فلومتر چیست؟

فلومتر چیست؟

فلومتر وسیله‌ای است که برای اندازه گیری و نمایش میزان جریان سیال داخل لوله یا به صورت کلی یک مجرا به کار می‌رود. این اندازه گیری به روش حجمی و جرمی انجام می‌شود.

دسته بندی انواع فلومتر

به طور کلی فلومتر‌ها به 2 روش اندازه گیری جریان را انجام می‌دهند که به همین نام هم شناخته میشوند، که در ادامه به بررسی آنها خواهیم پرداخت و مزایا و معایب هر کدام را بررسی خواهیم کرد:

روش جرمی(فلومترجرمی)

که این دسته شامل انواع فلومتر زیرمیباشد:

1. فلومتر حرارتی 
2. فلومتر کوریولیس

روش حجمی (فلومتر حجمی)

1. فلومتر مغناطیسی
2. فلومتر اولتراسونیک
3. فلومتر ونتوری
4. فلومتر اوریفیس
5. فلومتر روتامتری
6. فلومتر لوله‌ی پیتوت
7. فلومتر زانویی
8. فلومتر ورتکس

 

انواع فلومتر های حجمی

در این روش اندازه گیری جریان به وسیله‌ی میزان سنجش حجم سیال عبوری از سطح مقطع و زمان مشخص انجام می‌شود.

فلومتر مغناطیسی

فلومتر مغناطیسی براساس قانون القای فارادی عمل می کند. بر طبق این قانون اگر یک هادی یا مدار در داخل یک میدان مغناطیسی متغیر قرار بگیرد در داخل سیم یا مدار جریانی ایجاد می شود که به آن جریان القایی می گویند. نحوه‌ی عملکرد فلومتر مغناطیسی به این صورت است که به وسیله‌ی آهنربا  یک میدان مغناطیسی در لوله ایجاد می‌شود. این دبی سنج دارای دو الکترود در دو طرف دستگاه بوده که در جداره‌ی داخلی لوله قرار دارد. با عبور سیال رسانا از داخل لوله‌ای که دارای آستری است، در الکترودها ولتاژی القا می‌شود که این ولتاژ با انجام کالیبراسیون و تنظیمات خاص می‌تواند جهت اندازه گیری میزان فلو سیال به کار برود.
لازم به ذکر است که جنس آستری داخل لوله، معمولاً تفلون (PTFE) و یا NBR است.

 

فلومتر اولتراسونیک

این جریان سنج بر اساس اثر داپلر عمل  می کند و از فرستنده و گیرنده تشکیل شده که بخش فرستنده امواج اولتراسونیک را از خود منتشر می کند. این امواج از سیال عبور کرده و توسط گیرنده دریافت می شود. زمانی که در سرعت سیال تغییری ایجاد شود، میزان فرکانس امواج اولتراسونیک تغییر کرده و گیرنده این تغییرات را دریافت می کند. این میزان تغییرات در فرکانس امواج اولتراسونیک دریافتی می تواند با انجام تنظیمات و کالیبراسیون جهت اندازه گیری میزان فلوی سیال عبوری مورد استفاده قرار بگیرد.

لازم به ذکر است که فرکانس امواج مافوق صوتی که توسط فرستنده ارسال می شود معمولا بین 5/0 تا 20 مگا هرتز قرار دارد. جریان سنج های اولتراسونیک از نظر نوع نصب و قرار گیری به دو نوع گیره ای(Clamp- on) و این لاین (In-line) تقسیم می شوند. امّا بیشتر استفاده از نوع این لاین(In-line) به دلیل دارا بودن دقت بالا توصیه شده و انواع گیره‌ای برای مواردی که به اندازه گیری به صورت موقت نیاز است، توصیه می‌شود.

نحوه‌ی عملکرد فلومتر اولتراسونیک

• D: قطر داخلی لوله
• A،B: ترانسدیوسرها
• V: سرعت سیال
• L: فاصله بین ترانسدیوسرها

 

فلومتر ونتوری

این جریان سنج در دسته ی فلومترهای اختلاف فشاری قرار گرفته و بر طبق قانون برنولی عمل می کند. این قانون بیان می‌کند که با افت فشار، سرعت عبور جریان سیال افزایش پیدا می کند. ساختار این جریان متر به گونه ای است که در مسیر لوله یک حالت فشردگی که به صورت کاهش سطح مقطع لوله است، ایجاد شده که با کاهش فشار ایجاد شده در این قسمت، سرعت سیال افزایش یافته و سپس در طی مسیر با وارد شدن سیال به قسمت دارای اندازه‌ی سطح مقطع اولیه، مسیر عبور سیال به حالت اولیه ورود به فلومتر باز می گردد.

فلومتر اوریفیس

این فلومتر نیز جزء دسته‌ی جریان سنج‌های اختلاف فشاری بوده و از یک صفحه ی اوریفیس تشکیل شده است. این صفحه دارای قطر کمتر نسبت به لوله بوده و به همین دلیل باعث ایجاد اختلاف فشار در دو طرف صفحه‌ی اوریفیس می‌شود. با اندازه گیری فشار در دو طرف صفحه، و تبدیل میزان اختلاف فشار به مقدار فلوی عبوری توسط یک ترانسمیتر، می‌توان مقدار جریان را محاسبه کرد.

کاربردهای جریان سنج اوریفیس

1. صنایع گاز
2. تصفیه آب
3. پالایشگاه نفت
4. پتروشیمی

فلومتر روتامتری

این جریان سنج در دسته‌ی جریان مترهای حجمی بوده و به صورت یک لوله دارای انتهای بسته است که در درون آن یک شناور، عموماً از جنس شیشه، پلاستیک یا فلز قرار دارد. زمانی که سیال از داخل لوله عبور می کند، بخشی از آن وارد روتامتر شده و در نتیجه شناور تغییر وضعیت داده و به سمت بالا و پایین جا به جا می شود. لوله‌ی روتامتر بر روی خود دارای مقیاس مدرج بوده و زمانی که شناور داخل آن در مقابل یک مقدار مشخص از مقیاس مدرج ثابت می شود، نشان دهنده‌ی میزان فلوی عبوری از داخل لوله‌ی جریان است.

فلومتر لوله‌ی پیتوت

این جریان سنج به صورت اختلاف فشاری عمل می کند و دو فشار استاتیک و فشار کلی را با یکدیگر مورد مقایسه قرار می دهد. منظور از فشار استاتیک، فشاری است که از طرف سیال به لوله‌ی پیتوت اعمال شده و به سمت بالا حرکت می‌کند. فشار کلی، مجموع فشار استاتیک و فشار حرکتی است که بر روی ورودی لوله‌ی پیتوت تأثیرگذار است. برای محاسبه‌ی فشار به طور مناسب اکثر جریان سنج های پیتوت به شکل L ساخته می‌شوند.

فلومتر زانویی

این جریان سنج به روش اختلاف فشاری جریان را اندازه گیری می‌کند. ولی اصول عملکرد این فلومتر نسبت به سایر اعضای دسته‌ی فلومترهای اختلاف فشاری بسیار متفاوت است. به دلیل شکل خمیده‌ای که لوله دارد یک نیروی گریز از مرکز در داخل آن ایجاد شده که باعث می شود اختلاف فشار در دو طرف دهانه ی لوله یکسان نباشد. این اختلاف فشار می تواند با انجام کالیبراسیون مورد نظر برای اندازه گیری فلوی سیال عبوری استفاده گردد.

در این روش و بر اساس قانون گریز از مرکز زمانی که آب در یک مسیر دایره‌ای حرکت می کند، نیروی گریز از مرکز به لبه های بیرونی اعمال می شود. در جریان سنج زانویی، نیروی گریز از مرکز به سطح داخلی اعمال شده و با ضرب چگالی مایع در سرعت متناسب است. 

فلومتر توربینی

این فلومترها دارای یک توربین بوده که با عبور سیال از داخل آن به صورت هم جهت با جریان سیال شروع به چرخش می کند. این جریان سنج ها دارای دقت پایین تر نسبت به انواع دیگر جریان سنج ها بوده ولی به دلیل دارا بودن یک عنصر حسگر می‌تواند سرعت بالای عبور سیالات را با کمترین افت میزان فشار اندازه گیری کنند.

فلومتر ورتکس

نحوه ی عملکرد این جریان سنج به این صورت است که یک مانع در مسیر عبور جریان سیال قرار داده شده و در پشت این مانع آشفتگی و ارتعاش ایجاد می‌شود. یک سنسور صنعتی این ارتعاشات را حس کرده و با اندازه گیری فرکانس و تبدیل آن توسط ترانسمیتر، میزان جریان فلو اندازه گیری می‌شود.

فلومترهای جا به جایی مثبت

این جریان سنج دارای یک محفظه بوده که در داخل آن دو چرخ‌دنده قرار دارد. زمانی که سیال وارد محفظه‌ می‌شود، متناسب با سرعت عبور سیال چرخ‌دنده ها شروع به چرخش می‌کنند. یک سنسور و ترانسمیتر میزان چرخش این چرخ‌دنده‌ها را اندازه گیری کرده و تبدیل به میزان فلوی عبوری می‌کند.

انواع فلومترهای جرمی

در این روش اندازه گیری جریان به وسیله‌ی میزان سنجش حجم سیال عبوری از سطح مقطع و زمان مشخص انجام می‌شود.

1. فلومتر حرارتی 
2. فلومتر کوریولیس

فلومتر حرارتی

در این جریان سنج از دو سنسور Pt100 استفاده شده است که یکی از این ها برای اندازه گیری دمای سیال به کار گرفته شده و به عنوان دمای مرجع شناخته می‌شود. به سنسور دیگر گرما می‌دهیم و اختلاف دمای بین دو سنسور به صورت یک ثابت تفاضلی در نظر گرفته می شود. زمانی که جریان سیال برقرار شود سنسور گرما دیده شروع به سرد شدن می‌کند. این کاهش دما متناسب با سرعت جریان سیال است و هرچه سرعت بیشتر باشد افت دمای سنسور گرما دیده بیشتر می‌شود. اتفاقی که در این جا می‌افتد این است که برای حفظ ثابت تفاضلی بین دو سنسور نیاز است تا یک جریان الکتریکی برقرار باشد. با استفاده از اندازه گیری میزان جریان الکتریکی برقرار شده در مدار می توان مقدار فلوی عبوری را اندازه گیری کرد.

فلومتر کوریولیس

جریان سنج های کوریولیس اندازه گیری فلو را به روش جرمی اندازه‌گیری انجام داده و بر اساس قانون اینرسی عمل می کند. نحوه‌ی عملکرد به این صورت است که سیال وارد لوله‌ای می‌شود که توسط یک نوسان ساز در حال ارتعاش است. فرکانس این نوسانات در حالت بدون جریان توسط سنسور دریافت شده و دارای یک شکل موج سینوسی است زمانی که سیال وارد لوله می شود یک شتاب اضافی به لوله وارد شده که به صورت یک نیروی پیچش عمل کرده و فرکانس دستخوش تغییر می‌گردد. سنسور این تغییرات در فاز را حس کرده و می‌تواند از طریق یک ترانسمیتر این تغییر در فاز را تبدیل به میزان فلوی عبوری می کند.

نوسان سازهای این جریان سنج از دو آهنربا تشکیل شده  که با اعمال جریان به سیم‌پیچ ها نیروی جاذبه و دافعه ایجاد می‌‎شود و باعث ایجاد تغییر وضعیت در لوله‌ها می‌گردد. سنسور این ارتعاشات و تغییر وضعیت را حس کرده و زمانی که سیال وارد لوله‎‌ها می شود فرکانس ارتعاشات دچار تغییر شده و تغییرات در ولتاژ خروجی توسط سنسور حس می‌شود که ترانسمیتر آن را به میزان فلوی عبوری تبدیل می‌کند.

رابط اساسی برای اندازه گیری میزان فلوی مایع

Q = V * A

1. Q : جریان مایع داخل لوله
2. V : سرعت متوسط جریان سیال
3. A : سطح مقطع لوله

نام‌های فلومتر در صنعت

در صنعت فلومتر دارای نام های فراوانی مثل: فلو گیج (گیج جریان)، نمایش‌گر فلو، لیکوئید متر، حسگر نرخ جریان و ... بوده و انتخاب هر کدام از نام‌ها وابسته به محل مورد استفاده، در صنعت است.

چطور یک فلومتر انتخاب کنیم؟

انتخاب یک فلومتر خوب، نیازمند شناخت صحیح و واضح از فرآیند یا پروژه است. بنابراین بهتر است برای شناخت طبیعت سیال فرآیند و کلیات مربوط به نصب، زمان کافی صرف شود.

ارائه اطلاعات

اولین قدم برای انتخاب فلومتر مناسب تعیین این نکته است که آیا اطلاعات قرار است به صورت پشت سرهم یا سرجمع ، محلی یا از راه دور ارائه شود. اگر اطلاعات به صورت از راه دور ارائه می‌شود، خروجی آنالوگ است یا دیجیتال؟ حداقل فرکانس مورد نیاز برای به روز رسانی چقدر است؟ زمانی که به این سوالات پاسخ داده شود، نوبت می‌رسد به ارزیابی ویژگی‌ها و شاخص‌های سیال فرآیند و لوله‌ای که قرار است سیال در آن جریان یابد.

نرخ جریان و دقت

قدم بعدی انتخاب فلومتر مورد نظر براساس حداقل یا حداکثر جریانی است که می‌خواهد اندازه گیری کند. بعد از آن دقت جریان اندازه گیری حائز اهمیت است. عموماّ دقت به صورت درصد نسبت واقعی خوانده شده به درصد مقیاس کامل (Full Scale) است. الزامات دقت باید به صورت جداگانه در حداقل، نرمال و حداکثر نرخ جریان مشخص شود و تا زمانی که شما این الزامات را ندانید عملکرد فلومتر ممکن است قابل قبول نباشد.

دقت در مقابل تکرار پذیری

در فرآیندهایی که لوازم و تجهیزات براساس قابلیت اندازه‌گیری‌شان خرید و فروش می‌شوند، دقت مطلق، بسیار حیاتی است. قابلیت تکرارپذیری حتی در مواردی از دقت مطلق مهم تر است. پس توصیه می‌شود که الزامات قابلیت تکرارپذیری و دقت مطلق، مطابق هر فرآیند به طور جداگانه بررسی شده و هر دو در مشخصات فلومتر کنترل شود. 

استفاده از واحد درصد CS و FS این مشکل را دارد که با کاهش نرخ جریان، خطای مطلق اندازه گیری شده افزایش میابد. اگر خطای اندازه‌گیری به صورت درصد مقدار واقعی خوانده شده (%AR) بیان شود، خطای مطلق در همان حالت جریان کم یا زیاد باقی می‌ماند.

سیال و ویژگی های فلو

سیال و فشار دمای آن، میزان افت فشار مجاز ، چگالی، هدایت، ویسکوزیته و فشار بخار در حداکثر دمای کاری آن باید در نظر گرفته شود.علاوه بر آن توضیح این که تا چه حد این عوامل متفاوت بوده و یا بر یکدیگر تأثیر گذار هستند، همچنین سمی یا غیر سمی بودن سیال باید مشخص شود. و همینطور وجود حباب یا جامدات، امکان پوشیده شدن توسط گل و لای، و کیفیت انتقال نور نیز باید ذکر شود.

محدوده‌ی فشار و دما

در نظر داشتن عواملی مانند حداقل و حداکثر فشار و دما، امکان حرکت سیال در جهت معکوس، پوشانده شدن تمامی لوله توسط سیال، امکان بروز حرکت حلزونی، ایجاد پالس، امکان رخ دادن تغییر ناگهانی در میزان دما، ملاحظات مربوط به تعمیر و نگهداری، نیز به هنگام استفاده از دبی سنج ضروری است.

این ها عواملی هستند که باید مدنظر قرار گیرند.

محل نصب و لوله کشی

برای لوله کشی و محلی که قرار است فلومتر در آن جا قرار گیرد اطلاعاتی که در ادامه می‌آید مورد نیاز است:

جهت لوله کشی( برای سیال‌های مایع باید از لوله‌کشی در جهت پایین خودداری کرد)، اندازه، جنس، میزان فشار فلنجی، قابلیت دسترسی، وجود پیچ‌‎های پایین رونده یا بالارونده، شیرها(ولوها)، رگولاتورها.  در ارتباط با محلی که فلومتر قرار است نصب شود، باید مشخص گردد که آیا احتمال وجود میدان مغناطیسی هست؟ نوع سیگنال تغذیه پنوماتیک است یا الکتریکی، آیا منطقه‌ای جداسازی شده برای خطر انفجار وجود دارد؟  این‌ها عواملی هستند که باید در مورد محل نصب فلومتر یا لوله کشی باید در نظر داشت.

Full-Scale از نظر مقدار از Calibrated-span بیشتر است. و یک سنسور با درصد عملکرد به صورت Full-Scale(FS) دارای خطای بیشتری نسبت به نوع با ویژگی Calibrated-Span(CS) است. همچنین توصیه می‌شود که کاربر میزان خطا را نسبت به کل حلقه یا فرآیند مقایسه کند. عدم دقت در صفحۀ اوریفیس مربوط به درصد مقدار واقعی خوانده شده و خطای مربوط به فشار تفاضلی به صورت درصد Calibrated-Span و Full-Scale بیان می‌شود. در فلومترهایی که به خوبی ساخته شده باشد، تمامی ویژگی های مربوط به دقت به صورت درصد مقدار واقعی خوانده شده (%AR) بیان می‌شود این الزامات واقعی خوانده شده دارای مقادیر حداقل، نرمال و حداکثر جریان هستند. تمامی ویژگی ها و مشخصات فلومتر باید به طور واضح، میزان دقت و تکرار پذیری را برای حداقل ، نرمال و حداکثر جریان بیان کند.

فلومتر ثابت بهتر است یا دارای قسمت متحرک؟

در حالت برابر بین دو فلومتری که از نظر دقت و تکرار پذیری دارای عملکرد یکسان هستند ولی یکی از نوع ثابت و دیگری از نوع دارای قسمت متحرک است ترجیحاّ به دلایل واضح و آشکار نوع ثابت آن را انتخاب کنید. دلیل این توصیه وجود مشکلاتی مانند: نیاز به روغن کاری و حساسیت نسبت به وجود گل و لای در سیال، و یک فضای آزاد اضافی که می‌تواند منجر به لغزش فلومتر در سیال شود، همچنین تغییرات دما بر دقت اندازه گیری این نوع فلومتر تأثیر گذاشته و باید برای جبران خطای پیش آمده محاسبات لازم را در نظر گرفت.

فلومتر‌های دارای قسمت متحرک(نوع ورتکس) محصول شرکت یوکوگاوا

اندازه گیری واحد حجمی بهتر است یا جرمی؟

قبل از تهیۀ فلومتر مورد نظر باید نحوۀ اندازه‌گیری فلومتر از نظر حجمی یا جرمی بودن را مشخص کنید. زمانی که جریان سیال متراکم شونده را اندازه گیری می‌کنید، اندازه گیری حجمی تا زمانی که چگالی ثابت نباشد، بی معنی خواهد بود. زمانی که سرعت مایع تراکم پذیر به صورت حجمی اندازه گیری می‌شود وجود حباب باعث بروز خطا خواهد شد بنابراین هوا و گاز باید از قبل از رسیدن سیال به فلومتر پاکسازی شود.

نگهداری از فلومتر

عواملی وجود دارد که بر عمر طولانی و الزامات نگهداری تأثیرگذار هستند. مهم ترین عامل فلومتر مناسب با فرآیند مورد نظر است. بنابراین انتخاب نامناسب فلومتر باعث عمر کمتر این وسیله، در آینده‌ای نزدیک خواهد شد. به طور کلی فلومترهای دارای قسمت متحرک نیاز به توجه و مراقبت بیشتری نسبت به انواع تماماّ ثابت آن دارند.

لوازم و تجهیزات اولیه در فلومترهای تفاضلی نیاز به لوله کشی‌های گسترده ، شیرها و لوازمی جهت اتصال به تجهیزات ثانویه هستند. جایگذاری نامناسب در تجهیزات ثانویه می‌تواند باعث بروز خطا در اندازه گیری شود. انواع بدون تماس مانند فلومترهای مغناطیسی و یا اولتراسونیک می‌توانند باعث افزایش مشکلاتی در ازتباط با تجهیزات ثانویه شوند. بنایراین نیاز به تلاش و صرف زمان بیشتری به هنگام نصب هستند.

در انواع فلومترهای با قسمت متحرک، مخصوصاّ زمانی که سیال مورد اندازه‌گیری دارای ویسکوزیتۀ بالا یا گل و لای باشد، نیاز به بررسی درونی وجود دارد. نصب فیلترهایی در بالای این تجهیزات می‌تواند باعث کاهش خطا شود.

در کاربردهایی که امکان جمع شدن گل ولای هست این مسئله، برای ابزارهای بدون تماس مانند فلومترهای اولتراسونیک و الکترومغناطیسی نیز، مشکلات بالقوه‌ای نیز محسوب می‌شوند. در فلومترهای الکترومغناطیسی، اگر الکترودها برای جلوگیری از پوشیده شدن به وسیلۀ گل ولای نسبت به سیال(مایع) عایق شده باشند، می‌توانند عملکرد فلومتر الکترومغناطیسی را نیز مختل کنند. البته این مشکل با تمیز کردن دوره‌ای نیز قابل حل است.

نمایش ساختار درونی فلومترهای الکترومغناطیسی

فلومترهای الکترومغناطیسی محصول شرکت یوکوگاوا

در مورد فلومترهای اولتراسونیک نیز باید گفت که ممکن است زوایای شکست تغییر کرده و انرژی صوتی جذب شده توسط پوشش باعث از کارافتادن فلومتر شود. 

فلومترهای اولتراسونیک محصول شرکت اندرس-هاوزر آلمان

فلومترهای اولتراسونیک تولیدی شرکت LIQUID METER آمریکا

رایج ترین اشتباهات در انتخاب فلومتر

در کنار اشتباهاتی مانند عدم آگاهی و انتخاب فلومتر نامناسب، انتخاب فلومترهای با قیمت پایین‌تر به جای انواع با کیفیت آن است. چراکه انتخاب فلومترهای نامناسب می‌تواند حتی منجر به تحمیل خسارات بیشتری نسبت به تهیۀ انواع باکیفیت‌تر آن شود.

سایر عوامل جهت انتخاب فلومتر مناسب

در زمان انتخاب یک فلومتر باید یک سری عوامل تأثیر گذار دیگر مانند آشنایی پرسنل با این تجهیزات، تجربه‌ی آن‌ها در کالیبراسیون و نگهداری و قطعات یدکی مورد نیاز این فلومترها در کارخانه را در نظر گرفت. توصیه می‌شود هزینه‌ی نصب را نیز پس از تهیه‌ی فلومتر در نظر گرفت.

نتیجه

در فرآیندهایی که دارای سیال مانند  مایع و گاز هستند اعمال کنترل به طور دقیق، امری ضروری و اجتناب ناپذیر است. ولی انتخاب یک فلومتر مناسب نیازمند دانش و آگاهی لازم و در نظر گرفتن پارامترهای مهم است. در صورتی که فلومتر مورد نظر به درستی انتخاب نشود، می‌تواند باعث بروز خطرات و خسارات زیادی شود.