معادله پیوستگی و معادله برنولی اساس همه انواع اندازه‌گیری های جریان فشار تفاضلی هستند.
1. رابطه ریشه دوم
از آنجایی که، Q ∝ √Δ P.
جایی که، Q = سرعت جریان و ΔP = فشار دیفرانسیل در سراسر صفحه است.
ترن داون (Turndown) (نسبت ترن داون یک اصطلاح اندازه‌گیری جریان است که محدوده ای که یک فلومتر در آن قادر به اندازه‌گیری با دقت قابل قبولی است را مشخص می کند.) ترانسمیترهای هوشمند اختلاف فشار موجود در بازار می تواند تا 200:1 برسد. بنابراین، محدوده پذیری جریان (نسبت حداکثر به حداقل جریان) می تواند 14:1 باشد.
(توجه: بردپذیری (Rangeability) یک سنسور محدوده اندازه گیری را تعریف می کند که میزان خطا در واحدهای درصد قرائت واقعی تضمین می شود.)
با این حال، ترانسمیترهای اختلاف فشار ← استاندارد موجود در بازار با قابلیت تکرار بالا و ویژگی‌های پیشرفته، عموماً می‌توانند تا 100:1 کاهش یابند. بنابراین، بردپذیری جریان تا 10:1 قابل دستیابی است.
هنگامی که محدوده جریان بالای 10:1 مورد نیاز باشد، استفاده از دو صفحه روزنه ای با ظرفیت های مختلف، دو ترانسمیتر جریان اختلاف فشار با محدوده های مختلف یا هر دو به طور کلی توصیه می شود.
محدودیت‌هایی در اندازه‌گیری دقیق دامنه بسیار وسیع فشار دیفرانسیل مربوطه ایجاد می‌شود. به عنوان مثال، یک تغییر جریان 20:1 منجر به تغییر 400:1 در فشار دیفرانسیل می شود.
نکته: مطلوب است که سازندگان همیشه نه تنها عدم دقت محصولات خود را بیان کنند، بلکه محدوده بردپذیری/ترن داون را نیز بیان کنند که در آن میزان خطا مشخص شود.
در اصل، محدوده‌پذیری جریان 10:1 تا 14:1 و کاهش DP از 100:1 تا 200:1 حداکثر محدودیت در هنگام انتخاب یک صفحه اوریفیس به‌عنوان عنصر جریان است.
2. تراکم
چگالی سیال در تعیین دبی جرمی یا دبی حجمی دخیل است. به عبارت دیگر، فلومترهای نوع اختلاف فشار مستقیماً در جریان جرمی یا حجمی خوانده نمی شوند.
Q = K ( √ ∆P / ρ )
در حالی که Q = سرعت جریان، K = ثابت، ρ = چگالی جرم سیال، ∆P = P1 – P2
رابطه مهم دیگر این است که
نرخ جریان جرمی = چگالی x سرعت جریان حجمی
این واقعیت که چگالی به عنوان یک جذر (ریشه دوم) ظاهر می شود، به اندازه گیری جریان از نوع فشار تفاضلی یک مزیت واقعی می دهد، به ویژه در کاربردهایی که اندازه گیری دبی جرمی مورد نیاز است.
با توجه به این رابطه ریشه دوم، هر خطایی که ممکن است در مقدار چگالی مورد استفاده برای محاسبه جریان جرم وجود داشته باشد، به طور قابل ملاحظه ای کاهش می یابد. خطای 1٪ در مقدار چگالی سیال منجر به خطای 0.5٪ در جریان جرمی محاسبه شده می شود.
این به ویژه در اندازه گیری جریان گاز بسیار مهم است، جایی که چگالی ممکن است در محدوده قابل توجهی تغییر کند و چگالی عملیاتی به راحتی با دقت بالا تعیین نمی شود.
جبران فشار و دما باید در سیستم کنترل اجرا شود که دقت بالاتری در اندازه گیری جریان گاز ارایه شود. امروزه ترانسمیترهای چند متغیره نیز در بازار موجود است.
3. نسبت بتا (β).
نسبت بتا نسبت بین قطر محدودیت و قطر داخلی لوله است.
β (بتا) = قطر سوراخ اوریفیس (d) / قطر داخلی لوله (D)
هیچ محدوده خاصی از نسبت بتا استاندارد نشده است. اما به دلایل زیر در محدوده 0.2 تا 0.7 توصیه می شود.
- نسبت β <0.2 به این معناست:
- قطر سوراخ اوریفیس نسبتاً کوچکتر است.
- محدودیت جریان بالاتر
- افت فشار بیشتر
- احتمال بیشتری وجود دارد که افت فشار دائمی (PPL) بیش از PPL مورد انتظار در نظر گرفته شده در هیدرولیک فرآیند باشد.
- شانس بیشتر کاویتاسیون و فلاشینگ، از آنجایی که فشار بیشتر کاهش می یابد، به فرآیند اجازه می دهد تا کمتر از فشار بخار پایین بیاید.
- عدم قطعیت را افزایش می دهد / دقت را کاهش می دهد.
نسبت β> 0.7 به این معناست:
- قطر سوراخ اوریفیس نسبتا بزرگتر است.
- محدودیت جریان کمتر
- افت فشار کمتر
- اندازه گیری فشار کمتر دشوار است.
- عدم قطعیت را افزایش می دهد / دقت را کاهش می دهد.
- با این حال، برخی از ابزار/ نرم‌افزارها از 0.15 تا 0.75 محاسبه می‌کنند تا زمانی که تمام پارامترهای فرآیند، محدوده فشار تفاضلی، افت فشار دائمی (PPL)، محدوده جریان ، و دقت و غیره با هم مناسب باشند و هیچ پیام خطایی برای کاربر ارسال نکنند.
مطالعه، آزمایش‌ها و نصب‌های ثابت شده نشان می‌دهد که بهترین دقت صفحه اوریفیس زمانی قابل دستیابی است که نسبت β بین 0.2 – 0.7 باشد.
4. عدد رینولدز
عدد رینولدز نسبت نیروهای اینرسی به نیروهای ویسکوز را بیان می کند.
Re = VDR / μ
جایی که، Re = عدد رینولدز; V = سرعت. D = قطر لوله; ρ = چگالی; μ = ویسکوزیته مطلق
در اعداد رینولدز پایین، نمایه جریان مختل می شود و ضریب جریان افزایش می یابد. بنابراین، اعداد رینولدز بیش از 10000 توصیه می شود. از آنجایی که ضریب دبی مطابق نمودار زیر ثابت است.
5. انتخاب محدوده ترانسمیتر اختلاف فشار
رایج ترین محدوده اختلاف فشار برای اوریفیس 0 تا 100 اینچ آب (0 تا 2500 mmH2O یا 0 تا 25 کیلو پاسکال ) برای جریان در مقیاس کامل است.
این محدوده به اندازه کافی زیاد است که خطاهای ناشی از تغییر چگالی مایع به دلیل تغییر دما را به حداقل برساند.
اکثر دستگاه های پاسخگو به فشار تفاضلی حداکثر دقت خود را در این محدوده یا نزدیک به آن ایجاد می کنند. نمودار زیر جریان در مقابل خطا را نشان می دهد.
بر اساس نیاز افت فشار دائمی (PPL)، محدوده‌پذیری جریان / چرخش و دقت فرآیند، محدوده فشار تفاضلی مناسب از جدول بالا را می‌توان انتخاب کرد.
6. محل شیرهای فشار
شیرهای فلنجی:
- ترجیحا از سایز خط 2 اینچ و بزرگتر.
- سازنده مجموعه فلنج اوریفیس شیرها را طوری سوراخ می کند که خطوط مرکزی در فاصله 1 اینچ (25 میلی متر) از سطح صفحه روزنه قرار گیرند.
- شیرهای فلنجی کمتر از اندازه لوله 2 اینچ (50 میلی متر) توصیه نمی شود و نمی توان از اندازه لوله زیر 1.5 اینچ (37.5 میلی متر) استفاده کرد، زیرا ورید انقباض ممکن است نزدیکتر از 1 اینچ (25 میلی متر) از صفحه روزنه باشد.
Venacontractra & Radius Taps:
- شیرهای 1 بعدی بالادست و شیر پایین دستی که در نقطه حداقل فشار قرار دارد.
- Vena contracta بیشترین فشار دیفرانسیل را برای هر نرخ جریان معین ارائه می‌دهند، اما برای تعیین موقعیت مناسب شیر پایین‌دست به محاسبات دقیق نیاز دارند.
- شیرهای شعاعی تقریبی از شیرهای منقبض ورید برای اندازه لوله های بزرگ هستند (یک دوم قطر لوله در پایین دست برای محل شیر کم فشار).
- ویژگی تاسف بار هر دو این شیرها، نیاز به سوراخ کردن دیواره لوله است.
- این نه تنها لوله را ضعیف می کند، بلکه لزوم عملی حفاری سوراخ های شیر در محل نصب شده به جای یک محیط تولید کنترل شده به این معنی است که فضای قابل توجهی برای خطای نصب وجود دارد.
شیرهای گوشه:
شیرهای گوشه ای باید در قطر لوله های کوچک استفاده شود که در آن ورید منقبض شده آنقدر به سطح پایین دست صفحه روزنه نزدیک است که یک شیر فلنجی پایین دست فشار را در ناحیه بسیار متلاطم (خیلی دور پایین دست) احساس کند.
7. نصب و راه اندازی
برای جلوگیری از خطاهای ناشی از اختلال در الگوی جریان ناشی از شیرها، اتصالات و غیره، اجرای مستقیم لوله صاف قبل و بعد از اوریفیس توصیه می شود.
طول مورد نیاز بستگی به نسبت β و شدت اختلال جریان بر اساس اجزای لوله‌کشی بالادست دارد که باعث اختلال در پروفیل جریان می‌شود.
مسیر مستقیم بالادست می تواند از 40 D تا 20D باشد و سمت پایین دست باید 5 بعدی باشد.
در مواردی که نصب اوریفیس در مسیر مستقیم به طول مورد نظر عملی نیست، استفاده از پره صاف کننده برای از بین بردن چرخش یا گرداب توصیه می شود.
