فلومتر (Flowmeter) — از صفر تا صد

اندازه‌گیری سرعت هوا و جریان آب از دیرباز مورد توجه انسان بوده است. دانستن جهت و سرعت باد برای جهت‌یابی و اندازه‌گیری جریان آب به منظور تقسیم عادلانه آن در جوامع باستانی، از اولین تلاش‌ها برای سنجش دبی سیالات به حساب می‌آید. امروزه نیز اندازه‌گیری دبی سیالات در محیط‌های صنعتی از اهمیت بالایی برخوردار است. از دلایل آن می‌توان به ایمنی، کنترل فرآیند، کیفیت محصول، راندمان تولید و مدیریت هزینه‌ها اشاره کرد. به تجهیزاتی که برای اندازه‌گیری نرخ دبی مایعات و گازها مورد استفاده قرار می‌گیرند، فلومتر یا دبی‌سنج گفته می‌شود. در شکل زیر انواع مختلفی از فلومترها نشان داده شده است. در این مقاله، ملاحظات مربوط به انتخاب فلومتر و همچنین انواع فلومترهای پرمصرف در صنعت، شرح داده خواهند شد.

ملاحظات مربوط به انتخاب فلومتر

اولین گام در اندازه‌گیری 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 لوله‌ها، میزان خورندگی سیال و مهمتر از همه، نوع کاربری تجهیز، باید مورد توجه قرار گیرند. این موارد در ادامه به طور خلاصه بررسی می‌شوند.

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 مهم‌ترین 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 زمان‌های مختلف، امکان تغییر ناگهانی دما و فشار و الگوی تغییرات آنها را باید مورد بررسی قرار داد تا در هنگام تعمیرات، پیشگیری‌های لازم از وقوع خطرات احتمالی انجام شود.

لوله‌کشی و محل نصب

در لوله‌کشی 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 لوله‌ها، جنس لوله‌ها، سازگاری استانداردهای ساخت لوله‌ها با استانداردهای فلومتر، میزان تحمل فشار در فلنج‌ها، 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 طبقه‌بندی محل نصب تجهیز از نظر امکان بروز انفجار، از مهمترین ملاحظاتی هستند که باید در مرحله لوله‌کشی در نظر گرفته شوند. اهمیت قابلیت دسترسی محل نصب تجهیز در تصویر زیر گویاست.

دامنه اندازه‌گیری و دقت دستگاه

گام بعدی در انتخاب فلومتر مناسب، تعیین دامنه مورد نیاز برای اندازه‌گیری 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 اندازه‌گیری یا درصدی از دامنه تنظیم شده برای تجهیز، تعریف می‌شود. نیازمندی‌های مربوط به دقت، باید برای سه مقدار حداقل، کاری و حداکثر دبی تعریف شوند. در غیر این صورت، از اعتبار مقدار اندازه‌گیری 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 اندازه‌گیری دبی

یکی دیگر از موارد مهم در انتخاب فلومتر مناسب، واحد اندازه‌گیری آن است. شاید در نگاه اول تصور شود اندازه‌گیری جرمی (مانند کیلوگرم بر ساعت) یا حجمی (مانند لیتر بر ساعت) دبی تفاوت چندانی ندارد و می‌توان با داشتن چگالی سیال، یکی را به دیگری تبدیل کرد. اما در فرآیندهای صنعتی واقعی، تراکم‌پذیری سیال و تغییرات دما، عواملی هستند که چگالی (یا در برخی موارد، ویسکوزیته) سیال را تغییر می‌دهند و تبدیل دبی حجمی به دبی جرمی را با پیچیدگی مواجه می‌کنند. علاوه بر این، در اندازه‌گیری دبی حجمی، تشکیل حباب، خطای زیادی ایجاد می‌کند. بنابراین در چنین مواردی پیش از انجام هرگونه اندازه‌گیری، هوا و گاز همراه مایع باید جداسازی شود. در غیر این صورت، اندازه‌گیری 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 بی‌مصرف 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 اندازه‌گیری می‌رسد. دنیای مهندسی، گزینه‌های متنوعی برای انتخاب فلومتر مناسب ارائه می‌دهد که با توجه به اطلاعات مربوط به فرآیند و محیط و همچنین با در نظر گرفتن هزینه‌ای که برای اندازه‌گیری دبی در نظر گرفته شده است، باید بهینه‌ترین گزینه را انتخاب کرد. در این بخش، ملاحظات و مفاهیم اصلی مربوط به عملکرد و کاربرد پرمصرف‌ترین انواع فلومتر در صنعت بررسی می‌شود.

فلومتر الکترومغناطیسی

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

روش اندازه‌گیری این تجهیز بر مبنای قانون القای فارادی است. مطابق این قانون، هرگاه میله‌ای فلزی در داخل میدان مغناطیسی حرکت کند، ولتاژ الکتریکی القا می‌شود. مانند شکل زیر، عبور ذرات باردار سیال، از درون میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط سیم‌پیچ داخل این فلومتر، ولتاژ الکتریکی القا می‌کند. شدت این ولتاژ به طور مستقیم با سرعت جریان سیال متناسب است و برای اندازه‌گیری دبی حجمی سیال به کار می‌رود. در مواردی که چگالی مایع در طول فرآیند ثابت است (مانند آب)، می‌توان به راحتی، دبی حجمی را به دبی جرمی تبدیل کرد.

فلومتر اولتراسونیک

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

در هر دو نوع این تجهیز، از دو سنسور استفاده می‌شود که در کنار یکدیگر نصب شده‌اند. هر دو سنسور می‌توانند به صورت متناوب به عنوان فرستنده و گیرنده عمل کنند. مدت زمانی که طول می‌کشد 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 می‌توان از آن در اندازه‌های مختلف استفاده کرد. در اینجا هم مانند روش قبلی، هیچ‌گونه قطعه متحرکی در ساختار تجهیز استفاده نشده است. همین موضوع موجب می‌شود نیاز به تعمیرات به حداقل برسد. شماتیک عملکرد امواج اولتراسونیک در شکل زیر مشاهده می‌شود.

فلومتر فشار تفاضلی

اندازه‌گیری دبی سیال با استفاده از محاسبه افت فشار ایجاد شده در مقطع لوله، از پرکاربردترین روش‌های صنعتی به حساب می‌آید. نمونه‌ای از فلومتر فشار تفاضلی در شکل زیر مشاهده می‌شود. مبنای کار این تجهیز محاسبه فشار است. در نتیجه برای اندازه‌گیری دبی از ترانسمیترهای فشار استفاده می‌شود. از این نوع فلومتر می‌توان برای اندازه‌گیری دبی طیف گسترده‌ای 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 یک‌پنجم 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 می‌افتد و با بیشتر شدن دبی، میزان افت فشار نیز افزایش می‌یابد. با توجه به شرایط فرآیند، می‌توان از صفحه اوریفیس یا لوله ونتوری به عنوان عامل محدودکننده استفاده کرد. طبق معادله برنولی، اختلاف فشار در بالادست و پایین‌دست 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 اندازه‌گیری 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 پاک‌کننده‌های شیمیایی گرفته تا روغن‌های گیاهی و سس کچاپ، اندازه‌گیری کند. قابلیت اندازه‌گیری همزمان چگالی و دبی جرمی، دریچه جدیدی را در کنترل فرآیندهای صنعتی گشوده است. نمونه‌ای از فلومترهای کوریولیس در تصویر زیر مشاهده می‌شود. قیمت بالای این تجهیزات، شاید در نگاه اول ناامیدکننده به نظر برسد. ولی کارایی و دقت بالای این محصول، در آینده‌ای نزدیک موجب پیشی گرفتن آن از سایر رقیبان خواهد شد.

هر فلومتر کوریولیس مطابق شکل زیر، دارای دو لوله اندازه‌گیری است که توسط یک تحریک‌کننده، به نوسان درمی‌آیند. با عبور جریان از داخل لوله اندازه‌گیری، به دلیل وجود اینرسی، حرکت پیچشی هم به نوسان اولیه اضافه می‌شود. دو سنسور به کار رفته در این سیستم، تغییر نوسان را به عنوان اختلاف فاز ثبت می‌کنند. این اختلاف فاز، نسبت مستقیمی با دبی جرمی سیال دارد. علاوه بر آن، با استفاده از فرکانسی که لوله اندازه‌گیری نوسان می‌کند، می‌توان چگالی سیال را به دست آورد. یکی از تفاوت‌های اصلی این مدل با مدل‌های پیشین، اندازه‌گیری مستقیم دبی جرمی است که فلومتر کوریولیس را در کاربردهایی با چگالی و دمای متغیر، منحصر به فرد می‌سازد.

فلومتر ورتکس

مبنای عملکرد این فلومترها، فرضیه‌ایست که اولین بار توسط «تئودور فون کارمان» (Theodore Von Karman)، ریاضی‌دان مجارستانی مطرح شد. طبق این فرضیه، هنگامی که مانعی سر راه جریان قرار گیرد، به صورت متناوب، گردابه‌هایی تشکیل می‌شوند. فرکانس تشکیل این گردابه‌ها، ارتباط مستقیمی با اندازه و شکل آن مانع دارد. نمونه‌ای از فلومتر ورتکس در شکل زیر مشاهده می‌شود. این تجهیز در بسیاری از شاخه‌های صنعتی برای اندازه‌گیری دبی حجمی مایعات، گازها و بخار به کار می‌رود.

مطابق شکلی که در پایین مشاهده می‌شود، درون فلومتر ورتکس، مانعی در مرکز لوله قرار داده شده است. به محض اینکه سرعت سیال از یک مقدار حداقل بیشتر شود، گردابه‌ها در پایین‌دست مانع تشکیل می‌شوند. پس از جدا شدن گردابه‌ها، فشار روی سطح مانع، بین مقادیر مثبت و منفی نوسان می‌کند. برای تشخیص این نوسان، از سنسورهای خازنی یا پیزوالکتریک استفاده می‌شود. این سنسورها بعد از تشخیص هر نوسانی که در فشار رخ دهد، یک سیگنال خروجی ارسال می‌کنند 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 اندازه‌گیری می‌کند، فلومتر حرارتی است. این تجهیز بیشتر به منظور پایش و کنترل مصرف گازهایی مانند هوای فشرده، کربن‌دی‌اکسید و گاز طبیعی و همچنین تشخیص نشتی به کار می‌رود. نمونه‌ای از این فلومتر در شکل زیر نشان داده شده است. این دبی‌سنج، دامنه مصرف گسترده و دقت معقولی دارد ولی کاربرد آن با محدودیت‌هایی نیز روبروست. از جمله این محدودیت‌ها می‌توان به وجود رطوبت در گازهای اشباع اشاره کرد. وجود مخلوط دو فازی در این فلومتر موجب بروز خطا در اندازه‌گیری و خوردگی سنسور دما می‌شود.

مبنای عملکرد این فلومتر، انتقال حرارت از سیال عبوری و اندازه‌گیری 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 اندازه‌گیری می‌کند. سنسور دوم گرم شده و اختلاف دمای ثابتی با سنسور اول دارد. با عبور سیال از داخل لوله اندازه‌گیری، سنسور دوم مقداری از حرارت خود را از دست می‌دهد و خنک می‌شود. در این حالت، جریان الکتریکی مورد نیاز برای حفظ اختلاف دمای دو سنسور، معیاری دقیق از دبی جرمی است. این فلومترها زمان عکس‌العمل کوتاهی دارند و دقت آنها حتی در دامنه‌های اندازه‌گیری پایین نیز کاهش نمی‌یابد.

در صورت علاقه‌مندی به مباحث مرتبط در زمینه مهندسی مکانیک و برق، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

• مجموعه آموزش‌های دروس مهندسی مکانیک
• مجموعه آموزش‌های مهندسی کنترل
• آموزش ابزار دقیق (Instrumentation)
• برنامه نویسی PLC – به زبان ساده
• سنسور و ترنسدیوسر در مهندسی برق — به زبان ساده
• سیم داغ یا هات وایر (Hot Wire) — از صفر تا صد

^^