مروری بر عملکرد و معرفی انواع فلومتر (دبی سنج)

فلومتر (Flow meter) چیست؟ انواع آن کدامند؟

فلومتر یا همان دبی سنج ابزاری جدایی ناپذیر برای اندازه گیری جریان مایع، گاز یا مخلوطی از هر دو در کاربرد های مورد استفاده در صنایع غذایی و آشامیدنی، کارخانه های نفت و گاز و کارخانه های شیمیایی/داروسازی است. انواع مختلفی از دبی سنج ها با مشخصات سیال (تک فاز یا دو فاز، ویسکوزیته، کدورت و…) و مشخصات جریان (لامینار، انتقالی، یا آشفته و…) در بازار موجود است.

کاربرد های فلومتر (Flow meter):

محدوده جریان و نیاز به اندازه گیری های دقیق، فاکتور های کلیدی برای تعیین فلومتر مناسب برای یک کاربرد خاص هستند. ملاحظات اضافی مانند محدودیت های مکانیکی و گزینه های اتصال خروجی نیز بر این انتخاب تأثیر می گذارد. دقت کلی یک فلومتر تا حدی به شرایط کاربرد بستگی دارد. اثرات فشار، دما، سیال و تأثیرات دینامیکی به طور بالقوه می تواند اندازه گیری انجام شده را تغییر دهد.

نحوه کار فلومتر (Flow meter):

دبی سنج های صنعتی در محیط هایی استفاده می شود که نویز و منابع نوسانات ولتاژ بالا زیاد هستند. این بدان معنی است که قسمت ابتدای آنالوگ (AFE) باید در ولتاژ های حالت مشترک بالا کار کند و عملکرد نویز بسیار خوبی داشته باشد. علاوه بر پردازش سیگنال های الکتریکی کوچک با دقت و تکرار پذیری بالا حلقه 4 تا 20 میلی آمپر رایج ترین رابط بین ترانسمیتر های جریان و تجهیزات کنترل جریان مانند کنترل کننده های منطقی قابل برنامه ریزی است. ترانسمیتر های جریان می توانند از این حلقه تغذیه شوند یا یک خط تغذیه اختصاصی داشته باشند.

نحوه کار ترانسیمیتر های جریان:

ترانسمیتر های جریان طراحی شده برای استفاده از حلقه دارای محدودیت های قدرت بسیار سختگیرانه ای هستند. همانطور که تمام وسایل الکترونیکی نیاز به دریافت/پردازش و انتقال سیگنال برای کار صرفاً از حلقه 4 تا 20 میلی آمپر دارند. پردازنده هایی فوق العاده کم مصرف مانند Texas Instruments MSP430 وخانواده‌ های DSP TMS320C5000 در ارتباط با راه‌ حل‌ های AFE با دقت بالا و کم مصرف، معمولاً در ترانسمیتر‌ های لوپ استفاده می‌شوند.

ترانسمیتر‌هایی با ویژگی‌ های اتصال دیجیتال مانند گذرگاه پردازشی (PROFIBUS)، لینک ‌های ورودی/خروجی و یا اتصال بی‌سیم به طور فزاینده ‌ای محبوب هستند. زیرا باعث کاهش زمان راه‌اندازی، نظارت مستمر و تشخیص خطا می شود. همه این عوامل بهره وری و کارایی را از حلقه اتوماسیون تا حد زیادی بهبود می بخشد.

این مقاله مروری بر عملکرد چهار تا از متداول‌ ترین فلومتر ها دارد: فشار دیفرانسیل، الکترو مغناطیسی (ماگمتر)، کوریولیس و اولتراسونیک، که آخرین آنها شامل دبی ‌سنج‌ های جابجایی داپلر و زمان گذر است. کاربرد های کلیدی این فلومتر ها همراه با مزایا / معایب و ملاحظات سیستمی آنها ارائه شده است.

فلومتر فشار دیفرانسیل (Differential-pressure flow meter):

این فلومتر بر اساس اصل برنولی کار می کند. این افت فشار دیفرانسیل در طول یک گرفتگی در مسیر جریان را اندازه گیری میکند تا سرعت جریان را بدست آورد. انواع رایج فلومتر های فشار تفاضلی عبارتند از:

• اریفیس(orifice)، لوله پیتوت(pitot tube) و لوله ونتوری(venturi tube)
• دبی سنج روزنه ای برای ایجاد گرفتگی در مسیر جریان استفاده می شود. همانطور که سیال از طریق سوراخ در صفحه روزنه جریان می یابد، مطابق با قانون بقای جرم، سرعت سیالی که از روزنه خارج می شود بیشتر از سرعت سیالی است که به روزنه نزدیک می شود است.
• طبق اصل برنولی، این بدان معنی است که فشار در سمت ورودی بیشتر است. نسبت به فشار سمت خروجی، اندازه گیری این فشار دیفرانسیل اندازه گیری مستقیمی از سرعت جریان می دهد که از آن به راحتی می توان جریان حجمی را محاسبه کرد.

ملاحظات سیستم برای فلومتر های فشار تفاضلی

• تکنولوژی تکامل یافته با نگهداری آسان و بدون قطعات متحرک
• برای جریان آشفته مناسب است
• دقت ضعیف برای اندازه گیری جریان های کم
• از تکنیک اندازه گیری جریان استخراجی استفاده می کند. بنابراین همیشه یک افت فشار دائمی وجود دارد که باید با انرژی پمپاژ اضافی بر آن غلبه کرد.
• نیاز به قرار دادن دقیق اتصالات لوله، زانویی و خم ها برای شیرهای انقباضی پایین دست و بالادست

جریان سنج الکترومغناطیسی (magmeter):

جریان سنج الکترومغناطیسی که به عنوان مغناطیس نیز شناخته می شود بر اساس قانون الکترومغناطیس فارادی کار میکند و می تواند برای اندازه گیری جریان فقط سیالات رسانا استفاده شود. دو آهنربا سیم پیچ میدان برای ایجاد یک میدان مغناطیسی قوی در سراسر یک لوله استفاده می شود.طبق قانون فارادی، هنگامی که مایع در لوله جریان می یابد، ولتاژ الکتریکی کوچکی القا می شود. این ولتاژ توسط دو الکترود سنسور که در سراسر لوله قرار دارند دریافت می شود. سرعت جریان سیال به طور مستقیم با دامنه ولتاژ الکتریکی القا شده متناسب است.

سیم پیچ های مورد استفاده برای ایجاد میدان مغناطیسی را می توان با منابع برق AC یا DC تغذیه کرد. با منبع AC سیم پیچ ها با یک سیگنال AC 50 هرتز تغذیه می شوند. این مزیت این است که جریان کمتری نسبت به روش منبع DC از سیستم می گیرد. با این حال، روش تحریک AC مستعد تداخل کابل‌های برق مجاور و ترانسفورماتور های خط است. علاوه بر این رانش نول یک مشکل رایج برای سیستم های AC است و نمی توان آن را کالیبره کرد.

ملاحظات سیستم برای الکترومغناطیسی فلومتر های (magmeters)

• می تواند فقط سیالاتی را با رسانایی بیشتر از 10 µS/cm را اندازه گیری کنند، استفاده از آنها در نفت، روغن و صنایع گاز ممکن نیست زیرا هدایت هیدروکربن ها ضعیف هستند.
• انتخاب سنسور-الکترود بسته به هدایت، ساخت لوله و نوع نصب سیال تغییر می کند.
• بدون تلفات در فشار سیستم که ممکن است در آن حیاتی باشد.
• کاربرد هایی که نمی توانند افت فشار را تحمل کنند مانند کاربرد های با جریان کم سرعت
• ایده آل برای سیالات خورنده و کثیف، دوغاب و… به شرطی که فاز مایع دارای رسانایی کافی باشد زیرا فلومتر هیچ قسمت داخلی ندارد
• دقت بالا تا 1% ± جریان نشان داده شده
• هزینه بالاتر

دبی سنج کوریولیس(Coriolis):

این فلومتر محبوب به طور مستقیم دبی جرمی را اندازه گیری می کند. به صورت یک لوله مستقیم یا به عنوان یک لوله منحنی دوگانه نشان داده شده است. ساخت و نگهداری با یک لوله مستقیم آسان تر است زیرا تحت فشار های کمتری قرار دارد. اما مستعد تداخل و نویز است. با لوله های منحنی دوگانه، هر گونه سر و صدای دریافتی را خنثی می کند زیرا دو لوله در فاز متضاد نوسان می کنند.

فلو متر کوریولیس

حرکت نوسانی لوله ها بر حرکت خطی سیال قرار می گیرد و نیرو های پیچشی روی لوله ها اعمال می کند. این پیچش ناشی از شتاب کوریولیس است که در جهت مخالف در دو طرف لوله ها و مقاومت سیال در برابر حرکت عمودی عمل می کند. الکترود های سنسور که در دو طرف ورودی و خروجی قرار می گیرند، اختلاف زمانی ناشی از این حرکت را دریافت می کنند. این تغییر فاز به دلیل نیروهای پیچشی، اندازه گیری مستقیم دبی جرمی است. شکل زیر نتایج تشخیص را نشان می دهد.

ملاحظات سیستم برای فلومترهای جریان کوریولیس

• اندازه گیری مستقیم اثرات دما، فشار و مشخصات جریان بر اندازه گیری دبی جرمی را حذف می کند.
• دقت بالایی دارد.
• سنسور می تواند اندازه گیری همزمان جریان را انجام دهد.
• سرعت و چگالی به دلیل اساس فرکانس نوسانی لوله(ها) بستگی به چگالی سیال جریان دارد.
• نمی توان دبی سیال را با حباب ذرات (مایع با گاز یا ذرات جامد؛ گاز با حباب های مایع و…) اندازه گیری کرد زیرا چنین ذراتی رطوبت را کاهش می دهند. نوسانات لوله، اندازه گیری دقیق آن را دشوار می کند.

دبی سنج اولتراسونیک شیفت متر داپلر(Ultrasonic flow meter Doppler-shift meter)

همان طور که از نامش پیداست بر اساس اثر داپلر کار میکند. این متر از سنسور های گره انتقال و دریافت تشکیل شده است. انتقال گره یک موج اولتراسوند 0.5 تا 10 مگاهرتز را به داخل منتشر می کند، سیال که با سرعت v در حال حرکت است ذرات یا حباب های سیال به طور همزمان در حال حرکت هستند. با تغییر فرکانس، تفاوت فرکانس بین سونوگرافی ارسالی و دریافتی موج اندازه گیری سرعت جریان است. زیرا این نوع فلومتر اولتراسوند نیاز به بازتاب کافی دارد. ذرات موجود در مایع بسیار خالص سیالات تک فاز کار نمی کند.

اندازه گیر زمان گذرا (Transit-time meter):

در مقابل، اولتراسونیک متر زمان گذرا فقط برای اندازه گیری مایعات یا گاز های بسیار تمیز استفاده می شود. این شامل یک جفت مبدل اولتراسوند است که در امتداد محوری با زاویه ای نسبت به محور جریان سیال نصب شده اند. این مبدل ها که هر کدام از یک جفت فرستنده/گیرنده تشکیل شده اند، به طور متناوب به یکدیگر ارسال می کنند. جریان سیال از طریق لوله باعث ایجاد اختلاف بین زمان های عبور قسمت هایی که در بالا دست حرکت می کنند و پایین دست می شود اندازه گیری این تفاوت در زمان، سرعت جریان عبوری را می دهد.

تفاوت در زمان عبور معمولاً در حد نانو ثانیه است. از این رو، برای انجام این اندازه گیری دقیق الکترونیکی مورد نیاز است، خواه زمان به طور مستقیم اندازه گیری شود یا تبدیل مربوط به اختلاف فرکانس انجام شود. مورد دوم محبوب تر است و شامل یک سیگنال در جهت جریان و خلاف جهت جریان دریافت می شود و شامل تجزیه و تحلیل anFFT از تفاوت فرکانس بین امواج است.

ملاحظات سیستم برای جریان سنج اولتراسونیک

• دبی سنج شیفت داپلر نسبتاً ارزان است.
• جریان سنج زمان عبور یکی از معدود تکنیک های اندازه گیری دوغاب های نارسانا و سیالات خورنده را فراهم میکند.
• مهمترین نقطه ضعف جریان سنج اولتراسونیک وابستگی آن به مشخصات جریان سیال است. برای همان متوسط سرعت جریان، متر می تواند خوانش های خروجی متفاوتی را برای جریان با مشخصات مختلف ارائه دهد.