فرض کنید می‌خواهید دمای یک بویلر یا کوره را با کنترل فلوی (جریان) گاز ورودی آن کنترل کنید یا نسبت مشخصی از چند ماده شیمیایی مایع یا گاز را با تنظیم فلوی لوله‌های حاوی این مواد با هم ترکیب کنید. در چنین پروژه‌هایی نیازمند مانیتور کردن و اندازه‌گیری دقیق مقدار فلوی سیّال هستید.
فلومترها تجهیزاتی هستند که با روش‌های مختلف، اندازه‌گیری فلو را انجام می‌دهند. در این مقاله با انواع فلومتر و نحوه کار و موارد کاربرد آن‌ها آشنا می‌شوید.
فلومتر چیست؟
به سرعت جاری‌شدن یک سیّال در یک لوله، فلوی آن سیّال گفته می‌شود. فلو را با استفاده از فلومتر و به روش‌های مختلف اندازه‌گیری می‌کنند. شکل ۱ نمای ظاهری یک نمونه فلومتر رایج در صنعت را نشان می‌دهد.
فلومتر وسیله اندازه‌گیری پرکاربردی است. در واحدهای مسکونی، ساختمان‌های تجاری و زیرساخت‌های شهری برای اندازه‌گیری فلوی آب و گاز از این تجهیزات استفاده می‌شود. اما کاربرد عمده فلومتر در محیط‌های صنعتی است. در همه پروسه‌هایی که با مواد سیال (مایع و گاز) سر و کار دارند، استفاده از فلومتر اجتناب‌ناپذیر است.
از فلومتر به‌صورت گسترده در صنایعی مانند نفت، گاز، پتروشیمی، فولاد و نیروگاه برق استفاده می‌شود. به‌دلیل تنوع زیاد سیّالات با مشخصه‌های فیزیکی و شیمیایی مختلف، فلومترها با انواع بسیار متعددی متناسب با سیّالات مختلف طراحی و ساخته شدهاند. از انواع رایج فلومتر در صنعت موارد زیر کاربرد زیادی دارند.
- فلومتر انسدادی (Obstruction Flowmeter)
- فلومتر توربینی (Turbine Flowmeter)
- فلومتر الکترومغناطیسی (Electromagnetic Flowmeter)
- فلومتر PD یا فلومتر جابجایی مثبت (Positive-Displacement Flowmeter)
- فلومتر گردابی (Vortex Flowmeter)
- فلومتر بادسنجی (Anemometer)
- فلومتر التراسونیک (Ultrasonic Flowmeter)
- فلومتر جِرمی (Mass Flowmeter) یا کوریولیس (Coriolis Force)
به‌طورکلی، اندازه‌گیری فلو با مکانیزم‌های مختلفی انجام می‌شود. از جمله مکانیزم‌های رایج اندازه‌گیری فلو می‌توان به نمونه‌های زیر اشاره کرد:
- فلومترهای مکانیکی: در این روش‌ها یک تغییر مکانیکی، مانند چرخش، جابجایی یا خمیدگی یک قطعه در مسیر سیّال مقدار فلو را تعیین می‌کند. مانند فلومتر توربینی.
- فلومترهای فشاری: در این فلومترها سنجش فلو با ایجاد اختلاف فشار در دو نقطه از لوله، از طریق ایجاد تنگنا یا مانع در آن انجام می‌شود. مانند فلومتر لوله ونتوری.
- فلومترهای تشعشعی: این فلومترها با انتشار امواج صوتی یا الکترومغناطیسی و گاهی تابش طیف نور و تغییرات ایجاد شده در آن‌ها فلو را اندازه می‌گیرند. مانند فلومتر التراسونیک.
- روش‌های متفرقه: روش‌های دیگری از قبیل اندازه‌گیری غلظت، دما و رنگ سیّال هم می‌توانند در سنجش فلو به کار گرفته شوند. مانند فلومتر توده حرارتی.
در ادامه به شرح و بررسی برخی انواع متداول این فلومترها می‌پردازیم.
انواع واحدهای اندازه‌گیری
هر دو نوع سیّال گاز و مایع می‌توانند با واحدهای حجمی مانند «لیتر در ثانیه» یا «متر مکعب در دقیقه» و واحدهای جِرمی مانند «کیلوگرم در دقیقه» اندازه‌گیری شوند. واحد اندازه‌گیری بستگی به چگالی سیّال دارد. چگالی مایعات معمولاً به شرایط وابستگی ندارد؛ اما در مورد گازها این چنین نیست.
چگالی گازها به شدت به فشار، دما و تا حدی به ترکیب شیمیایی آن‌ها وابسته است. وقتی گاز یا مایع بنا باشد که برای تأمین انرژی منتقل شود، واحد فلو ممکن است تحت عنوان «انرژی‌فلو» بیان شود؛ مانند «گیگاژول در ساعت» یا «BTU در روز». (BTU یک واحد سنجش انرژی است).
بیشتر بدانیم
چگالی از مشخصه‌های فیزیکی مواد است و به جِرم یک ماده در واحد حجم گفته می‌شود. هر چه چگالی یک ماده بیشتر باشد، آن ماده تراکم مولکولی بیشتری دارد. در نتیجه جرم آن در یک حجم مشخص بیشتر است. واحد اندازه‌گیری چگالی، کیلوگرم بر متر‌مکعب (kg/m3) است.
انواع فلومتر و نحوه کار آن‌ها
فلومتر بسته به کاربرد آن در انواع بسیار متنوعی ساخته می‌شود. «اِلِمان اصلیِ فلو» (Primary Flow Element) بخشی از فلومتر است که در مسیر سیّال یا در مجاورت آن قرار می‌گیرد. این بخش، یک تغییر فیزیکی (مانند تغییر دما، فشار یا فرکانس امواج) ایجاد می‌کند که این تغییر با مقدار فلو ارتباط دقیق دارد.
با اندازه‌گیری آن تغییر فیزیکی، می‌توان مقدار فلو را به‌صورت غیرمستقیم تعیین کرد. برای مثال، استفاده از یک صفحه اوریفیس (Orifice Plate) باعث ایجاد افت فشار در مسیر سیّال می‌شود. اختلاف فشار قبل و بعد از صفحه اوریفیس از طریق یک معادله ریاضی با مجذور مقدار فلو ارتباط مستقیم دارد.
بنابراین، صفحه اوریفیس به‌عنوان اِلِمان اصلی فلو، با ایجاد اختلاف فشار، امکان اندازه‌گیری فلو را فراهم می‌کند. به‌عنوان مثالی دیگر، در فلومتر گردابی تیغه (Shredder) فلومتر با قرار گرفتن در مسیر سیّال یک سِری نوسان پی‌درپی در جریان سیّال ایجاد می‌کند. فرکانس عبور این نوسان‌ها مقدار فلو را به دست می‌دهد. در اینجا، تیغه فلومتر گردابی، نقش اِلِمان اصلی را ایفا کرده و اندازه‌گیری فلو را ممکن می‌کند.
به‌طور کلی، اندازه‌گیری مشخصه فیزیکی تولید‌شده توسط اِلِمان اصلی فلو بسیار آسان‌تر از اندازه‌گیری خودِ فلو است. انتخاب اِلِمان اصلی مناسب و نحوه نصب درست آن در هنگام کالیبراسیون از مؤلفه‌های مهم دقت فلومتر هستند. در ادامه، نحوه کار فلومترهای صفحه اوریفیس و گردابی که در اینجا به آن‌ها اشاره شد و انواع دیگر فلومتر را شرح می‌دهیم.
1. فلومترهای مکانیکی
در بسیاری از فلومترها، فلوی سیّال طی یک فرایند مکانیکی تعیین می‌شود و واکنش اجزای مکانیکی به تغییرات فلو امکان اندازه‌گیری آن را به فلومتر می‌دهد. در این بخش، به انواع مختلف فلومترهای مکانیکی اشاره می‌کنیم.
A. فلومتر PD (جابجایی مثبت)
فلومتر PD یا فلومتر جابجایی مثبت، تجهیزی است که مقدار فلو را با دقت بالا (در برخی موارد تا ۰.۰۱ درصد) اندازه‌گیری می‌کند. این تجهیز برای کار نیازی به تغذیه برق یا لوله‌کشی ندارد.
فلومتر PD با عبور دادن بسته‌های (حجم‌های) جداگانه سیّال از میان یک سری دنده و شمارش تعداد بسته‌های عبوری، مقدار فلو را به دست می‌آورد. هر نوع فلومتر PD روش خاص خود را برای جدا کردن بسته‌ها و شمارش آن‌ها دارد.
فرکانس قطارِ پالسِ ایجاد‌شده در اثر عبور سیّال از دنده‌ها، نشان‌دهنده مقدار فلو و تعداد پالس‌ها نشان‌دهنده اندازه بَچ (نمونه) است. در شکل ۲ عملکرد فلو ترنسمیتر PD در تبدیل بسته‌های عبوری به قطار پالس را می‌بینید.
سیّالی که از فلومتر PD می‌گذرد باید تمیز و بدون ناخالصی باشد و ذرات بزرگتر از صد میکرومتر باید با فیلتر جدا شوند. به دلیل حساسیت بالای این فلومتر، استفاده از آن برای سیّالاتی که دارای ذرات ناخالصی هستند، توصیه نمی‌شود.
هرچند افزایش ویسکوزیته سیّال باعث نرم‌تر کار کردن PD می‌شود؛ اما با ویسکوزیته بیشتر افت فشار بیشتری هم رخ می‌دهد. بنابراین، با تغییر آن، ظرفیت حداقل و حداکثر فلوی قابل‌اندازه‌گیری توسط PD نیز تغییر می‌کند.
از مزایای استفاده از از فلومتر PD می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- دقت بالا
- رِنج گسترده ویسکوزیته قابل اندازه‌گیری
- قابلیت اطمینان بالا
- نیاز کم به سرویس و نگهداری
بیشتر بدانیم
ویسکوزیته (Viscosity) به معنی میزان مقاومت یک سیّال در برابر جاری شدن و تغییر شکل است. در مایعاتی که ویسکوزیته بیشتر دارند، نیروی بین مولکولی زیادتر است و در نتیجه مایع با سرعت کمتری جاری می‌شود. برای مثال، عسل ویسکوزیته بیشتری نسبت به آب دارد.
در شکل ۳ تصویر یک نمونه فلومتر PD (جابجایی مثبت) را مشاهده می‌کنید.
شکل ۳ نمونه‌ای از یک فلومتر PD است؛ اما این فلومتر در انواع دیگر و بسیار پیچیده نیز ساخته می‌شود. از مدل‌های رایج طراحی PD می‌توان به مدل‌های زیر اشاره کرد:
- دنده‌بیضی (Oval Gear): در طراحی دنده‌بیضی، دو دنده بیضی شکل به‌صورت عمود بر هم، خلاف یکدیگر می‌چرخند. حجم مشخصی از سیّال بین دنده‌ها و فضای نیم‌دایره فلومتر محبوس شده و به سمت بیرون هدایت می‌شود. این نوع طراحی بسیار دقیق است و لقی کمی بین دنده‌ها و فضای نیم‌دایره وجود دارد.
- پره‌ای (Rotating Lobe): در طراحی پره‌ای، دو پره خلاف جهت یکدیگر در یک فضای تخم‌مرغی شکل می‌چرخند. با چرخش پره‌ها، مقدار مشخصی از سیّال میان آن‌ها حبس شده و به سمت خروجی هدایت می‌شود. با اندازه‌گیری سرعت چرخش یکی از پره‌ها می‌توان سرعت و تعداد بسته‌های عبوری را تعیین کرد و فلو بر این اساس اندازه‌گیری می‌شود.
- چرخ‌دنده‌ای (Rotating Impeller): در طراحی چرخ‌دنده‌ای، دو چرخ‌دنده با دنده‌‌های درشت در هر بار چرخش، حجم ثابتی از سیّال را به سمت خروجی می‌رانند. این نوع فلومتر در صنایع غذایی برای اندازه‌گیری فلوی آبمیوه، شیر، شکلات و مانند آن‌ها بسیار پرکاربرد است.
در شکل ۴ این سه مدل فلومتر PD نشان داده شده است.
B. فلومتر توربینی
فلومتر توربینی وسیله‌ای است که در اثر سرعت چرخش توربین درون سیّال (مایع یا گاز)، مقدار فلو را اندازه‌گیری می‌کند. جریان سیال به پره‌های توربین برخورد می‌کند و باعث چرخش یک روتور می‌شود.
سرعت روتور متناسب با فلوی سیّال است و با اندازه‌گیری آن می‌توان مقدار فلو را اندازه گرفت. در شکل ۵ نمای ظاهری و درونی یک فلومتر توربینی را می‌بینید.
همان‌طور که در تصویر انفجاری شکل ۵ مشاهده می‌کنید، با عبور سیّال از سمت چپ پروانه توربین، روتور شروع به چرخیدن می‌کند. روی تیغه‌های روتور، آهنربا (دایره قرمز رنگ) نصب شده است که در اثر چرخش روتور، آهنربا نیز می‌چرخد.
یک سنسور هال در مجاورت تیغه‌های روتور قرار می‌گیرد. با گذر کردن آهنربا از مقابل سنسور یک پالس الکتریکی ایجاد و توسط ترانسمیتر ثبت می‌شود. سرعت چرخش روتور و فرکانس پالس ثبت‌شده توسط ترانسمیتر، با سرعت عبور سیّال ارتباط مستقیم دارد و به این شکل فلو اندازه‌گیری می‌شود.
این نوع فلومتر از دقت بالایی برخوردار است و مکانیزم چندان پیچیده‌ای هم ندارد. البته چون سایز این مدل فلومتر برابر با سطح مقطع لوله است، باعث افت فشار سیّال می‌شود.
فلومتر توربینی برای سیّال‌هایی با ویسکوزیته پایین و متوسط مناسب است. همچنین سیّال باید پاک و عاری از ذرات معلق باشد.
بیشتر بدانیم
سنسور هال سنسوری است که بر اساس پدیده «اثر هال» کار می‌کند و میدان مغناطیسی را تشخیص می‌دهد. قرار گرفتن این سنسور در مجاورت میدان مغناطیسی باعث تولید ولتاژ در آن می‌شود؛ این ولتاژ متناسب با شدت میدان مغناطیسی است.
اگر این سنسور با یک «آشکارساز آستانه» (Threshold Detector) ترکیب شود، می‌تواند به‌صورت یک سوئیچ قطع و وصل کار کند. اگر شدت میدان مغناطیسی بیشتر از مقدار آستانه شود، سوئیچ وصل و با کمتر شدن آن از مقدار آستانه، قطع می‌شود. این قطع و وصل مکرر یک پالس تولید می‌کند. در فلومتر توربینی از یک سنسور هال برای تولید پالس استفاده شده است.
C. فلومتر توربین حلزونی (Helical Turbine Flowmeter)
عملکرد این فلومتر مشابه فلومتر توربینی است؛ با این تفاوت که روتور آن هذلولی شکل است. با عبور سیّال از پره‌ها، پروانه فلومتر می‌چرخد و روتور را به چرخش وامی‌دارد.
با اندازه‌گیری سرعت چرخش، می‌توان میزان فلو را اندازه‌گیری کرد. شکل ۶ نمای انفجاری یک فلومتر توربین حلزونی را نشان می‌دهد.
در این فلومتر نیز آهنربا کوچکی روی پره‌های روتور نصب شده که مشابه فلومتر توربینی، با عبور آهنربا از جلوی سنسور هال سرعت چرخش محاسبه شده و مقدار فلو اندازه‌گیری می‌شود.
فلومتر توربین حلزونی به‌دلیل شکل هذلولی روتور، امکان اندازه‌گیری سیّالات با ویسکوزیته بالا را دارد. افت فشار کمتری نسبت به فلومتر توربینی معمولی در خط ایجاد می‌کند و می‌توان مقادیر بسیار کم فلو را با آن اندازه‌گیری کرد.
شکل ۷ نمای ظاهری یک فلومتر توربین حلزونی به همراه روتور هذلولی‌شکل آن را نشان می‌دهد.
D. فلومتر چرخ پارویی (Paddle Wheel Flowmeter)
فلومتر چرخ پارویی نیز مانند انواع فلومترهای توربینی از یک مکانیزم چرخشی برای اندازه‌گیری بهره می‌برد. این فلومتر از یک چرخِ پاروییِ مجهز به آهنربا تشکیل شده و به شکلی روی خط لوله نصب می‌شود که پاروهای آن عمود بر مسیر سیّال باشد.
با عبور سیال، چرخ پارویی (اِلمان اصلی فلو) به چرخش در می‌آید. نحوه اندازه‌گیری فلو در این مدل هم مشابه فلومترهای توربینی است. در شکل ۸ نحوه کار فلومتر چرخ پارویی را می‌بینید.
فلومترهای چرخ پارویی قیمت پایینی دارند و از دقت مناسبی، به‌ویژه برای اندازه‌گیری فلوی آب برخوردارند. دراین فلومترها نیز سیّال باید پاک و بدون ذرات ناخالصی باشد.
دقت داشته باشید در این مدل فلومتر، اگر تمام مقطع لوله پر از سیّال نباشد، پاروها به‌طور مداوم در تماس با سیّال نبوده و خطا در اندازه‌گیری رخ می‌دهد.
2. فلومترهای فشاری
دسته‌ای از فلومترها، فلو را بر اساس اختلاف فشار بین دو نقطه از مسیر سیّال اندازه می‌گیرند. در این روش، از اجزایی مانند ورقه فلزی، اوریفیس یا لوله وِنتوری برای کاهش مقطع مسیر سیّال استفاده می‌شود. سپس میزان اختلاف فشار قبل و پس از مقطعِ تنگ‌شده اندازه‌گیری می‌شود.
طبق «قضیه برنولی» می‌توان فلو را با استفاده از اختلاف فشار بین این دو نقطه محاسبه کرد. در این بخش، فلومتر‌هایی را معرفی می‌کنیم که بر مبنای اختلاف فشار، فلو را اندازه‌گیری می‌کنند.
بیشتر بدانید:
طبق قضیه برنولی، افزایش سرعت (فلوی) یک سیّال (v)، باعث کاهش فشار آن (P) در لوله می‌شود (v~1/P) به بیان دیگر سرعت سیّال با فشار رابطه عکس دارد. در سنسور ونتوری و سنسورهای مشابه، فلو را با ایجاد افت فشار اندازه‌گیری می‌کنند. عملکرد آن به این صورت است که با عبور سیّال از یک مسیر بسته تنگ، مقدار فلوی آن افزایش و مقدار فشار آن کاهش می‌یابد (شکل۹).
A. فلومتر ونتوری (Venturi Flowmeter)
نحوه کار فلومتر ونتوری به این شکل است که با کاهش قطر سطح مقطع لوله، بخشی از مسیر سیّال را تنگ می‌کند. سپس اختلاف فشار قبل و روی ناحیه تنگ‌شده (گلوگاه) با «فشارسنج دیفرانسیلی» اندازه‌گیری شده و فلوی سیّال با استفاده از این اختلاف فشار محاسبه می‌شود.
شکل ۱۰ یک فلومتر ونتوری، متشکل از لوله ونتوری و ترانسمیتر فشار دیفرانسیلی را نشان می‌دهد.
فلومتر ونتوری از قیمت پایین، طول عمر زیاد و دقت خوبی برخوردار است و در اندازه‌گیری فلوی مایع، گاز و بخار به‌خوبی عمل می‌کند.
B. فلومتر صفحه اوریفیس (Orifice Plate)
فلومتر صفحه اوریفیس از یک صفحه اوریفیس و یک فشارسنج دیفرانسیلی (تفاضلی) تشکیل شده است. صفحه اوریفیس یک صفحه فلزی سوراخ‌دار است و مشابه لوله ونتوری باعث افت فشار سیّال می‌شود.
با اندازه‌گیری اختلاف فشار قبل و بعد از صفحه اوریفیس به وسیله فشارسنج دیفرانسیلی، مقدار فلوی سیّال به دست می‌آید (شکل ۱۱).
شکل ۱۱، صفحه اوریفیس از نوع «هم‌مرکز» (Concentric) است که در آن مرکز سوراخ اوریفیس با مرکز لوله سیّال بر هم منطبق هستند. از انواع دیگر صفحه‌های اوریفیس می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- ناهم‌مرکز (Eccentric): اوریفیس ناهم‌مرکز برای سیّال‌های مایعی به کار می‌رود که حاوی گاز یا ذرات جامد هستند.
- مقطعی (Segmental): اوریفیس مقطعی برای سیّال بخاری که حاوی آب است یا مایعی که حاوی ذرات جامد است، به کار می‌رود.
- چند‌سوراخی (Multi-hole): از اوریفیس چند‌سوراخی نیز برای ایجاد اختلاف فشار بیشتر استفاده می‌شود.
در شکل ۱۲ نمونه‌های اوریفیس را می‌بینید.
C. لوله پیتوت (Pitot Tube)
لوله پیتوت یک لوله باریک است که در مسیر سیّال قرار می‌گیرد و از فشار سیّال جاری‌شده و فشار ایستای سیّال، نمونه‌برداری کرده و به وسیله اختلاف این دو فشار، فلو را اندازه می‌گیرد. فشار ایستا، فشاری است که سیال در حالت بدون‌حرکت به مخزن یا لوله وارد می‌کند و ناشی از وزن سیّال است.
لوله پیتوت در اَشکال مختلفی ساخته می‌شود. نحوه کار یکی از انواع رایج این تجهیز به نام «فلومتر لوله پیتوت میانگین» (Averaging Pitot Tube) را در شکل ۱۳ می‌بینید.
در این نوع فلومتر چندین سوراخ روی لوله پیتوت ایجاد شده است تا جهت و اندازه سرعت سیّال را محاسبه کند. وجود سه سوراخ یا بیشتر این امکان را به فلومتر می‌دهد که فلو را از چند جهت مختلف نمونه‌برداری کند. این امر باعث افزایش دقت اندازه‌گیری می‌شود.
نمونه‌برداری پرفشار و کم‌فشار توسط مجراهای درون لوله (لوله میانگین داخلی و لوله اثر بیرونی) به ترانسمیتر فشار منتقل می‌شود و مقدار فلو از طریق اختلاف فشار به دست می‌آید. شکل ۱۴ نمای ظاهری یک فلومتر لوله پیتوت را نمایش می‌دهد.
فلومتر لوله پیتوت انسداد اندکی در مسیر سیّال ایجاد می‌کند؛ بنابراین باعث افت فشار نمی‌شود.
قیمت فلومتر لوله پیتوت پایین است. این فلومتر توانایی اندازه‌گیری فلوهای بسیار زیاد و بسیار کم را ندارد و از رِنج عملکرد محدودی برخوردار است. لوله پیتوت بسیار آسیب‌پذیر است و هنگام نصب یا تعمیر باید با احتیاط با آن رفتار کرد.
3. فلومتر نوری (Optical Flowmeter)
فلومتر نوری معمولاً برای اندازه‌گیری فلوی گازها استفاده می‌شود. در این فلومتر دو اشعه لیزر با فاصله کم در مسیر سیّال تابانده می‌شود و ذرات معلقِ ریز، همراه با گاز از این اشعه‌های نور عبور می‌کنند. نور اشعه اول لیزر با برخورد به ذره می‌شکند.
شکست نور، توسط یک سنسور تشخیص نور ثبت می‌شود و این سنسور یک سیگنال پالس تولید می‌کند. با عبور ذره از اشعه دوم همین کار تکرار شده و سیگنال پالسی الکتریکی دوم تولید می‌شود. با محاسبه بازه زمانی بین این پالس‌ها می‌توان مقدار فلو را اندازه‌گیری کرد. شکل ۱۵ نحوه کار یک فلومتر نوری را نمایش می‌دهد.
فلومتر نوری برای اندازه‌گیری فلو در رنج وسیعی از لوله‌ها (از ۴ تا ۳۰ اینچ) مناسب است. در صنایع نفت و گاز برای کاربردهای متفاوتی از این تجهیز استفاده می‌شود. مثلاً برای مانیتور کردن «فلِر» (Flare) در صنایع گاز، می‌توان از فلومتر نوری استفاده کرد.
فلر به شعله‌های همیشه‌روشن در پالایشگاه‌ها گفته می‌شود که گازهای ناشی از فرایند پالایش را می‌سوزانند. در حالتِ ایده‌آل هیچ فلوی گازی نباید در فلر باشد. افزایش فلوی گاز، تنها در شرایط اضطراری رخ می‌دهد و میزان این افزایش بسیار زیاد است.
بنابراین فلومتری که باید فلوی گاز در فلر را اندازه بگیرد، باید Turndown Ratio بسیار بالایی داشته باشد؛ Turndown Ratio معرّف توانایی سنسور در تغییر رنج (بازه) اندازه‌گیری است. در چنین شرایطی فلومتر نوری گزینه مناسبی برای اندازه‌گیری فلوی گاز در فلِر است.
همچنین از این فلومتر برای اندازه‌گیری میزان آلایندگی گازها نیز استفاده می‌شود. شکل ۱۶ یک نمونه فلومتر نوری شامل پروب، کابل ارتباطی و بخش الکترونیکی آن را نشان می‌دهد.
بیشتر بخوانید:
برای مطالعه بیشتر در موردسنسور ها پیشنهاد می‌شود مقاله سنسور چیست را مطالعه نمایید
نصب فلومتر نوری آسان است و نیاز به سرویس و نگهداری چندانی ندارد. این فلومتر هیچ مانعی در مسیر سیّال ایجاد نمی‌کند.
4. فلومتر توده (جِرم) حرارتی (Thermal Mass Flowmeter)
فلومتر توده حرارتی از ترکیب المنت و سنسور حرارتی، برای اندازه‌گیری اختلاف دمای ایستا و دمای جاری‌شده در سیّال استفاده می‌کند. این فلومتر با استفاده از این اختلاف دما و آگاهی از «گرمای ویژه» سیّال، مقدار فلو را به دست می‌آورد.
گرمای ویژه از مشخصه‌های ترمودینامیک مواد است که از تقسیم ظرفیت حرارتیِ ماده بر جرم آن به‌دست می‌آید. اگر چگالی و گرمای ویژه سیّال ثابت باشد، فلومتر توده حرارتی می‌تواند در رنج اندازه‌گیری خود با دقت خوبی مقدار فلو را اندازه بگیرد. شکل ۱۷ نحوه کار فلومتر توده حرارتی را نمایش می‌دهد.
بیشتر بخوانید:
برای مطالعه بیشتر در مورد اینکه المنت چیست و چگونه انتخاب می‌شود روی لینک کلیک کنید
فلومتر توده حرارتی دقت بالایی دارد و برای اندازه‌گیری بیشتر گازها از جمله هوا، هلیوم، آرگون، اکسیژن و گاز طبیعی مناسب است؛ با این شرط که گاز تمیز و بدون ذرات معلق بوده و خاصیت خورندگی شیمیایی یا رطوبتی نداشته باشد. در غیر این صورت فلومتر باید از آلیاژ ویژه‌ای ساخته شود.
با استفاده از تکنولوژی ریزپردازنده‌ها، می‌توان این فلومتر را در ابعاد بسیار کوچک برای اندازه‌گیری فلو در حد نانو‌لیتر (یا میکرو‌لیتر) در دقیقه طراحی کرد. تصویر یک نمونه فلومتر توده حرارتی (Thermal Mass Flowmeter) را در شکل ۱۸ مشاهده می‌کنید.
5. فلومتر گردابی (Vortex Flowmeter)
در فلومتر گردابی یک تیغه (Shredder) در مسیر سیّال قرار می‌گیرد و امواج گردابی (Vortices) در سیّال ایجاد می‌کند. امواج به‌صورت پی‌درپی از دو سمت تیغه عبور می‌کنند. به این توالی گردابی «اثر گردابی وُن کارمن» گفته می‌شود.
وُن کارمن دانشمندی بود که رابطه ریاضی این پدیده گردابی را کشف کرد. فرکانس این گرداب‌ها با سرعت فلوی سیّال متناسب است و با اندازه‌گیری این فرکانس می‌توان مقدار فلو را محاسبه کرد. برای محاسبه فرکانس، معمولاً از دو روش استفاده می‌شود.
- استفاده از کریستال‌های پیزوالکتریک: این کریستال‌ها با عبور هر گرداب یک پالس الکتریکی تولید می‌کنند. این روش در سنسورهای گردابی متداول‌تر است.
- استفاده از سنسور فشار: در این روش عبور هر گرداب با تغییر فشاری که در سیّال ایجاد می‌کند، تشخیص داده می شود.
شکل ۱۹ روش عملکرد فلومتر گردابی مجهز به ترنسمیتر پیزوالکتریک را نشان می‌دهد.
بیشتر بدانیم
برخی مواد سرامیکی یا کریستالی هستند در اثر اعمال محرک‌های مکانیکی مانند فشار، ضربه یا شتاب، ولتاژ الکتریکی متغیر تولید می‌کنند. به این ویژگی، اثر پیزوالکتریک (Piezoelectric) گفته می‌شود. قطعات پیزوالکتریک در ساخت بسیاری از سنسورها مانند سنسورهای فشار، فلو و لمسی (Tactile) به کار می‌روند.
در فلومتر گردابی، افزایش ویسکوزیته باعث کاهش کیفیت اندازه‌گیری می‌شود. این فلومتر برای اندازه‌گیری گازها و بخار دقت بسیار مطلوبی دارد و برای مایعات با ویسکوزیته پایین نیز مناسب است.
فلومتر گردابی مقادیر فلوی بسیار پایین را تشخیص نمی‌دهد و برای کاربردهایی مانند بَچینگ (اندازه‌گیری فلوی چند ماده که با هم ترکیب شدهاند) این فلومتر گزینه مناسبی نیست. شکل ۲۰ نمای دو نمونه فلومتر گردابی را نشان می‌دهد.
6. فلومتر التراسونیک (Ultrasonic Flowmeter)
فلومتر التراسونیک فلومتری است که با استفاده از امواج فراصوت (Ultrasonic) مقدار فلو را اندازه‌گیری می‌کند. فلومتر التراسونیک با دو مکانیزم انتقال زمان (Transit Time) یا اثر داپلر (ِDoppler Effect) کار می‌کند که در هر دو روش، اندازه فلو بدون تماس با سیّال و از سطح بیرونی لوله اندازه‌گیری می‌شود.
- روش زمان انتقال (Transit Time)
در روش مبتنی بر زمان انتقال، دو پالس التراسونیک یکی هم‌جهت و دیگری خلاف‌جهت سیّال ارسال می‌شوند. اندازه فلو از طریق محاسبه اختلاف زمان انتقال پالس در این دو حالت محاسبه می‌شود.
در شکل ۲۱ روش اندازه‌گیری از طریق زمان انتقال در فلومتر التراسونیک را می‌بینید. از اختلاف زمان‌های بین t1 و t2 در شکل ۲۱ برای محاسبه فلوی سیّال استفاده می‌شود.
- روش اثر داپلر (ِDoppler Effect)
در فلومترهای التراسونیکی که با اثر داپلر کار می‌کنند، اندازه فلو بر اساس تغییر فرکانس ناشی از پژواک امواج التراسونیک در مسیر سیّال محاسبه می‌شود.
در فرایند پژواکِ موج التراسونیک، فرکانس موج تحت تأثیر ذرات درون سیّال قرار می‌گیرد و با استفاده از این تغییر فرکانسی، می‌توان مقدار فلو را محاسبه کرد. شکل ۲۲ نحوه استفاده از اثر داپلر در فلومتر التراسونیک را نشان می‌دهد.
عملکرد فلومتر التراسونیک ممکن است تحت تأثیر امواج صوتی، دما، چگالی و ویسکوزیته سیّال قرار بگیرد. قیمت این فلومتر بسیار بالاست، اما هزینه سرویس و نگهداری آن کم است؛ زیرا هیچ بخش متحرکی ندارد و با سیّال هم تماسی برقرار نمی‌کند. در شکل ۲۳ نمای ظاهری چند نوع فلومتر التراسونیک را مشاهده می‌کنید.
7. فلومتر الکترومغناطیسی (Electromagnetic Flowmeter)
فلومترهای الکترومغناطیسی برای اندازه‌گیری فلوی مایعاتی که رسانایی الکتریکی مناسبی دارند، مانند آب ناخالص (پساب) به کار می‌روند. این فلومتر برای فلوی مایعات هیدروکربنی (مشتقات نفتی) و آب خالص مناسب نیست.
فلومتر الکترومغناطیسی بر مبنای «قانون القای الکترومغناطیسی فارادِی» کار می‌کند. طبق این قانون، وقتی یک هسته رسانا از یک میدان مغناطیسی می‌گذرد، ولتاژی تولید می‌شود که با سرعت هسته، قطر آن و چگالی میدان مغناطیسی رابطه مستقیم دارد.
در فلومتر الکترومغناطیسی جریانی به دو کویل (سیم‌پیچ) که در سوی سطح خارجی فلومتر نصب شده اعمال می‌شود تا میدان مغناطیسی ایجاد شود. سیّال عبوری از فلومتر، مانند هسته رسانا عمل کرده و ولتاژی را متناسب با میانگین فلو تولید می‌کند.
این ولتاژ توسط دو الکترود که درون بدنه فلومتر نصب شده دریافت و برای محاسبه مقدار فلو به ترنسمیتر فرستاده می‌شوند. شکل ۲۴ نحوه کار فلومتر الکترومغناطیسی را نشان می‌دهد.
فلومتر الکترومغناطیسی قیمت بالایی دارد و به این دلیل که هیچ بخش مکانیکی ندارد، نیازمند سرویس و نگهداری چندانی نیست. برای اطمینان از عملکرد صحیح فلومتر، الکترودها باید در حالت کاملاً افقی نصب شده باشند.
تغذیه الکتریکی کویل‌ها بسته به نوع طراحی فلومتر می‌تواند پالس DC یا ولتاژ AC باشد. شکل ۲۵ نمای ظاهری یک فلومتر الکترومغناطیسی را نشان می‌دهد.
انسداد لوله توسط فلومتر الکترومغناطیسی بسیار اندک است و افت فشار یا مانعی ایجاد نمی‌کند. این فلومتر تحت تأثیر تغییرات دما، ویسکوزیته، فشار یا چگالی سیّال نیز قرار نمی‌گیرد و نسبت به خوردگی و فرسایش بسیار مقاوم است.
فلومتر الکترومغناطیسی در صنایعی که سیّال‌ها از نوع مواد شیمیایی هستند، بسیار کاربرد دارد. از ویژگی‌های این فلومتر، توانایی اندازه‌گیری مقادیر بسیار کم فلو است.
برندهای معروف فلومتر
شرکت‌های بسیاری در سراسر جهان در زمینه تولید انواع فلومتر فعال هستند. برخی از این شرکت‌ها به جز فلومتر، تجهیزات دیگر اتوماسیون صنعتی و ابزاردقیق را نیز تولید می‌کنند. در این بخش شماری از برندهای معتبر سازنده فلومتر را معرفی می‌کنیم.
1. برند زیمنس (Siemens)
شرکت زیمنس یکی از معتبرترین شرکت‌های تولیدکننده تجهیزات اتوماسیون و برق در جهان است. این شرکت آلمانی طیف گسترده‌ای از انواع فلومتر را تولید می‌کند. فلومترهای ساخت زیمنس شامل انواع زیر است.
- فلومتر الکترومغناطیسی (Electromagnetic Flowmeter)
- فلومتر التراسونیک (Ultrasonic Flowmeter)
- فلومتر گردابی یا وُرتِکس (Vortex Flowmeter)
- فلومترهای مبتنی بر اختلاف فشار (Differential-pressure Flowmeters)، مانند اوریفیس، ونتوری و پیتوت
- فلومتر کانال باز (Open-channel Flowmeter)
- فلومتر جرمی (Coriolis Flowmeter)
فلومترهای شرکت زیمنس از کیفیت بالایی برخوردارند و در صنایع نفت، گاز و پتروشیمی بسیار پرکاربرد هستند.
دوره زیمنس یکی از دوره های کاربردی آکادمی ماهر است که در این دوره، دانش و مهارت مقدماتی لازم برای یادگیری کار با PLCهای شرکت زیمنس را به دست می‌آورید. برای شرکت در این دوره کلیک کنید.
2. برند روزمونت (Rosemount)
شرکت روزمونت یکی از شرکت‌های خوشنام در زمینه تولید تجهیزات ابزاردقیق است که زیرمجموعه شرکت آمریکایی امرسون (Emerson) به شمار می‌رود. این شرکت مدل‌های مختلفی از فلومتر را با قابلیت‌های متفاوت برای انواع کاربردهای صنعتی تولید می‌کند.
از ویژگی‌های فلومتر روزمونت می‌توان به طراحی بدون واشر برای ایمنی بهتر و قابلیت استفاده در فشارهای بسیار بالا اشاره کرد. از انواع مختلف فلومترهای روزمونت موارد زیر را می‌توان برشمرد.
- فلومتر الکترومغناطیسی (Electromagnetic Flowmeter)
- فلومتر التراسونیک (Ultrasonic Flowmeter)
- فلومتر گردابی یا وُرتِکس (Vortex Flowmeter)
- فلومترهای مبتنی بر اختلاف فشار (Differential-pressure Flowmeters)، مانند اوریفیس، ونتوری و پیتوت
- فلومتر جرمی (Coriolis Flowmeter)
- فلومتر چندفازی (Multiphase Flowmeter)
فلومتر چندفازی از محصولات خاص روزمونت است که برندهای معدودی آن را تولید می‌کنند. این فلومتر برای تشخیص فلوی یک فاز خاص در سیّال‌هایی که مرکّب از چند فاز (مایع، گاز و جامد) هستند، به کار می‌رود.
برای مثال، در صنایع نفت و گاز، وقتی سیّال، ترکیبی از نفت و گاز و آب است، برای اندازه‌گیری فلوی یکی از این سه فاز می‌توان از فلومتر چندفازی استفاده کرد. در شکل ۲۶ یک نمونه فلومتر چندفازی را می‌بینید.
3. برند اِندرِس هاوزِر (Endress Hauser)
فلومتر اندرس هاوزر یکی از برندهای باکیفیت است که برای سیّالاتی که خورندگی شیمیایی دارند و سیّالات گازی انتخاب بسیار مناسبی به شمار می‌رود. از ایمنی و قابلیت اطمینان بالا به‌عنوان اصلی‌ترین ویژگی‌های این برند یاد می‌شود. فلومترهای شرکت اندرس هاوزر در انواع زیر تولید و به بازار عرضه می‌شوند.
- فلومتر الکترومغناطیسی (Electromagnetic Flowmeter)
- فلومتر التراسونیک (Ultrasonic Flowmeter)
- فلومتر گردابی یا وُرتِکس (Vortex Flowmeter)
- فلومترهای مبتنی بر اختلاف فشار (Differential-pressure Flowmeters)، مانند اوریفیس، ونتوری و پیتوت
- فلومتر جرمی (Coriolis Flowmeter)
- فلومتر توده حرارتی (Thermal Mass Flowmeter)
4. برند کرونه (Krohne)
برند آلمانی کرونه ارائه‌دهنده تجهیزات اندازه‌گیری و کنترل سطح، فشار، دما و فلو است. این برند در بازار ایران بسیار محبوب و پرمصرف است و در بیشتر صنایع مادر مانند نفت، گاز، پتروشیمی، فولاد و پلنت‌های نیروگاهی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
- فلومتر الکترومغناطیسی (Electromagnetic Flowmeter)
- فلومتر التراسونیک (Ultrasonic Flowmeter)
- فلومتر گردابی یا وُرتِکس (Vortex Flowmeter)
- فلومترهای مبتنی بر اختلاف فشار (Differential-pressure Flowmeters)، مانند اوریفیس، ونتوری و پیتوت
- فلومتر جرمی (Coriolis Flowmeter)
- فلومتر ناحیه متغیر (Variable Area Flowmeter)
فلومتر ناحیه متغیر از محصولات کاربردی کرونه است که فلوی سیالات را بر مبنای فشار ناشی از عبور سیّال بر یک شناور یا پیستون اندازه‌گیری می‌کند. از این فلومتر در اندازه‌گیری مایعات، گازها و بخار می‌توان استفاده کرد. شکل ۲۷ یک فلومتر ناحیه متغیر را نشان می‌دهد.
به جز برندهایی که برای فلومتر نام برده شد، برندهای مشهور دیگری مانند ABB، فلوترونیک (Flowtronic)، پریسماتک (Prismatech)، مَدِکو (Madeco) و یوکوگاوا (Yokogawa) نیز در بازار ایران اعتبار خوبی دارند.
قیمت فلومتر
عوامل متعددی در قیمت یک فلومتر تأثیرگذار است از جمله آن‌ها می‌توان موارد زیر را نام برد:
- شرکت سازنده
- مکانیزم عملکرد
- جنس قطعات
- خواص فیزیکی و شیمیایی سیّال
- امکانات جانبی فلومتر (قابلیت اتصال به شبکه، صفحه نمایشگر دیجیتال و …)
با توجه به تنوع بسیار گسترده فلومتر در بازار، می‌توان به‌طور کلی گفت فلومتر‌هایی که مکانیزم پیچیده‌تر و دقیق‌تری در آن‌ها به کار رفته، مانند فلومترهای الکترومغناطیسی، التراسونیک، نوری و جرمی (کوریولیس) قیمت بیشتری دارند. در مقابل، استفاده از انواعی مانند فلومترهای مبتنی بر اختلاف فشار، فلومتر گردابی و فلومتر توربینی هزینه کمتری به همراه دارد.
در کنار مکانیزم عملکرد فلومتر، اعتبار و قابلیت اطمینان برندهای مختلف نیز در قیمت فلومتر مؤثر است. برندهایی مانند زیمنس، ABB، روزمونت و اندرس هاوزر نسبت به بیشتر برندهای موجود، به‌ویژه برندهای آسیایی از قیمت و البته کیفیت بالاتری برخوردارند. بنابراین، باید هنگام خرید فلومتر، حساسیت پروسه‌ای که فلومتر در آن به کار گرفته می‌شود در نظر گرفته شود.
جمع‌بندی
با توجه به اهمیت سیّالات در صنایع مهم مانند نفت، گاز و پتروشیمی، آشنایی با تجهیزات مرتبط با کنترل و اندازه‌گیری فلوی مواد سیّال برای فعالان این گونه صنایع بسیار کاربردی و لازم است.
در این مقاله ضمن معرفی انواع رایج فلومتر، نحوه عملکرد و کاربرد آن‌ها در صنعت را بررسی کردیم. هرچند روش‌های اندازه‌گیری فلو بسیار متنوع و پرشمار است، در اینجا تلاش کردیم تا به روش‌هایی که در صنعت پرکاربردتر هستند، اشاره کنیم.
سوالات متداول
فلومتر‌هایی که از طریق محاسبه اختلاف فشار، فلو را اندازه‌گیری می‌کنند در صنعت رایج‌تر هستند. مانند فلومتر اوریفیس یا ونتوری.
دما، فشار، جاذبه، فلوی بیش از حد و فرسودگی بخش‌های مکانیکی فلومتر، از عوامل کاهش دقت آن هستند.
عوامل مؤثر در فلوی سیّال، دما، فشار، چگالی و ویسکوزیته سیّال و همچنین قطر، طول و جنس لوله هستند.
روش انتقال زمان دقت بیشتری دارد. ضمن اینکه در روش داپلر باید سیّال حاوی ۵ تا ۱۰ درصد ذرات معلق جامد باشد تا سنسور بتواند فلو را اندازه بگیرد.
منابع
www.omega.com/positive-displacement-flow-meter
koboldusa.com
instrumentationtools.com/turbine-flow-meter
mnt-sas.com
automationforum.co
instrumentationtools.com/venturi-flow-meter
instrumentationtools.com/orifice-plates
instrumentationtools.com/averaging-pitot-tube
ace95.com
instrumentationtools.com/optical-flow-meter/
forumautomation.com
www.omega.com/vortex-flow-meter
www.pctflow.com
flowmeterhire.com
instrumentationtools.com/electromagnetic-flow-meters
www.emerson.com
www.siemens.com
