فلومتر چیست و انواع آن

فلومتر چیست؟ و انواع آن
اندازه گیری سرعت هوا و جریان آب از دیرباز مورد توجه انسان بوده است. دانستن جهت و سرعت باد برای جهت یابی و اندازه گیری جریان آب به منظور تقسیم عادلانه آن در جوامع باستانی، از اولین تلاش ها برای سنجش دبی سیالات به حساب می آید. امروزه نیز اندازه گیری دبی سیالات در محیط های صنعتی از اهمیت بالایی برخوردار است. از دلایل آن می توان به ایمنی، کنترل فرآیند، کیفیت محصول، راندمان تولید و مدیریت هزینه ها اشاره کرد. به تجهیزاتی که برای اندازه گیری نرخ دبی مایعات و گازها مورد استفاده قرار می گیرند، فلومتر یا دبی سنج گفته می شود. در این مقاله، ملاحظات مربوط به انتخاب فلومتر و همچنین انواع فلومترهای پرمصرف در صنعت، شرح داده خواهند شد.

اولین گام در اندازه گیری صحیح دبی، توجه به شرایط فرآیند و محیط پیرامون است. موارد مختلفی مانند ساختار فیزیکی و شیمیایی سیال، جهت صحیح نصب، تغییرات آب و هوایی، جنس لوله ها، میزان خورندگی سیال و مهمتر از همه، نوع کاربری تجهیز، باید مورد توجه قرار گیرند. این موارد در ادامه به طور خلاصه بررسی می شوند.

مشخصات سیال
تمام مشخصات مربوط به سیال، شامل ماهیت شیمیایی، فشار، دما، افت فشار مجاز، چگالی (یا وزن مخصوص)، هدایت الکتریکی، ویسکوزیته (نیوتنی یا غیر نیوتنی بودن سیال) و فشار بخار در حداکثر دمای کاری و همچنین چگونگی تغییر این مشخصات در شرایط مختلف باید مد نظر قرار گیرند. ملاحظات ایمنی یا سمی بودن مواد، احتمال تشکیل حباب، امکان وجود ذرات جامد معلق و درجه خورندگی سیال، از مهم ترین مواردی هستند که باید به آنها توجه کرد.
دامنه تغییرات فشار و دما
در هنگام انتخاب فلومتر، حتماْ باید دامنه تغییرات فشار و دما مشخص شود. فشار و دمای سیال در شرایط کاری عادی را باید لحاظ کرد. پر بودن یا خالی ماندن لوله از سیال در زمان های مختلف، امکان تغییر ناگهانی دما و فشار و الگوی تغییرات آنها را باید مورد بررسی قرار داد تا در هنگام تعمیرات، پیشگیری های لازم از وقوع خطرات احتمالی انجام شود.
لوله کشی و محل نصب
در لوله کشی و محل نصب فلومتر، موارد زیادی را باید در نظر گرفت. جهت صحیح نصب فلومتر (برای جلوگیری از حرکت ثقلی مایعات در عبور از فلومتر)، اندازه قطر لوله ها، جنس لوله ها، سازگاری استانداردهای ساخت لوله ها با استانداردهای فلومتر، میزان تحمل فشار در فلنج ها، قابلیت دسترسی محل نصب فلومتر (برای تعمیرات احتمالی)، فاصله تا محل نصب شیرهای کنترلی، بررسی احتمال بروز ارتعاشات مکانیکی یا تشکیل میدان مغناطیسی در نزدیکی فلومتر و همچنین طبقه بندی محل نصب تجهیز از نظر امکان بروز انفجار، از مهمترین ملاحظاتی هستند که باید در مرحله لوله کشی در نظر گرفته شوند. اهمیت قابلیت دسترسی محل نصب تجهیز در تصویر زیر گویاست.
دامنه اندازه گیری و دقت دستگاه
گام بعدی در انتخاب فلومتر مناسب، تعیین دامنه مورد نیاز برای اندازه گیری است. بدین منظور باید حداقل و حداکثر میزان جریان (چه به صورت حجمی و چه به صورت جرمی) را شناخت. مرحله بعدی انتخاب دقت مورد نظر است. معمولاْ دقت فلومتر برحسب درصدی از مقدار اندازه گیری یا درصدی از دامنه تنظیم شده برای تجهیز، تعریف می شود. نیازمندی های مربوط به دقت، باید برای سه مقدار حداقل، کاری و حداکثر دبی تعریف شوند. در غیر این صورت، از اعتبار مقدار اندازه گیری شده توسط فلومتر کاسته خواهد شد. در کاربردهایی که با خرید و فروش محصول و وزن دقیق آن سر و کار دارند، دقت مطلق، اهمیت دارد. در حالی که در برخی کاربردهای دیگر ممکن است تکرارپذیری عاملی تعیین کننده باشد. به هر حال بهتر است به هر دو مشخصه توجه شود.

واحد اندازه گیری دبی
یکی دیگر از موارد مهم در انتخاب فلومتر مناسب، واحد اندازه گیری آن است. شاید در نگاه اول تصور شود اندازه گیری جرمی (مانند کیلوگرم بر ساعت) یا حجمی (مانند لیتر بر ساعت) دبی تفاوت چندانی ندارد و می توان با داشتن چگالی سیال، یکی را به دیگری تبدیل کرد. اما در فرآیندهای صنعتی واقعی، تراکم پذیری سیال و تغییرات دما، عواملی هستند که چگالی (یا در برخی موارد، ویسکوزیته) سیال را تغییر می دهند و تبدیل دبی حجمی به دبی جرمی را با پیچیدگی مواجه می کنند. علاوه بر این، در اندازه گیری دبی حجمی، تشکیل حباب، خطای زیادی ایجاد می کند. بنابراین در چنین مواردی پیش از انجام هرگونه اندازه گیری، هوا و گاز همراه مایع باید جداسازی شود. در غیر این صورت، اندازه گیری حجمی، خطای زیادی به همراه خواهد داشت. در نتیجه، انتخاب اشتباه در این مرحله ممکن است منجر به اتلاف هزینه شود و فلومتر خریداری شده را به یک تجهیز بی مصرف تبدیل کند.

انواع فلومتر
پس از مطالعه دقیق شرایط فرآیند و در نظر گرفتن تمام عوامل محیطی، نوبت به انتخاب نوع فلومتر براساس منطق و شیوه اندازه گیری می رسد. دنیای مهندسی، گزینه های متنوعی برای انتخاب فلومتر مناسب ارائه می دهد که با توجه به اطلاعات مربوط به فرآیند و محیط و همچنین با در نظر گرفتن هزینه ای که برای اندازه گیری دبی در نظر گرفته شده است، باید بهینه ترین گزینه را انتخاب کرد. در این بخش، ملاحظات و مفاهیم اصلی مربوط به عملکرد و کاربرد پرمصرف ترین انواع فلومتر در صنعت بررسی می شود.

فلومتر الکترومغناطیسی
این نوع فلومتر برای مایعات دارای خاصیت هدایت الکتریکی مناسب است. به عنوان نمونه می توان به مایعاتی مانند آب (آشامیدنی و فاضلاب)، اسیدها، مواد قلیایی و دوغاب اشاره کرد. بیشترین کاربرد این نوع فلومتر در بخش های مدیریت آب و صنایع غذایی است. همچنین در صنایع معدنی که نیاز به اندازه گیری دبی دوغاب خورنده و مخلوط شن و آب وجود دارد، تنها گزینه در دسترس، فلومتر الکترومغناطیسی است. در شکل زیر نمونه ای از این فلومتر مشاهده می شود.

انواع فلومتر
روش اندازه گیری این تجهیز بر مبنای قانون القای فارادی است. مطابق این قانون، هرگاه میله ای فلزی در داخل میدان مغناطیسی حرکت کند، ولتاژ الکتریکی القا می شود. مانند شکل زیر، عبور ذرات باردار سیال، از درون میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط سیم پیچ داخل این فلومتر، ولتاژ الکتریکی القا می کند. شدت این ولتاژ به طور مستقیم با سرعت جریان سیال متناسب است و برای اندازه گیری دبی حجمی سیال به کار می رود. در مواردی که چگالی مایع در طول فرآیند ثابت است (مانند آب)، می توان به راحتی، دبی حجمی را به دبی جرمی تبدیل کرد.

فلومتر اولتراسونیک
استفاده از امواج اولتراسونیک، اندازه گیری دبی حجمی طیف وسیعی از گازها و مایعات را امکان پذیر می سازد. در این فلومترها مواردی مانند هدایت الکتریکی، فشار، دما و ویسکوزیته اهمیت ندارند. ولی در عوض دقت اندازه گیری هم کمتر است. در شکل زیر دو نمونه فلومتر اولتراسونیک مشاهده می شود. در نمونه سمت چپ سنسورها از بیرون لوله نصب شده و برای اندازه گیری دبی سیالات خورنده مناسب است. نمونه سمت راست در داخل لوله قرار می گیرد و دقت آن هم بیشتر است.

انواع فلومتر
در هر دو نوع این تجهیز، از دو سنسور استفاده می شود که در کنار یکدیگر نصب شده اند. هر دو سنسور می توانند به صورت متناوب به عنوان فرستنده و گیرنده عمل کنند. مدت زمانی که طول می کشد موج اولتراسونیک از فرستنده به گیرنده برسد، معیاری از دبی سیال داخل لوله است. به همین دلیل، این فلومتر محدود به قطر منحصر به فردی از لوله نیست و می توان از آن در اندازه های مختلف استفاده کرد. در اینجا هم مانند روش قبلی، هیچ گونه قطعه متحرکی در ساختار تجهیز استفاده نشده است. همین موضوع موجب می شود نیاز به تعمیرات به حداقل برسد. شماتیک عملکرد امواج اولتراسونیک در شکل زیر مشاهده می شود.
فلومتر فشار تفاضلی
اندازه گیری دبی سیال با استفاده از محاسبه افت فشار ایجاد شده در مقطع لوله، از پرکاربردترین روش های صنعتی به حساب می آید. نمونه ای از فلومتر فشار تفاضلی در شکل زیر مشاهده می شود. مبنای کار این تجهیز محاسبه فشار است. در نتیجه برای اندازه گیری دبی از ترانسمیترهای فشار استفاده می شود. از این نوع فلومتر می توان برای اندازه گیری دبی طیف گسترده ای از مایعات، گازها و بخار استفاده کرد. همچنین توجه به این نکته ضروری است که در اعداد رینولدز کوچک و هنگامی که افت فشار بسیار ناچیز باشد، این تجهیزات دقت مناسبی نخواهند داشت. در حال حاضر این نوع فلومتر، در حدود یک پنجم از بازار جهانی را به خود اختصاص داده است.
اولین بار در قرن هجدهم میلادی، برنولی توانست ارتباطی بین فشار استاتیک و فشار دینامیک پیدا کند. هنگامی که یک عامل محدودکننده در مسیر سیال قرار بگیرد، افت فشار اتفاق می افتد و با بیشتر شدن دبی، میزان افت فشار نیز افزایش می یابد. با توجه به شرایط فرآیند، می توان از صفحه اوریفیس یا لوله ونتوری به عنوان عامل محدودکننده استفاده کرد. طبق معادله برنولی، اختلاف فشار در بالادست و پایین دست این عامل محدودکننده، با توان دوم دبی متناسب است. عملکرد این تجهیز در شکل زیر به صورت شماتیک نشان داده شده است.

فلومتر کوریولیس
استفاده از شتاب کوریولیس در اندازه گیری دبی سیال، موضوعی بود که اولین بار در دهه ۱۹۷۰ به ذهن مهندسان رسید. فلومتر کوریولیس قادر است دبی تقریباً تمام سیالات را، از نفت خام و پاک کننده های شیمیایی گرفته تا روغن های گیاهی و سس کچاپ، اندازه گیری کند. قابلیت اندازه گیری همزمان چگالی و دبی جرمی، دریچه جدیدی را در کنترل فرآیندهای صنعتی گشوده است. نمونه ای از فلومترهای کوریولیس در تصویر زیر مشاهده می شود. قیمت بالای این تجهیزات، شاید در نگاه اول ناامیدکننده به نظر برسد. ولی کارایی و دقت بالای این محصول، در آینده ای نزدیک موجب پیشی گرفتن آن از سایر رقیبان خواهد شد.
هر فلومتر کوریولیس مطابق شکل زیر، دارای دو لوله اندازه گیری است که توسط یک تحریک کننده، به نوسان درمی آیند. با عبور جریان از داخل لوله اندازه گیری، به دلیل وجود اینرسی، حرکت پیچشی هم به نوسان اولیه اضافه می شود. دو سنسور به کار رفته در این سیستم، تغییر نوسان را به عنوان اختلاف فاز ثبت می کنند. این اختلاف فاز، نسبت مستقیمی با دبی جرمی سیال دارد. علاوه بر آن، با استفاده از فرکانسی که لوله اندازه گیری نوسان می کند، می توان چگالی سیال را به دست آورد. یکی از تفاوت های اصلی این مدل با مدل های پیشین، اندازه گیری مستقیم دبی جرمی است که فلومتر کوریولیس را در کاربردهایی با چگالی و دمای متغیر، منحصر به فرد می سازد.
فلومتر ورتکس
مبنای عملکرد این فلومترها، فرضیه ایست که اولین بار توسط «تئودور فون کارمان» (Theodore Von Karman)، ریاضی دان مجارستانی مطرح شد. طبق این فرضیه، هنگامی که مانعی سر راه جریان قرار گیرد، به صورت متناوب، گردابه هایی تشکیل می شوند. فرکانس تشکیل این گردابه ها، ارتباط مستقیمی با اندازه و شکل آن مانع دارد. نمونه ای از فلومتر ورتکس در شکل زیر مشاهده می شود. این تجهیز در بسیاری از شاخه های صنعتی برای اندازه گیری دبی حجمی مایعات، گازها و بخار به کار می رود.
مطابق شکلی که در پایین مشاهده می شود، درون فلومتر ورتکس، مانعی در مرکز لوله قرار داده شده است. به محض اینکه سرعت سیال از یک مقدار حداقل بیشتر شود، گردابه ها در پایین دست مانع تشکیل می شوند. پس از جدا شدن گردابه ها، فشار روی سطح مانع، بین مقادیر مثبت و منفی نوسان می کند. برای تشخیص این نوسان، از سنسورهای خازنی یا پیزوالکتریک استفاده می شود. این سنسورها بعد از تشخیص هر نوسانی که در فشار رخ دهد، یک سیگنال خروجی ارسال می کنند که فرکانس این سیگنال با فرکانس تشکیل گردابه یکسان است. با استفاده از این سیگنال خروجی، دبی سیال قابل محاسبه خواهد بود.

فلومتر حرارتی
نوع دیگری از فلومترها که دبی جرمی را اندازه گیری می کند، فلومتر حرارتی است. این تجهیز بیشتر به منظور پایش و کنترل مصرف گازهایی مانند هوای فشرده، کربن دی اکسید و گاز طبیعی و همچنین تشخیص نشتی به کار می رود. نمونه ای از این فلومتر در شکل زیر نشان داده شده است. این دبی سنج، دامنه مصرف گسترده و دقت معقولی دارد ولی کاربرد آن با محدودیت هایی نیز روبروست. از جمله این محدودیت ها می توان به وجود رطوبت در گازهای اشباع اشاره کرد. وجود مخلوط دو فازی در این فلومتر موجب بروز خطا در اندازه گیری و خوردگی سنسور دما می شود.
مبنای عملکرد این فلومتر، انتقال حرارت از سیال عبوری و اندازه گیری آن با استفاده از روش سیم داغ است. دو سنسور دما در این فلومتر تعبیه شده است. یکی از آنها دمای سیال را به عنوان دمای مرجع اندازه گیری می کند. سنسور دوم گرم شده و اختلاف دمای ثابتی با سنسور اول دارد. با عبور سیال از داخل لوله اندازه گیری، سنسور دوم مقداری از حرارت خود را از دست می دهد و خنک می شود. در این حالت، جریان الکتریکی مورد نیاز برای حفظ اختلاف دمای دو سنسور، معیاری دقیق از دبی جرمی است. این فلومترها زمان عکس العمل کوتاهی دارند و دقت آنها حتی در دامنه های اندازه گیری پایین نیز کاهش نمی یابد.