آزمايش اندازه گيري دبي در لوله

هدف

          آشنايي با روش هاي متداول اندازه گيري شدت جريان يا دبي در لوله ها

تئوري

          در دستگاهها و سيستم هاي مختلف بسته و باز که به نوعي با جريان سيال در ارتباط هستند, عموما لازم است که ميزان سيال عبوري از يک محل را اندازه بگيريم. اندازه گيري ميزان جريان آب, نفت و گاز در لوله ها و کانالها را بعنوان نمونه هاي بارز مي توان بر شمرد.

آزمايش اندازه گيري دبي در لوله

هدف

          آشنايي با روش هاي متداول اندازه گيري شدت جريان يا دبي در لوله ها

تئوري

          در دستگاهها و سيستم هاي مختلف بسته و باز که به نوعي با جريان سيال در ارتباط هستند, عموما لازم است که ميزان سيال عبوري از يک محل را اندازه بگيريم. اندازه گيري ميزان جريان آب, نفت و گاز در لوله ها و کانالها را بعنوان نمونه هاي بارز مي توان بر شمرد.

          روشهاي متنوعي جهت اندازه گيري شدت جريان سيال يا دبي وجود دارد. شايد بتوان ساده ترين راه اندازه گيري دبي, سنجش حجم يا وزن سيال عبوري در مدت زمان مشخص است که روش اول را دبي سنجي حجمي و روش دوم را دبي سنجي وزني مي ناميم. در ساده ترين روشهاي دبي سنجي حجمي و وزني, مدت زمان لازم براي  پر شدن ظرفي با حجم يا وزن مشخص اندازه گيري مي شود و با استفاده از روابط زير مي توان دبي را محاسبه کرد:

(1)               يا                   

در روابط فوق t  زمان پرشدن ظرف,  حجم آب پر شده داخل ظرف, W وزن آب پرشده داخل ظرف,  وزن مخصوص سيال و Q دبي جريان مي باشد.

          در اين آزمايش با چند وسيله مختلف اندازه گيري شدت جريان در لوله ها آشنا مي شويم. اين وسايل عبارتند از:

·        ونتوري متر

·        پخش کننده يا باز شدگي

·        روزنه

·        زانويي يا خم

·        جريان سنج مدور يا دوار سنج

جهت محاسبه دبي در چهار روش اول مذکور در فوق از حل همزمان معادلات انرژي و پيوستگي استفاده مي کنيم. اگر رابطه برنولي را با فرض عدم تلفات انرژي بين دو مقطع متوالي 1 و 2 بنويسيم, خواهيم داشت:

رابطه پيوستگي بين دو مقطع 1 و2 نيز بصورت زير مي باشد:

با تر کيب دو رابطه فوق خواهيم داست:

در رابطه فوق h مقدار ارتفاع نظير فشار نسبت به سطح مبنا مي باشد  که مقدار نسبي آن از لوله پيزومتر قابل قرائت است. در ونتوري متر قطر لوله در نقاط ابتدا و انتها معلوم بوده و براي هر دبي اختلاف ارتفاع نظير فشار هيدروستاتيک  اندازه گيري مي شود. لذا با استفاده از رابطه فوق مي توان دبي را بدست آورد. روشن است که بعلت صرف نظر کردن از تلفات انرژي دبي بدست آمده را با مقدار واقعي کمي تفاوت خواهد داشت.

به منظور کاربردي بودن رابطه فوق در عمل از ضريب تصحيح استفاده مي شود که براي هر يک از دستگاهها با استفاده از رابطه:

قابل محاسبه است که در آن Q_c دبي محاسبه شده و Q_m دبي اندازه گيري شده واقعي مي باشد. مقدار K عموما تابع شکل و مشخصات دستگاه و ميزان دبي و مشخصات سيال عبوري است.

دوار سنج از يک لوله شفاف با قطر متغير و وزنه اي مخروطي شکل در داخل آن تشکيل شده است. وقتي سيال جريان ندارد وزنه مخروطي در پائينترين وضعيت قرار داشته و هيچگونه فاصله بين وزنه و جدارهاي لوله وجود ندارد. هنگامي که جريان  سيال بر قرار است در اثر نيروي وارده و لزوم وجود راهي جهت عبور آب, وزنه مخروطي به سمت بالا حرکت مي کند. وزنه تا جايي بالا مي رود که نيروي وزن, نيروي شناوري و نيروي ناشي از حرکت سيال با يکديگر در حالت تعادل قرار بگيرند. يعني:

که در آن F_D نيروي کشش, C_D ضريب کشش,  چگالي, A سطح مقطع وزنه در مقايل آب و V سرعت متوسط سيال است. نيروي وزن و نيروي شناوري مقداري است ثابت و تابع جنس و شکل وزنه مي باشد. پس از ساخت, دوار سنج ها را مدرج کرده و در کارخانه کاليبره ( يا واسنجي ) مي کنند. بدين معني که دبي را با وسايل مطمئن ديگري اندازه گيري کرده و براي هر ارتفاع از وزنه عدد مربوط را يادداشت مي کنند. نتايج نهايي به صورت نمودار هايي ارائه مي گردد. طبيعتا نمودار مربوط به هر دستگاه بايد بصورت مستقل تهيه شود.

پاسخ به سئوالات

1.      با توجه به توضيحات رابطه دبي, چرا پيزومتر ها ارتفاع نظير فشار را به صورت نسبي مي دهد؟

پاسخ:

     اين موضوع بدين دليل اين است که مبنا انتخاب Z همواره دلخواه است. بنابراين بنا به اينکه ما چه ترازي را مبناي کار قرار دهيم بايد عددي را از عدد قرائت شده کم و يا به آن زياد کنيم.

     البته چيزي که در اين جا اهميت دارد اختلاف دو مقدار خوانده شده است و چون لوله ها افقي هستند پس هر ترازي را که مبنا قرار دهيم فرقي ندارد,  چون نهايتا  با يکديگر  حذف مي شوند و تاثيري نميگذارند.

2.      مزايا و معايب هر يک از روشهاي اندازه گيري دبي که در اين آزمايش با آن آشنا شديم چيست؟

پاسخ:

     ونتوري متر مشکل خاصي ندارد هر چند کمي افت انرژي دارد.

     پخش کننده يا باز شدگي باعث افت شديد انرژي مي شود که اين موضوع از مقادير بدست آمده براي ضريب تصحيح, K, کاملا قابل مشاهده است.

     روزنه باعث مي شود که بعد از روزنه کمي جريان آشفته شود و مقداري از جريان به صورت چرخشي در پشت روزنه بوجود آيد

     زانويي يا خم نيز باعث افت انرژي مي شود. البته اين مقدار افت انرژي به اندازه پخش کننده نيست

     دوار سنج نيز کمي تقريب دارد از جمله اينکه کمي وزنه نوسان مي کند و مانع از قرائت صحيح عدد مي شود. ولي در مجموع دبي را با آن راحتتر مي توان اندازه گرفت.

3.      چرا هرچه دبي بيشتر مي شود وزنه دوارسنج بالاتر مي رود؟

پاسخ:

     بدهي است که هر چه دبي بيشتر شود چون سطح مقطع لوله ثابت است پس سرعت بيشتر شده  که اين افزايش سرعت  همانطور که از فرمول  پيدا است باعث افزايش  نيروي کشش مي شود که اين موضوع  نيز باعث بالاتر رفتن وزنه مي شود.

4.      چرا افت فشار در دوارسنج تقريبا ثابت است؟

پاسخ:

به دليل اينکه وزنه دوار سنج در هر ارتفاعي که  قرار بگيرد شرايط مقطع يکسان باقي مي ماند. لذا افت نيز ثابت باقي مي ماند.