مزايا و معايب Orifice Meter
مقدمه
جهت اندازه گيري جريان سيالات ، دستگاهها و روشهاي متفاوتي وجود دارد كه بطور اختصار مي توان موارد زير را نام برد .
1- وسايل ايجاد كننده اختلاف فشار
2- جريان سنجهاي سرعتي
3- جريان سنجهاي نوع جابجايي
4- جريان سنجهاي جرمي
در حال حاضر در ايستگاههاي تقليل فشار و اندازه گيري شركت ملي گاز از جريان سنجهاي توربيني turbine meter استفاده مي گردد كه از لحاظ طبقه بندي جزءجريان سنجهاي سرعتي محسوب مي شود چرا كه سرعت سيال و انرژي جنبشي آن باعث چرخش Rotor اين نوع جريان سنجها مي شود . اما نوع ديگري از جريان سنجها كه به طور وسيعي در صنايع نفت و پتروشيمي و پالايشگاههاي گاز استفاده مي گردد orifice meter ها مي باشد كه از لحاظ طبقه بندي جزو مورد 1 مي باشند .
استفاده از orifice plate ها شايد به قرنها قبل برگردد ولي به طور علمي اولين بار در سال 1900 ميلادي weymouth كه بر روي جريان سيالات مطالعه مي كرد براي اندازه گيري جريان گاز از صفحة نازك سوراخ دار متحدالمركز و لبه تيزي استفاده نمود ، مدتي بعد با تشكيل انجمن گاز آمريكا (AGA) و متعاقب آن كميته اندازه گيري آن انجمن ، orifice meter ها وارد صنعت آمريكا شدند و بسرعت گسترش يافتند وبعنوان وسيله اي مناسب جهت اندازه گيري جريان سيالات مورداستفاده قرار گرفتند تا اينكه در سال1963 ، Rockwell كنتور توربيني را ابداع نمود ولي چندين سال به طول انجاميد تا توانايي ها و پتانسيل هاي آن به اثبات برسد و در اواخر دهه هفتاد ميلادي بعنوان رقيبي جهت orifice meter ها به شمار مي آمد .
orifice meter ها كلاً از دو قسمت تشكيل شده اند 1- عنصر اوليه (primary Element) كه شامل يك صفحة روزنه دار (orifice plate) فلنج ها وطول مستقيم لوله مي باشد 2- عنصر ثانويه (secondary element) كه معمولاً يك Transmitter يا dp/cell مي باشد .
بايد ديد كه آيا استفاده از orifice meter ها جهت اندازه گيري جريان گاز طبيعي در فرآيند گازرساني و فروش مناسب است يا خير ؟
قبل از جواب دادن به سؤال بالا بهتر است دو نوع وضعيت اندازه گيري را بنام custody transfer و noncustody transfer را تعريف نماييم .
طبق تعريف اقتباس شده از اينترنت و از مقاله مندرج در مجله control Engineering چاپ فوريه 1999 تحت عنوان : “How to deliver liquids and Gases Accurately” ، custody transfer حالتي از انتقال و اندازه گيري سيال است كه در آن دقت بسيار با اهميت باشد و نيز در قبال انتقال ميزان معيني ازسيال پول رد و بدل شود و بنابراين خريدار به دقيق بدون اندازه گيري اطمينان حاصل مي نمايد . در حالت non custody transfer شرايط ذكر شده قبل حاكم نمي باشد و اندازه گيري از دقت كمتري برخوردار است .
نظر به اينكه در سيستم گازرساني و فروش به ازاء فروش گاز وجه دريافت مي شود و نيز با توجه به اينكه دقت اندازه گيري بخصوص براي مشتركين صنعتي عمده ، نظير نيروگاهها و صنايع پتروشيمي از اهميت بسزايي برخوردار است بطوريكه بايك يا دو درصد خطا باعث اختلاف زيادي در مقادير مصرفي بوجود خواهد آمد بنابراين فرآيند اندازه گيري جريان مي بايست از نوع custody transfer باشد و اين روالي است كه در كشورهاي صنعتي بخصوص كشورهاي اروپائي برقرار و حاكم مي باشد يعني اندازه گيري گاز طبيعي جهت مصرف مشتريان به روش custody transfer .
مقايسه بين orifice meter و turbin meter ها
آنچه در ادامه خواهد آمد مقايسه نسبتاً كاملي است بين دو دستگاه مذكور . در اين مقايسه دو دستگاه از زواياي گوناگون با يكديگر مقايسه شده.اند
operation :
orifice meter ها دستگاههاي اندازه گيري غير مستقيم مي باشند چرا كه خود به تنهايي نمي توانند جريان را اندازه گيري نمايند و بايد بوسيله يك ترانسميتر، اختلاف فشار دو طرف orifice plate را گرفته و سيگنال متناسب ارسال شود و نهايتاً توسط يك integrator مقدار جريان نشان داده ميشود ولي Turbin meter ها دستگاههاي اندازه گيري مستقيم مي باشند و ميزان اندازه گيري شده مستقيماً بر روي index كنتور نمايش داده ميشود.
Pressure loss :
orifice meter هايي كه از flange taps استفاده مي كنند نيمي از افت فشار ايجاد شده خود در طول orifice plate را بدست مي آورند ولي با وجود اين افت فشار آنها نسبت به turbine meter بسيار بالا مي باشد .
با توجه به مطلب ذكر شده ، هنگام مقايسه ظرفيتهاي دو دستگاه بايد ميزان فشار قابل بازيافت در orifice meter ها را مد نظر قرار داد .
Construction
در حالي كه Turbine meter ها دستگاههاي نسبتاً پيچيده اي همراه با تعداد قطعات متحرك مي باشد. orifice meter ها هيچ قطعة متحركي ندارند.
ولي از طرف ديگر Turbine meter ها دستگاههاي قرائت مستقيم هستند و نياز به وسيله ديگري جهت نشان دادن ميزان جريان نمي باشند در حاليكه orifice meter ها به تنهايي يك وسيله ناقص مي باشند و تنها عملي



جريان سنج روزنه اي جريان سنج توربيني
كه انجام مي دهند ايجاد يك اختلاف فشار مي باشد و براي دسترسي به يك اندازه گيري معني دار بايد از يك Transmitter و Recorder و يا integrator استفاده كرد و اين به پيچيدگي سيستم مي افزايد و بنابراين مشكل است كه بگوئيم كدام نوع اندازه گيري شامل كمترين قطعات متحرك مي باشد .
Installation
براي turbine meter ها طول مستقيم خطر لوله قبل و بعد از meter بر اساس گزارش شماره 7 AGA برابر با 10D طول مستقيم در بالا دست (upstream) و 5D طول مستقيم لوله در پايين دست (down stream) لازم مي باشد . كه اين حالت بهينه مي باشد .
درباره نصب orifice meter ها عمدتاً از گزارش شماره 3 مربوط به AGA استفاده مي گردد ولي مشخص شده كه در صورت استفاده از اين روش حدوداً 0.5% خطاي اندازه گيري وجود خواهد داشت و بنابراين استاندارد (ISO 5167) ISO تمام مقادير ارائه شده توسط AGA را دو برابر نموده است .
با اين توصيف طول مستقيم خط لوله مورد نياز در upstream جهت نصب orifice meter ها بسيار زياد خواهد بود كه بعضاً تا 40D خواهد بود و اين مسئله نيز مشكل بزرگي است در ضمن با افزايش بتا ( نسبت قطر روزنه orifice به قطر لوله) طول مستقيم لولة مورد نياز افزايش مي يابد در صورتي كه براي Turbine meter ها اينچنين نمي باشد .
Accuracy :
Accuracy كه در مبحث كاليبراسيون با عنوان صحت از آن نام برده مي شود عبارت است از ميزان تطابق يك كميت در حال اندازه گيري با ميزان واقعي يا استاندارد يا به عبارت ديگر اختلاف بين مقدار اندازه گيري شده و مقدار واقعي ( مي توان به آن ميزان خطا نيز اطلاق كرد )
حداكثر خطاي مربوط به turbine meter ها بين 0.2 جريان ماگزيمم تا ماگزيمم جريان برابر با 1% به ثبت رسيده است ( در بعضي انواع آن 0.5% ) در حالي كه اين مقدار براي orifice meter ها 2% مي باشد.
بنابراين دقت اندازه گيري در Turbine meter ها بالاتر از orifice meter ها مي باشد .
مبحث ديگر كه در رابطه با Accuracy قابل ذكر است uncertainty (عدم قطعيت ) مي باشد و آن را مي توان درجه اعتماد و اطميناني كه شخص مي داند كه مي تواند براي Accuracy اندازه گيري در نظر بگيرد تعريف نمود. مطلبي كه تاكنون بخوبي در صنعت گاز جهان مشخص شده اين است كه uncertainty اندازه گيري با orifice meter ها بيشتر از0.5% مطابق با (AGA 3) ANSI/API 2350 و مطابق ISO 5167 برابر 0.6% مي باشد كه در صورتي كه از حداقل طول لوله مطابق با گزارش شماره 3 AGA استفاده شود بايد ميزان 0.5% ديگر نيز به آن اضافه كرد .
مطالعه اي كه توسط API انجام شده نشان مي دهد ميزان uncertainty براي orifice meter ها برابر 1.7% مي باشد .
orifice meter ها يك دستگاه اندازه گيري جريان غيرخطي (square Root) مي باشند . turbine meter ها دستگاههاي اندازه گيري خطي هستند.
اطلاعات علمي منتشر شد ه پس از سالها ساخت و آزمايش turbine meter ها نشان مي دهد كه آنها مي توانند با يك accuracy بالا و قابل اثبات در مدت زمان قابل قبولي كار كنند .
Calibration :
orifice meter ها با آب كاليبره مي شوند و اين كاري پرهزينه مي باشد. خود orifice plate ها مي بايست دائماً از جهت هم مركز بودن ، صاف بودن سطح، قطر، تيزي لبه ها و ضخامت آن چك شود . عمليات checking موارد ذكر شده بايد هر ماه انجام شود و در بعضي از مقالات هر سه ماه يكبار عنوان شد ، در حاليكه turbine meter تنها نياز دارند كه هر سه تا شش ماه يكبار روغن كاري شوند و اگر فرآيند صحيح باشد مي توانند تا مدت زيادي در سرويس باقي بمانند ( در سيستم اندازه گيري فعلي بدلايل زيادي از جمله وضعيت نامناسب گاز، عدم كارائي مناسب فيلترها ، بعضاً نوسانات جريان ، عدم رعايت حداكثر ظرفيت كنتور و عدم بهره برداري مناسب از كنتورها ، دستگاههاي مذكور دچار اشكال مي شوند كه اين قضيه مربوط به ماهيت دستگاه نمي باشد و قطعاً با توضيحات قبل و توضيحاتي كه نوشته خواهد شد در شرايط مساوي اين اتفاقات براي orifice meter ها با شرايط حادتر بوجود خواهد آمد ) همچنين در مورد orifice meter ها عنصر ثانويه ( معمولاً ترانسميتر) نيز بايد بطور مرتب كاليبره و چك شود كه در غير اينصورت ممكن است خطاهاي زيادي ايجاد شود و اين امر نيز مستلزم اين است كه شخصي كه مسئول بازرسي و چك كردن عنصر ثانويه مي باشد بطور مداوم دستگاههاي تست و وسايل مورد نياز كاليبراسيون را با خود به محل نصب دستگاه ببرد ،و اگر بخواهد عنصر ثانويه را به آزمايشگاه ببرد مسلماً سيستم اندازه گيري از سرويس خارج خواهد شد .
در مقابل كنتورهاي توربيني مي تواند با هوا و در فشار اتمسفريك تست شوند حتي مي توان عمليات كاليبراسيون رادر فشار بالا و در فشار عملياتي دستگاه انجام داد .
خطاهاي سيستماتيك (Uncertainty) مربوط به Turbine meter حدود 0.2 الي 0.26 مي باشد كه نسبت به orifice meter ها پايين مي باشد .
Rangeability
Rangeability نسبت حداكثر جريان به حداقل جريان مي باشد كه مابين ايندو مقدار دستگاه ، اندازه گيري را بصورت صحيح انجام مي دهد .
Rangeability مربوط به orifice meter ها حدوداً 3.5 : 1 مي باشد كه يك دامنه بسيار محدود عملياتي است و در اين دامنه خطاي دستگاه حدود 0.5% الي 2% تخمين زده ميشود . در صورتي كه از دو يا چند ترانسميتر بصورت موازي با Range هاي متفاوت استفاده شود Rangeability مي تواند در حدود 10:1 افزايش يابد كه اين مقدار نيز رقمي پايين مي باشد .
در صورتي كه در turbine meter ها اندازه گيري جريان بر مبناي انرژي جنبشي گاز مي باشد .
فرمول انرژي جنبشي را بصورت زير نيز مي توان نوشت :

كه نشان مي دهد براي انرژي جنبشي ثابت هرچه جرم حجمي افزايش يابد سرعت كاهش مي يابد . بنابراين با افزايش فشار ميزان گاز كمتري جهت به حركت درآوردن Rotor لازم مي باشد و در اين حالت Rangeability مربوط به Turbine meter ها افزايش مي يابد .
در فشار اتمسفريك Rangeability مربوط به turbine meter ها در حدود 20:1 مي باشد يعني نسبت حداكثر جريان به حداقل جريان 20 برابر مي باشد حال هرچه فشار بالاتر رود دامنه اندازه گيري نيز مطابق فرمول زير افزايش مي يابد .

كه در آن :
RH : دامنه اندازه گيري در فشار بالا ( فشارP) مي باشد
RL : دامنه اندازه گيري در فشار پايين مي باشد ( فشار اتمسفريك)
Sp.gr : چگالي گاز مي باشد .
P : فشار گاز بر حسب بار مطلق (bara) مي باشد .
مثال : دامنه اندازه گيري يك كنتور توربيني در فشار 18 bara در صورتي كه چگالي گاز برابر با 0.64 باشد چقدر خواهد بود ؟

بنابراين ملاحظه مي شود كه Rangeability كنتور مذكور را از 20:1 در فشار اتمسفريك به 68:1 در فشار 18bara رسيد .
همانطور كه ملاحظه شد هرچه فشار عملياتي turbine meter ها افزايش يابد Rangeability نيز افزايش مي يابد كه اين ميزان در فشارهاي بالاتر حتي به مقدار 200:1 نيز افزايش مي يابد كه در مقايسه با orifice meter ها بسيار بالا و قابل توجه است .
با توجه به موارد ذكر شده يكي از معايب بزرگ orifice meter ها دامنه پذيري پايين آن مي باشد بنابراين در نقاطي كه نسبت حداكثر به حداقل جريان بيش از 3.5 باشد اين نوع دستگاهها با خطاي زيادي همراه خواهند بود و اين اتفاقي است كه دقيقاً در C.G.S ها رخ مي دهد و نسبت حداكثر
جريان در زمستان و حداقل آن در تابستان بيش از 3.5 خواهد بود و حتي در يك فصل و دريك روز با توجه به وضعيت مصرف ممكن است نسبت حداكثر به حداقل جريان بيشتر از 3.5 گردد ، كه مشكل بزرگي بر سر راه اندازه گيري دقيق مي باشد .
Repeatability
در مبحث كاليبراسيون Repeatabilityرا معادل Precision يعني دقت در نظر مي گيرند يعني اگر يك دستگاه در محدودة عملياتي خويش تكرار پذير باشد دستگاه دقيقي مي باشد .
بعبارت ديگر با چندين مرتبه تكرار اندازه گيري دستگاه مقدار مشابهي را قرائت نمايد در orifice meter ها تكرار پذيري اندازه گيري به تكرار پذيري عنصر ثانويه (معمولاً ترانسيمتر) و آسيب پذيري و استعداد آن دستگاه نسبت به Hysteresis (خطاي پس ماند) بستگي دارد .هيچ ميزان دقيقي از Repeatability در اندازه گيري با orifice meter ها گزارش نشده است .
در مقابل Turbine meter ها مي توانند تحت جريان ، فشار و دماي كنترل شده بطور علمي كاليبره شوند به نحوي كه Repeatability آنها مي تواند بصورت اثبات شده در حدود 0.1% باشد.
Reliability
وقتي از Reliability صحبت ميشود . دو مبحث را مي بايست مد نظر قرار داد .
1- Mechanical Reliability
2- Reliability of Measurment
در نگاه اول يك orifice meter از بعد مكانيكال بسيار قابل اعتماد مي باشد ولي چونكه orifice meter بايد با عنصر ثانويه خود در نظر گرفته شود و ديگر نمي توان گفت كه اين سيستم اندازه گيري اعتماد پذيري بالائي دارد.
اتفاقات زيادي مي تواند رخ دهد كه باعث خطا در orifice meter ها گردد كه تنها يك بازرس با تجربه با پشتكار وبا انجام كاليبراسيون هاي مرتب مي تواند آنها را در حد قابل قبول نگه دارد .
آزمايشات زيادي بر روي انحرافات ناچيز نسبت به يك اندازه گيري كامل نشان داده است كه اين انحرافات ناچيز باعث افزايش قابل توجه در خطاي اندازه گيري مي شوند .
در ذيل هفت خطاي عمده كه ممكن است در orifice meter ها بوجود بيايد ذكر شده است .
1- اگر orifice plate با لبة شيب دار در جهت عكس نصب شود خطاي ايجاد شده 14% - مي باشد .
2- اگر آشغال و يا كثافات در upstream صفحة روزنه دار جمع شود خطاي ايجاد شده حدود 6.2%- خواهد بود
3- اگر آشغال و كثافت در Down stream صفحة روزنه دار جمع شود خطاي ايجاد شده حدود 2.3%- مي باشد
4- اگر آشغال و كثافات در هر دو سمت صفحة روزنه دار جمع شود در اين حالت اختلاف فشار بيشتري در دو طرف صفحه ايجاد شده و خطائي معادل 3%+ ايجاد خواهد نمود .
5- اگر كثافات روي خود orifice plate در قسمت up stream تشكيل شود باعث ميشود كه Vena Contracta ( ناحيه اي بعد از orifice plate كه جريان حداقل فشار را دارد ) به سمت Down stream جابجا شود و در اين حالت اختلاف فشار كمتري توليد خواهد شد وباعث ايجاد خطائي معادل 23.1%- مي نمايد .
6- رسوب هاي حلقه مانند(عمدتاً در اثر وجود روغن ، گريس و … در گاز) روي سطح upstream صفحة روزنه دار باعث كاهش اختلاف فشار به ميزان زياد شده و خطائي معادل 27.7% - ايجاد مي كند .
7- اگر لبه هاي orifice plate دچار لبه پريدگي و يا گردشده در اين حالت نيز Vena contracta به سمت Down stream جابجا شده و خطائي معادل 11.25%- ايجاد مي نمايد .



خطاهاي ذكر شده يا خطاهائي كه در مجلة pipeline & Gas Industry چاپ نوامبر 2001 و همان مجله چاپ دسامبر 99 ذكر شده تقريباً همخواني دارد .
لازم به ذكر است كه ممكن است دو يا چند مورد از اين خطاها با هم اتفاق بيفتند كه مسلماً ميزان error را بالا خواهند برد .
توجه به اين نكته بسيار با اهميت مي باشد كه حدود 90% از خطاها منفي مي باشند يعني خطاهائي مي باشند كه دستگاه كمتر قرائت مي نمايد وبنابراين با توجه به ميزان بالاي خطاها و نيزميزان گاز عبوري فروشنده بسيار متضرر خواهد شد .
در مورد Turbine meter ها درست است كه داراي تعدادي قطعه متحرك مي باشد ولي با كمي تأمل مشخص مي شود كه خود يك فايده نيز به حساب مي آيد چرا كه در اين حالت عيوب مكانيكي به سادگي و به راحتي قابل تشخيص مي باشد ، مثلاً اگر index حركت نكند تكنسين و اپراتور دستگاه به راحتي متوجه مشكل مي گردد و در ضمن خطاهاي احتمالي نيز به مراتب كمتر از آنچه درorifice meter ها اتفاق مي افتد مي باشد .
Maintenance
orifice meter ها نياز به بازرسي و چك كردنهاي مداوم بخصوص براي عنصر ثانويه خود دارند و براي اين كار نيز نياز به دستگاههاي مناسب و تكنسينهاي آموزش ديده مي باشد . همچنين در صورت وجود Recorder آنها نيز بايد مرتب تست و كاليبره شوند و در شرايط خوب orifice meter ها بايد هر سه ماه يكبار چك شوند . در صورتي كه در مورد turbine meter ها در صورت بهره برداري مناسب تنها به روغن كاري احتياج خواهند داشت .
Price
با توجه به اينكه براي orifice meter ها طول مستقيم لوله زيادي نياز مي باشد و همچنين به عنصرثانويه و Integrator نيز نياز دارد از لحاظ قيمت قابل قياس با turbine meter ها مي باشند . همچنين همانطور كه ذكر شد با توجه به اينكه خطاهاي orifice meter ها عمدتاً منفي مي باشد خود هزينه هاي بسيار گزافي توليد خواهد كرد ضمن اينكه در صورت استفاده از Recorder نياز به تعويض مداوم chart نيز مي باشد .
قابل ذكر است كه در اروپا و در بسياري از كشورهاي ديگر جهان و عمدتاً در كشورهاي عضو اتحادية اقتصادي اروپا (EEC) سيستم orifice metering بعنوان يك سيستم اندازه گيري براي حالت Transfer Custody مقبوليتي مانند turbine meter ها ندارد. ( نقل از B.J.Keperman, peco Instromet Inc )
جمع بندي :
بعنوان نتيجه گيري و جمع بندي مي توان در مورد كاربرد orifice meter ها بعنوان يك وسيله اندازه گيري در حالت custody transfer موارد زير را عنوان نمود .
1- افت فشار در orifice meter ها زياد مي باشد
2- Accuracy و uncertainty مربوط به orifice meter ها نسبت به turbine meter ها ضعيف تر مي باشد .
3- Rangeability دستگاه هاي مذكور بسيار كم مي باشد و اين محدوديتي قابل توجه در بعد اندازه گيري گاز در سيستم گازرساني و فروش مي باشد .
4- خطاهاي قابل پيش بيني و محتمل در orifice meter ها نسبتاً زياد و ميزان آنها نيز بالا مي باشد و با توجه به اينكه اكثر خطاهائي كه در اين مقاله به آن اشاره شد منفي مي باشد از بعد اقتصادي ضرر بسيار زيادي را براي شركت ملي گاز ايران در بر خواهد داشت كه توجه به اين نكته حائز اهميت زيادي مي باشد .
5- طول مستقيم مورد نيازدر orifice metering نسبت به turbine meter ها بيشتر مي باشد اين مسئله نيزعلاوه بر هزينه هاي ساخت در صورت عدم رعايت باعث خطا مي گردد .
6- orifice meter ها ( شامل orifice plate و ترانسميتر و يا ريكوردر مربوطه ) مي بايست بطور مرتب توسط افراد متخصص و بطور دقيق از زواياي مختلف چك شوند كه در اين صورت جهت نصب orifice plate مي بايست از orifice fitting senior استفاده نمود كه بتوان بدون قطع جريان orifice plate را جابجا و بازرسي نمود كه اين مورد نيز باعث بالا رفتن هزينه دستگاه مي گردد .

مراجع و منابع
1- Jame N . witte , “ proper orifice meter test must include plate , tube inspection “ , pipe line & Gas industry, december 1999 Vol. 82 No . 12 .
2- Edgar B.Bowles, jr, “New development in turbine flow meters “ pipeline & Gas industry November – December 2001
3- JEFFREY L. MEREDLTH “ periodic inspection , cleaning key to orifice meter operation “ Pipe line & Gas industry november- December 2001 .
4- “ Measurment of fliud flow by means of orifice plate , nozzels and venturi tubes inserted in circular cross section conduits running full “ Iso international standard 5167
5- “ station Design “ , instromet co . Inc , Belgium
6- American Gas Association Report No . 3, orifice metering of natural Gas and other related hydrocarbon fluids” , 1978
7- william G.Andrew, Applied instrumentation in the process industry , vol . 2 .
8- Lobit Datta – Barua “ New perspective on measurment “ pipe line & Gas journal, july 1997
دستورالعملهاي كاري كنتورهاي RMG , Instromet, Elster 9-