فلومتر

فلومتر چیست و از فلومترها (Flowmeter) یا دبی سنج ها در چه زمینه ای بهره می گیرند؟

فلومتر چیست؟

فلومتر یکی از مهمترین تجهیزات ابزار دقیق در صنایع فرآیندی می باشد که برای اندازه گیری جرم یا حجمی از سیال عبوری که در واحد زمان از لوله میگذرد، مورد استفاده قرار می گیرد.

در واقع استفاده از فلومتر ها یا دبی سنج جهت اندازه گیری جریان سیالات مانند مایع، گاز و بخار اهمیت فراوانی دارد و از نظر اقتصادی و فنی برای کنترل بهتر فرآیند الزامی می باشد.

 

 

به عبارت دیگر، فلومتر یک دستگاه اندازه‌گیری دبی (جریان) است که برای تعیین نرخ (سرعت) جریان جرمی یا جریان حجمی سیال مورد استفاده قرار می گیرد. 

Flowmeter ها با نام‌های دیگری مانند دبی سنج، یا سنسور دبی نیز شناخته می‌شوند.

هدف از استفاده و خرید فلومتر بهبود دقت، درستی و وضوح اندازه‌گیری سیال در صنایع فرآیندی است.

فلومترها می‌توانند حجم یک ماده، سرعت و جرم آن را اندازه‌گیری کنند و با استفاده از محاسبات مختلف جریان، فشار مطلق، فشار دیفرانسیل، ویسکوزیته و دما را گزارش دهند

روش اندازه گیری دبی سنج

 

انواع فلومتر

همانطور که پیشتر نیز اشاره کردیم انواع بسیار زیادی از فلومترها در صنایع طراحی و تولید شده اند.

هریک از این تجهیزات با توجه به مکانیزم عملکرد و تکنولوژی اندازه گیری مناسب اندازه گیری نوع خاصی از سیال میباشند. در ادامه به معرفی انواع جریان سنج ها از منظر مکانیزم کلی اندازه گیری خواهیم پرداخت:

فلومتر فشاری

فلومتر هایی که بر اساس ایجاد اختلاف فشار یا اندازه گیری فشار قادر به اندازه گیری و نمایش مقدار فلوی سیال هستند، یکی از رایج ترین و مقرون بصرفه ترین انواع فلومترها میباشند.

این Flowmeterها شامل اوریفیس پلیت فلومتر، ونتوری تیوب و فلو نازل میباشند.

تمامی این فلومتر ها با ایجاد یک افت فشار در خط لوله جریان عبوری را اندازه گیری میکنند.

فطبق روابط برنولی سرعت سیال عبوری در خط لوله با مجذور اختلاف فشار در بین آن نقاط رابطه ی مستقیمی خواهد داشت.

یکی دیکر از انواع فلومترهایی که بر اساس اختلاف فشار جریان عبوری را اندازه گیری میکند، Flowmeterهای لوله پیتوت هستند.

این فلومترها دارای سوراخ های بسیار ریزی روی خود هستند که اختلاف بین فشار استاتیکی سیال (که ناشی از وزن آن میباشد) و فشار دینامیکی+استاتیکی را اندازه گیری میکنند.

 

فلومتر مکانیکی

دبی سنج یا جریان سنج هایی که هریک به نحوی دارای قطعات مکانیکی یا دوار در مسیر سیال هستند و به حرکت یک قطعه مکانیکی سرعت سیال عبوری میشوند از فلومترهای مکانیکی محسوب میشوند.

فلومترهای جابجایی مثبت، فلومترهای توربینی، Flowmeterهای روتری یا پدل، Flowmeterهای سطح متغیر یا روتامتر از این دسته هستند که در ادامه به توضیح هریک از آنها میپردازیم.

فلومتر تشعشعی

این دسته از فلومترها با انتشار امواج صوتی یا نوری فلوی سیال عبوری را اندازه گیری میکنند.

فلومترهای نوری که مناسب اندازه گیری جریان عبوری گازها میباشند و فلومترهای التراسونیک از فلومترهای تشعشعی هستند.

این Flowmeterها با ارسال یک موج صوتی یا نوری از یک سمت و دریافت آن از سمت دیگر نرخ جریان عبوری سیال را محاسبه خواهند کرد.

فلومتر اختلاف فشار یا DP

در فلومترهای اختلاف فشاری، اندازه گیری دبی حجمی سیال با استفاده از محاسبه اختلاف فشار ایجاد شده در مقطع لوله می باشد و از پرکاربردترین روش های صنعتی برای اندازه گیری فلو به حساب می آید.

اساس کار در فلومترهای اختلاف فشاری یا DP معادله برنولی است در واقع سرعت سیال و فشار با یکدیگر رابطه عکس دارند و با افزایش سرعت سیال عبوری از لوله فشار آن افت پیدا خواهد کرد.

این نوع فلومتر برای اندازه گیری دبی طیف گسترده ای از سیالات مایع، گازها و بخار به کار می رود و همچنین برای اندازه گیری دبی مبنی بر اختلاف فشار از ترانسمیترهای فشار استفاده می شود.

لازم به ذکر است فلومتر هایی که المنت اندازه گیری در آنها اوریفیس پلیت (Orifice Plate)، لوله ونچوری(Venturi tube) یا فلونازل (Flow Nozzle) می باشد، همگی با استفاده از محاسبه اختلاف فشار بین دو نقطه در خط میزان فلوی حجمی عبوری سیال را اندازه گیری می کنند.

اوریفیس پلیت

از اوریفیس پلیت به عنوان ابزار محدودکننده برای تنظیم جریان یا کاهش فشار جریان در پایین دست صفحه‌ی روزنه، استفاده می‌شود.
اوریفیس پلیت معمولا بین مجموعه‌ای از فلنج‌های اوریفیس نصب می‌شود و در یک مسیر مستقیم از لوله‌ی صاف قرار داده می‌شود تا از اختلال در الگوهای جریان از اتصالات و شیرها جلوگیری شود.

اوریفیس پلیت یکی از محبوب‌ترین دستگاه‌ها برای اندازه‌گیری و کنترل جریان سیال است.

 

لوله ونچوری

جهت اندازه گیری جریان سیال یک دبی‌سنج ونچوری در لوله‌ی حامل سیال قرار می‌گیرد.

هنگامی که سیال وارد ونچوری می شود افت فشار بین ورودی و گلوگاه دبی‌ سنج ونچوری اتفاق می‌افتد.

این افت فشار با استفاده از یک سنسور فشار دیفرانسیل اندازه‌گیری می‌شود و هنگامی که کالیبره می‌شود، این افت فشار به عنوان معیاری برای دبی تبدیل می‌شود.

از این دستگاه در جاهایی استفاده می‌شود که نیاز به بازیابی فشار بالا است.

استفاده از ونچوری در صنایع و محدودیتی از نظر نوع سیال ندارد تنها نکته ای که باید در نظر گرفته شود این است که سیال حاوی جامدات ابعاد بزرگ یا متخلخل نباشد زیرا به مرور زمان قسمت گلویی لوله بسته می شود و عملا هیچ جریانی از آن رد نمی شود.

فلومتر مغناطیسی

قبل از خرید فلومتر جریان سنج مغناطیسی باید بدانید که 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 صنایع غذایی و دارویی 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 Flowmeter مشاهده می شود.

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 جرمی کوریولیس

قبل از انتخاب و خرید فلومتر جرمی کوریولیس باید بدانید که این Flowmeter تنها فلومتری میباشد که قادر به اندازه گیری جریان جرمی همه سیالات از انواع سیالات شامل نفت، آب،  انواع روغن و هر نوع سیالی را با چگالی های متفاوت اندازه گیری کند.

اساس اندازه گیری این نوع فلومترها استفاده از شتاب کوریولیس یا نیروی گریز از مرکز برای محاسبه فلوی سیالات میباشد.

یکی از ویژگی های منحصر به فرد فلومترهای کوریولیس توانایی اندازه گیری همزمان چگالی و جریان جرمی سیالات می باشد. این محصول هزینه بالایی دارد ولی کارایی و دقت بالای، 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 اولتراسونیک

استفاده از امواج فلومتر اولتراسونیک، اندازه گیری دبی حجمی طیف وسیعی از گازها و مایعات را امکان پذیر می سازد.

در این Flowmeterها مواردی مانند هدایت الکتریکی، فشار، دما و ویسکوزیته اهمیت ندارند. ولی 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.

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 ورتکس

مبنای عملکرد فلومتر ورتکس، 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 شود.

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.

درون فلومتر ورتکس، مانعی در مرکز لوله  وجود دارد که 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.

روتامتر

فلومتر، روتامتر فلومترهای متغیری هستند که از یک شناور چرخشی استفاده می‌کنند که به صورت عمودی در یک لوله‌ی مخروطی حرکت می‌کند و فشار اعمال‌شده روی مایع بر اثر جاذبه را اندازه‌گیری می‌کند.

از این دستگاه معمولا برای اندازه‌گیری مایعات و گازها استفاده می‌شود.

روتامترها دارای خروجی خطی، سادگی، هزینه‌ی پایین، اندازه‌گیری افت فشار کم و کاربردهای گسترده‌ی دیگر هستند، این نوع از دبی‌سنج‌ها ابزارهای اندازه‌گیری جریان ساده، قابل اعتماد و ارزان هستند.

هنگامی که یک گاز یا مایع به یک لوله‌ی جریان یکنواخت محروطی وارد می‌شود، شناور بالا می‌رود و وزن آن توسط سیالی که زیر آن در جریان است تحمل می‌شود تا زمانی که کل حجم سیال بتواند از کنار شناور عبور کند.

 موقعیت شناور مربوط به نقطه‌ای از مقیاس اندازه‌گیری لوله است و نشانی از سرعت جریان سیال را ارائه می‌دهد.

فلومتر توربینی

فلومتر توربینی یا Turbine Flowmeter نوع دیگری از فلومترها میباشد که با یک مکانیزم کاملآ مکانیکی توسط چرخیدن پره های توربین قادر به اندازه گیری فلوی سیالات مایع و گازها میباشد.

در این نوع فلومتر پره های توربین در اثر عبور جریان به دلیل وارد شدن نیروی سیال به سطح تیغه های روتور حول یک محور ثابت (شافت) دوران پیدا کرده و میچرخد.

روی تیغه‌های این روتو یک آهنربا نصب شده است که در اثر چرخش روتور باعث چرخش آهنربا میشود.

یک سنسور اثر 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 ثبت‌ شده توسط ترانسمیتر، با سرعت عبور سیال ارتباط مستقیم خواهد داشت و با تبدیل این پالس الکتریکی به ولتاژ الکتریکی سرعت سیال و سپس فلوی حجمی سیال محاسبه خواهد شد.

 

فلومتر توربینی برای سیالات با ویسکوزیته پایین و متوسط، سیالات تمیز و بدون رسوب و ذرات جامد مناسب است.

این نوع فلومتر تا سایز “24 قابل در صنایع مورد استفاده میباشد.

لازم به ذکر است فلومترهای توربینی با توجه به دقت بالایی و قیمت مناسب جایگزین مناسبی برای فلومترهای جرمی می‌باشند.

فلومتر جرمی حرارتی

نوع دیگری از Flowmeter ها 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.

این نوع 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 Flowmeter 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 قرار دارد.

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.

 

سایر فلومترها

فلومترهای دیگری هم در صنایع مورد استفاده هستند که در تقسیم بندی های بالا نمیگنجند.

ولی هریک دارای مکانیزم اندازه گیری فلوی مختص خود هستند که در ادامه به توضیح عملکرد هریک از آنها اشاره خواهیم کرد.

Flowmeterهای الکترومغناطیسی، ورتکس (گردابی)، فلومترهای جرمی (کوریولیس)، فلومترهای حرارتی از این دست Flowmeterها هستند.

کاربرد فلومتر

کانال‌های باز مانند رودخانه‌های یا نهرها نیز ممکن است با فلومتر اندازه‌گیری شوند.

یا اغلب، بیشترین کاربرد یک Flowmeter و بیشترین تنوع دبی‌سنج‌ها برای اندازه‌گیری گازها و مایعات در یک لوله است. بهبود دقت، صحت و وضوح اندازه‌گیری سیال، از بزرگترین مزایای فلومترها است.
اکثر فلومترها از سه قسمت تشکیل شده‌اند: دستگاه اولیه، مبدل و یک فرستنده. کار مبدل این است که مایع عبوری از دستگاه اولیه را حس کند.
سپس سیگنال خام از مبدل، از طریق فرستنده به داده‌های قابل استفاده تبدیل می‌شود.

یک Flowmeter ممکن است از یک یا چند دستگاه فرعی فیزیکی تشکیل شده باشد زیرا این اجرا در بیشتر مواقع با هم ترکیب می‌شوند.

 

سوالات متداول