مقدمه:
فلومتر یا دبیسنج، ابزاری حیاتی در صنایع فرآیندی، گازرسانی، غذایی، شیمیایی و نفت و گاز است که برای اندازهگیری دبی جریان سیالات (گازها یا مایعات) به کار میرود. بسته به نوع سیال، فشار، دما، شرایط کاری و نیاز به دقت، مدلهای متنوعی از فلومترها طراحی و استفاده میشوند. در این مقاله انواع فلومتر و نحوه عملکرد آنها به طور کامل بررسی شدهاند تا بتوانید بهترین گزینه را برای سیستم خود انتخاب کنید.
[ez-toc]
خلاصه:
1. تعریف فلومتر و اهمیت آن
فلومتر دستگاهی برای اندازهگیری دبی حجمی یا دبی جرمی سیالات است. بسته به نوع سیال (مایع یا گاز)، ویسکوزیته، شرایط دما و فشار، باید فلومتر مناسب انتخاب شود. انتخاب صحیح فلومتر باعث افزایش دقت فرآیند، صرفهجویی انرژی، کاهش خرابی تجهیزات و بهبود عملکرد صنعتی خواهد شد.
2. فلومتر توربینی
فلومترهای توربینی از طریق چرخش یک روتور داخلی متناسب با سرعت جریان، دبی را اندازهگیری میکنند. دقت بالا، هزینه پایین و مناسب برای سیالات تمیز و سرعت بالا از مزایای آن است. اما وجود قطعات متحرک آن را در برابر سایش حساس میکند.
3. فلومتر اختلاف فشار (DP)
در این نوع فلومتر از یک صفحه محدودکننده (مثل اوریفیس یا ونتوری) برای ایجاد اختلاف فشار در جریان استفاده میشود. از روی این اختلاف فشار، میزان دبی جریان محاسبه میشود. قیمت مناسب و کارایی بالا از ویژگیهای این نوع فلومتر است.
4. فلومتر مغناطیسی
فلومتر مغناطیسی یا الکترومغناطیسی بر اساس قانون فارادی عمل میکند و برای مایعات رسانا مناسب است. دقت بالا، نداشتن قطعات متحرک و افت فشار بسیار کم از مزایای آن است، اما برای گازها و مایعات غیررسانا قابل استفاده نیست.
5. فلومتر کوریولیس (Coriolis)
یکی از دقیقترین فلومترهای دنیا که برای اندازهگیری جریان جرمی استفاده میشود. به علت عدم وابستگی به دمای جریان، چگالی، ویسکوزیته و پروفایل جریان، بسیار مورد توجه در صنایع حساس مانند مواد غذایی، شیمیایی و دارویی است.
6. فلومتر التراسونیک
با استفاده از امواج صوتی و روش Time of Flight دبی حجمی را بدون تماس فیزیکی با سیال اندازهگیری میکند. برای اندازهگیری گازها و مایعات تمیز در لولههای با قطر بالا مناسب بوده و دارای افت فشار ناچیز است.
7. فلومتر ورتکس (گردابی)
با قرار دادن مانع در مسیر سیال و ایجاد گرداب، دبی را اندازهگیری میکند. قابلیت اندازهگیری برای گاز، بخار و مایعات دارد. اما نیاز به شرایط خاص نصب و دقت کمتر در دبیهای پایین از معایب آن است.
8. فلومتر روتامتر
ساختاری ساده با یک لوله مخروطی و شناور داخلی. شناور با افزایش دبی بالا میرود و موقعیت آن، میزان جریان را نمایش میدهد. کاربرد بالا در صنایع عمومی با دبی متوسط و فشار پایین دارد.
9. فلومتر اوریفیس پلیت
یکی از قدیمیترین و ارزانترین روشها برای اندازهگیری دبی است. با قرار دادن یک صفحه سوراخدار در مسیر سیال، اختلاف فشار ایجاد میشود که برای محاسبه فلو به کار میرود.
10. فلومتر ونتوری
نوعی فلومتر DP است که از کاهش سطح مقطع در لوله و سپس بازیابی آن استفاده میکند. دقت بالا، افت فشار کم و مناسب برای سیالات کثیف از ویژگیهای آن است.
11. فلومتر جرمی حرارتی
با استفاده از گرما و حسگرهای دمایی، دبی جرمی گازها را اندازهگیری میکند. مناسب برای دبیهای کم و گازهای خاص. فاقد قطعات متحرک و نیاز به نگهداری پایین دارد.
12. فلومتر پیتوت
برای اندازهگیری سرعت لحظهای سیال در لوله یا کانال استفاده میشود. با اندازهگیری فشار استاتیک و فشار کل، میتوان فشار دینامیک را بهدست آورد و سرعت را محاسبه کرد.
13. فلومترهای جابجایی مثبت (PD)
این فلومترها جریان را در حجمهای مشخصی محاسبه میکنند و دارای دقت بسیار بالا برای مایعات غلیظ هستند. در صنایع غذایی، دارویی و انتقال دقیق مایعات کاربرد زیادی دارند.
14. فلو سوئیچ (Flow Switch)
دستگاهی برای کنترل جریان سیال است. در صورت افزایش یا کاهش جریان از حد مجاز، سیگنال هشدار به PLC یا سیستم کنترل ارسال میکند. انواع مختلفی مثل تیغهای، پیستونی، حرارتی و آلتراسونیک دارد.
برای بررسی بهتر انواع انواع فلومترها و تجهیزات اندازه گیری فلو ، باید بدانیم که به صورت کلی سیالات شامل دو بخش یا کلاس متفاوت گازها و مایعات هستند. هر کدام از این دو نوع سیال، دسته بندیها و کلاسهای متفاوتی دارند که جهت اندازه گیری فلو باید مورد توجه قرار بگیرند. مثلاً در مورد گازها یا سیالاتی که قابل اشتعال هستند و یا سیالاتی که تحت شرایط دمایی بسیار بالا یا بسیار پایین هستند باید ملاحظات ویژهای در نظر گرفته شود. در زمان انتخاب فلومتر باید اطمینان حاصل کرد که تجهیز انتخاب شده مناسب سیال و شرایط کاری موجود، باشد.
به عنوان مثال اسید ها و مایعاتی که در صنایع غذایی استفاده میشوند و آب مقطر و غیره سیالات خاص با ملاحظات ویژه هستند.
با توجه به انواع سیالات موجود و تکنولوژی های متفاوتی که برای اندازه گیری دبی این سیالات استفاده میشود. تجهیزات اندازهگیری فلو در قالب مدلهای زیر دستهبندی میشوند:
فلومتر توربینی
اولین دبیسنج توربینی توسط راینهارد وولتمن، مهندس آلمانی در سال 1790 اختراع شد. روتور متناسب با سرعت جریان می چرخد. توربینسنجها انواع زیادی دارند، اما بسیاری از آنهایی که برای جریان گاز استفاده میشوند، کنتورهای محوری نامیده میشوند.
دبیسنج توربین برای اندازهگیری جریان تمیز، ثابت و با سرعت بالای سیالات با گرانروی پایین بسیار مفید است. در مقایسه با سایر فلومترها، فلومتر توربینی دارای مزیت هزینه کم قابل توجهی نسبت به فلومترهای اولتراسونیک به خصوص در اندازههای خطوط بزرگتر است. همچنین در مقایسه با قیمت فلومترهایDP، دارای قیمت مطلوبی است، به خصوص در مواردی که یک توربینمتر میتواند جایگزین چندین دستگاه DPمتر شود.
عیب فلومترهای توربین این است که دارای قطعات متحرکی هستند که در معرض سایش هستند. برای جلوگیری از سایش و عدم دقت، از مواد بادوام از جمله بلبرینگهای سرامیکی استفاده میشود.
فلومتر اختلاف فشار(Differential Pressure Flow Meter)
فلومتر DP از یک فرستنده فشار تفاضلی و یک عنصر اولیه تشکیل شده است. عنصر اولیه یک انقباض در جریان ایجاد می کند، در حالی که فرستنده DP اختلاف فشار در بالادست و پایین دست انقباض را اندازه می گیرد.
فلومتر مغناطیسی
فلومتر الکترومغناطیسی یک دبی سنج حجمی است. موارد استفاده آن بیشتر در صنایع آب و فاضلاب میباشد. در واقع در شرایطی که افت فشار کم و هدایت مایع نیاز باشد، استفاده میگردد. این دستگاه هیچ قطعه متحرکی ندارد. این تجهیز از قانون القای فارادی کمک میگیرد و بر اساس آن اندازهگیری دبی را انجام میدهد. قانون فارادی میگوید اگر یک محیط رسانا از میدان مغناطیسی B عبور کند ولتاژی به اندازه E ایجاد میشود. این ولتاژ با سرعتی به اندازه V متناسب است. همچنین طول رسانا و چگالی میدان تاثیرگذار میباشد.
یکی از پرکاربردترین و قابل انعطاف ترین فلومترها موجود می باشد که با توجه به قانون الکترومغناطیسی فارادی که اساس عملکرد فلومترهای مغناطیسی میباشد؛ کار میکند. از این فلومترها برای سیالاتی استفاده می شوند که دارای هدایت الکتریکی هستند، لذا این تکنولوژی برای اندازهگیری فلوی هیدروکربنها و گازها قابل استفاده نمی باشد.
فلومتر جرم حجمی (Coriolis)
فلومترهای کوریولیس بیش از 30 سال است که وجود دارند و در صنایع فرآیندی مانند مواد شیمیایی و مواد غذایی و آشامیدنی استفاده میشوند. فناوری کوریولیس دقت و قابلیت اطمینان زیادی در اندازهگیری جریان مواد دارد و اغلب به عنوان یکی از بهترین فناوریهای اندازهگیری جریان به دلیل جریان مستقیم جرم، چگالی سیال، دما و نرخهای جریان حجمی محاسبهشده دقیق شناخته میشود. کوریولیس متر هیچ قطعه متحرکی ندارد و پایداری طولانی مدت، تکرارپذیری و قابلیت اطمینان بالایی دارد.
از آنجایی که کوریولیسمترها دستگاههای اندازهگیری جریان جرم مستقیم هستند، میتوانند وسیعترین طیف سیالات از گازها تا مایعات سنگین را کنترل کنند و تحت تأثیر تغییرات گرانروی یا چگالی که اغلب بر فلومترهای مبتنی بر سرعت از نوع جابجایی مثبت، توربین و اولتراسونیک تأثیر میگذارند، قرار نمیگیرند. با گستردهترین قابلیت محدوده جریان در هر فناوری جریان، کوریولیس را می توان برای افت فشار کم مورد استفاده قرار داد.
این واقعیت که کوریولیسمترها وابسته به پروفایل جریان نیستند، به رفع نیاز به اجرای مستقیم و تهویه جریان کمک میکند که سیستم های انتقال سیال را قادر می سازد با حداقل افت فشار طراحی شوند.
جریان با استفاده از کوریولیس متر با تجزیه و تحلیل تغییرات در نیروی کوریولیس یک ماده جاری اندازه گیری می شود. این نیرو در یک جرم در حال حرکت در یک چارچوب چرخشی مرجع ایجاد می شود. در اثر چرخش یک شتاب زاویهای و بیرونی که با سرعت خطی متناسب است، ایجاد میشود. نیروی کوریولیس با سرعت جریان جرمی آن سیال متناسب است.
یک کوریولیس متر دو جزء اصلی دارد: یک لوله جریان نوسانی مجهز به حسگرها و درایورها، و یک فرستنده الکترونیکی که نوسانات را کنترل میکند و نتایج را تجزیه و تحلیل کرده و اطلاعات را منتقل می کند. اصل کوریولیس برای اندازهگیری جریان مستلزم بهرهبرداری از بخش نوسانی یک لوله دوار است. نوسان، نیروی کوریولیس را تولید می کند که به طور سنتی برای تعیین سرعت جریان استفاده میشود. کوریولیسمترهای مدرن از اختلاف فاز اندازهگیری شده در هر انتهای لوله نوسانی استفاده میکنند.
فلومتر اولتراسونیک یکی از انواع فلومترهای پرکاربرد
فلومترهای اولتراسونیک برای اولین بار در سال 1963 توسط توکیو کیکی در ژاپن به بازارهای صنعتی معرفی شدند. کنتور التراسونیک سرعت جریان حجمی را ارائه می دهد. در این نوع کنتورها معمولاً از روش زمان عبور استفاده میشود، که در آن امواج صوتی که در جهت جریان سیال منتقل میشوند سریعتر از امواجی که در بالادست حرکت میکنند. اختلاف زمان عبور متناسب با سرعت سیال است.
فلومترهای التراسونیک در صورت رعایت نصب توصیه شده، افت فشار ناچیزی دارند و میتوانند طیف وسیعی از کاربردها را پوشش دهند. تولید، حمل و نقل و فرآوری نفت خام از کاربردهای معمول این فناوری است.
بر خلاف فلومترها جابجایی مثبت و توربینی، فلومترهای اولتراسونیک دارای قطعات متحرک نیستند. نصب کنتورهای اولتراسونیک نسبتاً ساده است و نیاز به تعمیر و نگهداری کمی دارد. در ژوئن 1998، انجمن گاز آمریکا استانداردی به نام AGA-9 را منتشر کرد. این استاندارد معیارهای استفاده از فلومترهای اولتراسونیک برای انتقال گاز طبیعی را تعیین میکند.
فلومتر ورتکس
فلومتر ورتکس (گردابی) یک دستگاه خاص برای اندازهگیری شدت جریان سیال بر مبنای روشهای مکانیکی و تبدیل آنها به داده های قابل اندازهگیری است. فلومتر گردابی میتواند دبی بخار، گاز و مایع را با استفاده از ایجاد گرداب محاسبه کند. جریان گردابی هنگامی اتفاق میافتد که مانعی در مسیر جریان سیال وجود داشته باشد. لغت مانع در اینجا، به جسمی مقاوم در مسیر سیال اطلاق میشود که سبب ایجاد و شکلگیری حرکت چرخشی در مسیر پائین دست خود میشود.
هنگامی که گرداب ها شکل گرفته و جاری میشوند در فشار تفاضلی ایجاد شده، تغییر حاصل میشود. از این تغییر فشار برای بکار انداختن سنسوری در فرکانس متناسب با جریان گردابی استفاده میشود. در جریان پیوسته سیال، یک سری از گردابها، پالسهای الکتریکی با فرکانسی متناسب با سرعت سیال تولید میکنند. سرعت بدست آمده میتواند به نرخ جریان حجمی تبدیل شود. خروجی دبیسنج گردابی وابسته به فاکتور k است. فاکتور k بیانگر فرکانس گردابهای تولید شده در سرعت سیال میباشد.
فاکتور k با تغییر عدد رینولدز (عدد رینولدز کمیت بدون یکای مهمی است که در مکانیک سیالات برای پیشبینی الگوی جریان از آن استفاده میشود. این عدد نسبت نیروی لختی به نیروی گرانروی میباشد) تغییر میکند. اگر چه در رنج وسیعی از دبی عملاً ثابت است. اگر دبیسنج های گردابی در رنج تخت کار کنند، نرخ دبی بصورت خطی با سرعت رابطه دارد. عملکرد این فلومتر در شکل زیر نشان داده شده است.
فلومتر روتامتر
روتامتر نوعی دبیسنج است که میتواند دبی سیال عبوری از یک لوله را اندازهگیری نماید. این سیال میتواند مایع و یا گاز باشد. استفاده از روتامتر برای اندازهگیری دبی بسیار رایج است. روتامتر از یک مجرای مخروطی تشکیل میشود که درون آن یک شناور موجود است.
در اثر عبور جریان سیال از پایین به بالای روتامتر، نیروی مقاومی به این شناور وارد میشود و آن را به طرف بالا حرکت میدهد. با بالا رفتن شناور، سطح مقطع روتامتر افزایش یافته و لذا سطح جریان میان شناور و مجرای مخروطی روتامتر افزایش مییابد. شناور تا جایی بالا میرود که نیروی مقاوم سیال، نیروی ارشمیدس و وزن سیال یکدیگر را خنثی نمایند و سیستم به حالت تعادل برسد. در این صورت مکان شناور که به صورت مستقیم از روی روتامتر خوانده میشود، معرف دبی جریان میباشد.
هر چه دبی جریان عبوری از روتامتر بیشتر باشد، محل شناور بالاتر خواهد بود. در شکل زیر نمونهای از این فلومتر نمایش داده شده است.
فلومتر اوریفیس پلیت
فلومترهای اوریفیس پلیت از نوع فلومترهای فشار تفاضلی هستند. در فلومترهای اوریفیس پلیت (orifice plate)، برای ایجاد اختلاف فشار، یک صفحه فلزی سوراخ دار (اوریفیس پلیت) در مسیر عبور سیال قرار داده می شود. قرار گرفتن اوریفیس پلیت در مسیر عبور سیال باعث باریک شدن مسیر عبور جریان و محدود شدن نرخ فلو شده و امکان اندازه گیری دقیق فلو را فراهم می کند. همچنین نصب اوریفیس پلیت باعث ایجاد اختلاف فشار در دو سر آن می شود.
مکانیزم کار اوریفیس پلیت ها ساده و ارزان بوده و برای طیف وسیعی از سیالات و فرایندها مناسب است.
فلومتر ونتوری
فلومترهای ونتوری از نوع فلومترهای فشار تفاضلی یا دیفرانسیلی هستند، یعنی با ایجاد اختلاف فشار در مسیر عبور سیال، فلوی عبوری را اندازه گیری می کنند. برای ایجاد اختلاف فشار در فلومترهای ونتوری، از لوله ونتوری استفاده می شود. در ساختار لوله ونتوری، با کاهش سطحِ مقطعِ مسیرِ عبورِ سیال، اختلاف فشار لازم برای اندازه گیری فلو ایجاد می شود. البته در ادامه مسیر، سطح مقطع به صورت یکنواخت افزایش می یابد و بدین ترتیب تا حدود 80 درصد اختلاف فشار ایجاد شده در قسمت باریک جبران می شود.
فلومتر جرمی حرارتی
فلومترهای حرارتی که با عنوان فلومتر جرمی انتشار (dispersion) یا شناوری (immersible) حرارتی نیز شناخته می شوند، شامل خانواده ای از ابزارهایی می شوند که برای اندازه گیری کل جریان جرمی سیالات، به ویژه گازهایی که درون مجاری بسته جریان می یابند، به کار می روند.
دبی سنج جرمی حرارتی اغلب برای تنظیم جریانهای کم گاز استفاده می شوند. آنها یا با وارد کردن مقدار مشخصی از گرما در جریان روان و اندازه گیری تغییرات دمای مرتبط با آن کار می کنند یا با نگه داشتن پروب در دمای ثابت و اندازه گیری انرژی لازم برای انجام این کار عمل می کنند. اجزای یک جریان سنج جرم حرارتی شامل دو سنسور دما و یک هیتر برقی بین آنها است. هیتر می تواند وارد جریان سیال شود یا می تواند خارج از لوله باشد.
فلومتر پیتوت (Pitot Tube Flow Meter)
فلومتر پیتوت یا لوله پیتوت یک ابزار اندازه گیری سرعت سیال می باشد. لوله پیتوت ابزاری برای اندازهگیری سرعت سیال است. این وسیله عموما سرعت نقطهای سیال را محاسبه میکند، اما در برخی از مسائل، سرعت میانگین سیال در یک مقطع مورد نیاز است، بنابراین انواع مختلفی از لولههای پیتوت برای کاربردهای گوناگون تولید شدهاند.
اين دستگاه دارای دو پورت ورودی، يكي در امتداد جريان براي اندازه گيری فشار كل و ديگری عمود برآن جهت اندازه گيری فشار استاتيكي مي باشد. با اندازه گيری اين دو فشار و محاسبه اختلاف آن دو ، ميزان فشار ديناميكي به دست مي آيد.
فلومترهای جابجایی مثبت(Positive Displacement)
فلومترهای جابجایی مثبت، اندازهگیرهای بسیار دقیقی هستند که به طور گسترده برای اندازهگیری انتقال آب تجاری و صنعتی و همچنین برای اندازهگیری انتقال بسیاری از مایعات دیگر استفاده میشود. فلومترهای PD این مزیت را دارند که توسط تعدادی از نهادهای نظارتی برای این منظور مورد تایید قرار گرفتهاند ولی هنوز در سایر کاربردها جایگزین نشدهاند.
PD متر در اندازه گیری جریان سیال کم و همچنین در اندازهگیری جریانهای بسیار چسبناک برتر است، زیراPD متر جریان را توسط یک ظرف با حجم شناخته شده اندازهگیری میکند بنابراین هنگام استفاده از PD متر سرعت جریان مهم نیست.
فلو سوئیچ (سنسور جریان، سوئیچ جریان)
فلو سوئیچها یا سوئیچهای جریان، وظیفه کنترل و نظارت بر میزان جریان مایعات را بر عهده دارند و در صورت افزایش و یا کاهش بسیار زیاد جریان از مقدار تنظیم شده، جهت حفاظت از تجهیزات آلارم را روشن میکند و سنسور جریان، سیگنال الکتریکی به PLC یا کنترلرهای الکتریکی ارسال میکند. انواع فلو سوئیچها عبارتند از:
- فلوسوئیچ تیغهای یا پدالی
- فلوسوئیچ پیستونی
- فلوسوئیچ آلتراسونیک
- فلوسوئیچ ترمال یا گرمایشی
- فلوسوئیچ پیزو
- فلوسوئیچ خطی
- فلوسوئیچ توربینی
نتیجهگیری
با توجه به تنوع سیالات، دما، فشار و نیازهای دقیق اندازهگیری، انتخاب فلومتر مناسب امری بسیار حیاتی است. از فلومتر کوریولیس برای دقت بالا، فلومتر مغناطیسی برای مایعات رسانا، فلومتر توربینی برای سیالات تمیز، و فلومتر اولتراسونیک برای اندازهگیری غیرتماسی استفاده میشود. شناخت هر یک از انواع فلومتر و شرایط کاربردشان میتواند بهرهوری و ایمنی فرآیندها را به طور چشمگیری افزایش دهد.
سوالات متداول
فلومتر کدام نوع دقت بیشتری دارد؟
فلومتر کوریولیس به دلیل اندازهگیری مستقیم دبی جرمی بالاترین دقت را دارد.
آیا فلومتر مغناطیسی برای گاز مناسب است؟
خیر، فلومتر مغناطیسی تنها برای مایعات رسانا کاربرد دارد.
کدام فلومتر برای صنایع غذایی مناسبتر است؟
فلومترهای کوریولیس و PD به دلیل دقت و قابلیت استریلیزاسیون، انتخاب مناسبی هستند.
آیا فلومترهای اولتراسونیک نیاز به تعمیر زیاد دارند؟
خیر، به دلیل عدم وجود قطعات متحرک، نگهداری کمی نیاز دارند.
