقطع لوله افزایش یابد، همانطور که در قانون تداوم توضیح داده شده است (برای جزئیات بیشتر در مورد این مفهوم، بخش [قانون تداوم] را ببینید که در ابتدا در صفحه شروع می شود) :

با مرتب کردن مجدد متغیرها در این معادله برای قرار دادن سرعت ها بر حسب مساحت، نتیجه زیر به دست می آید:

این معادله به ما می گوید که نسبت سرعت سیال بین گلوی باریک (نقطه 2) و دهانه پهن (نقطه 1) لوله همان نسبت مساحت دهانه به ناحیه گلو است. بنابراین، اگر سطح دهانه لوله 5 برابر مساحت گلو باشد، انتظار داریم سرعت سیال در گلو 5 برابر سرعت دهانه باشد. به بیان ساده، گلوی باریک باعث می شود که مایع از سرعت کمتر به سرعت بالاتر شتاب بگیرد.

ما از مطالعه خود در مورد انرژی در فیزیک می دانیم که انرژی جنبشی با مجذور سرعت یک جرم متناسب است ( E_k = ½ mv²). اگر بدانیم که مولکول‌های سیال با حرکت در گلوی لوله ونتوری سرعت خود را افزایش می‌دهند، ممکن است با خیال راحت نتیجه بگیریم که انرژی جنبشی آن مولکول‌ها نیز باید افزایش یابد. با این حال، ما همچنین می دانیم که انرژی کل در هر نقطه از جریان سیال باید ثابت بماند، زیرا در این سیستم سیال ساده هیچ انرژی به جریان اضافه یا از آن کم نمی شود. بنابراین، اگر انرژی جنبشی در گلو افزایش یابد، انرژی پتانسیل باید به ترتیب کاهش یابد تا مقدار کل انرژی در هر نقطه از سیال ثابت بماند.

برای سفارش و یا خرید انواع محصولات ابزار دقیق و همچنین کسب اطلاعات بیشتر و مشاوره رایگان با شماره های 88341674-021 | 88341172-021 تماس حاصل فرمایید.

منبع:

control.com