فلومتر چیست؟ انواع فلومتر (اصول و مبانی ابزار دقیق بخش 7)

فلومتر (Flow meter) یا دبی سنج دستگاه  اندازه گیری است که برای بسیاری از عملکردهای تجاری و صنعتی حیاتی می‌باشد. فلومتر ها کاربردهای زیادی مانند نظارت بر نشت آب، فرآیند تصفیه فاضلاب و موارد دیگر دارند. فلومترها جزء فرآیندهایی هستند که حاوی مایعات، گازها یا بخار هستند. بدون توانایی نظارت بر جریان سیال، اپراتورها اغلب قادر به کنترل خروجی نیستند. دبی سنج ها ایمنی، کارایی و سودآوری کارخانه را از طریق اندازه گیری جریان دقیق و قابل اعتماد بهبود می بخشد.

مبدل های سیالات بر اساس نوع پارامتر قابل اندازه گیری، به سه دسته تقسیم می­ شوند:

• مبدل فشار (فشارسنج صنعتی)
• مبدل سطح (سطح سنج)
• مبدل جریان (فلومتر)

در این مقاله میخواهیم درباره فلومتر یا همان دبی سنج ها صحبت کنیم با ما همراه باشید:

فلومتر چیست؟

فلومتر ابزاری است که برای اندازه گیری جرم خطی یا غیرخطی یا جریان حجمی مایع، گاز یا بخار استفاده می شود. این دستگاه‌ها می‌توانند مایع، گاز یا بخاری را که در داخل آن‌ها جریان می‌یابد در یک بازه زمانی مشخص اندازه‌گیری کنند. آنها همچنین می توانند مقدار کل ماده ای را که از آنها عبور کرده است اندازه گیری کنند. فلو (دبی یا جریان)، مقدار سرعت حرکت یک ماده (سیال) را بیان می ­کند. به تعریف بسیار ساده، دبی (Debi) عبارت است از سرعت جا به جایی سیالات. فلو را می توان به سه صورت بیان کرد:

• فلو حجمی (Volumetric Flow)
• فلو جرمی (Mass Flow)
• فلو سرعت (Velocity Flow)

فلو حجمی (Q)

میزان حجم یك سیال كه از یك نقطه در واحد زمان عبور می کند. واحد آن متر مكعب در ثانیه (m³/s) یا (gal/min) می­ باشد.

فلو جرمی (Q_m)

توانایی سنجش جریان جرمی سیال عبوری را دارا بوده و با واحد جرم در زمان (ثانیه) مثل (kg/s) بیان می­ گردد.

فلو سرعت (Q_v)

در نظر گرفتن تناسب سرعت تغییر یک ماده با سرعت سیال عبوری به سنجش جریان حجمی می انجامد و با واحد m/s معرفی می شود.

این سه كمیت به روش زیر با هم مرتبط می­ باشند:

که در آن ρ چگالی سیال و A سطح مقطع لوله می ­باشد.

فلو می ­تواند به دو صورت آرام و لامینار (Laminar) و یا آشفته (Turbulent) توصیف گردد. در حالت فلو لامینار، سیال به صورت موازی با دیواره های لوله و با لغزش آرام با یك شكل واحد، حركت می­ كند. در صورتی كه در فلو “توربولنت”، سیال در لوله دچار تغییرات ناگهانی شده و چرخش دارد. در هر لحظه و یا در هر نقطه، میزان فلو امکان تغییرات ناگهانی دارد. نوع مبدل نیز می­بایستی بر حسب نوع فلو تغییر کند. گاهی اوقات خود مبدل هم ممكن است تا حدودی موجب ایجاد آشفتگی در جریان سیال گردد.

میزان آشفتگی (یا آرامی) به صورت كمی، توسط عدد رینولدز (Reynolds Number) بیان می­ گردد:

که در آن:

N = عدد رینولدز

Q_v = سرعت فلو

d = قطر لوله

    ρ = چگالی

 µ = ویسكوزیته

می باشد که در N > 4000، فلو آشفته و برای N < 2000، فلو آرام است.

انواع فلومتر و طبقه بندی فلومترها 

نوع سیالی كه فلوی آن اندازه گیری می شود؛ نوع مبدل را تعیین خواهد کرد. از پارامترهایی كه با تغییر نوع سیال، تفاوت قابل توجهی در آن به چشم می خورد، چگالی ماده است. ماده مورد نظر، در یک طبقه بندی، ممكن است هموژن (Homogeneous) و یا قطعه قطعه (Large Chunks) باشد. در تقسیم بندی دیگری، می تواند “عایق” الكتریكی و یا “هادی” جریان الکتریسیته باشد؛ “سوزاننده” و یا “خنثی” باشد. چنین گوناگونی در طبقه بندی مواد، موجب ایجاد گونه های متنوعی از فلومترها شده است.

به صورت كلی، فلومترها را می­ توان در دو گروه اصلی جای داد:

1. فلومترهای انسدادی(Obstruction)
2. فلومترهای غیر تماسی (Non-Intrusive)

در ابتدا این دو دسته را تعریف می کنیم و سپس انواع

1. فلومتر های انسدادی (Obstruction)

قرار گرفتن مانع در مسیر عبور سیال، دو اثر بر جای می­ گذارد. یكی افت فشار در دو طرف مانع که سبب می شود تا فشار در قسمت ورودی افزایش و در قسمت خروجی كاهش پیدا کند؛ و دوم کاهش فلو است. این اتفاق، زمانی روی می دهد كه مقاومتی به صورت سری با یك مدار قرار بگیرد. در نتیجه جریان، موجب افت ولتاژ اطراف مقاومت و نیز كاهش جریان كلی در مدار می­ گردد.فلومتر های انسدادی به شرح زیر می‌باشند:

• فلومتر با صفحه اوریفیس (Orifice Plate)
• فلومتر ونتوری (Venturi Flowmeter)
• فلومتر پیتوت (Pitot Flowmeter)
• فلومتر بیم کانتیلور (Cantilever beam Flowmeter )
• فلومتر روتامتر (Rotameter Flowmeter)
• فلومتر پدالی (Paddle Wheel flow meter)

در ادامه نحوه عملکرد هر کدام از فلومترهای انسدادی را شرح میدهیم:

فلومتر با صفحه اوریفیس

صفحه اوریفیس، ساده ­ترین نوع از فلومترهای گروه اول با مانع است كه موجب افت فشار می­ گردد. در این روش، صفحه ای با یک حفره در آن، بر سر راه عبور سیال قرار داده می ­شود. تغییر فشار در دو طرف صفحه به وسیله یك فشارسنج دیفرانسیلی اندازه گیری می ­شود.

معادله برنولی (Bernoulli’s equation)، پایه و اساس مكانیك سیالات می­ باشد. رابطه بین انرژی سینتیك و پتانسیل در دو نقطه از جریان یك سیال غیر قابل فشرده شدن، عبارت است از:

که در آن:

                  Q = فلو

k = ثابت مشخص شده توسط هندسه اوریفیس و واحد اندازه گیری

P₂ = فشار قسمت قبل از صفحه

P₁ = فشار قسمت بعد از صفحه

توجه داشته باشید كه فلو متناسب است با ریشه دوم افت فشار. بنابراین سیگنال خروجی مبدل فشار به كار گرفته شده در این سیستم، باید به روشی پردازش گردد كه ریشه دوم آن گرفته شود تا سیگنالی که تولید می شود، به صورت خطی با فلو تغییر كند.

مزیت صفحه اوریفیس:

• طراحی و ساخت ساده و نصب آسان
• كاهش هزینه نگهداری به علت طراحی ساده
• مناسب برای انواع سیالات بدون اجرام معلق به کار رفته در آن ها

معایب صفحه اوریفیس:

• خروجی یا اختلاف فشار غیر خطی، در این روش
• خروجی بزرگ تر یا برابر با افت فشار بیش تر و در نهایت، باركردن سیستم
• مسدود شدن صفحه اوریفیس به علت قرارگیری ناگهانی مانع در مسیر سیال

 فلومتر ونتوری

در این روش، به جای مانع ناگهانی در خط جریان سیال، قطر لوله به آرامی كاهش یافته و سپس دوباره افزایش پیدا می ­كند. این روش، پیچیده ­تر و گران قیمت تر از روش اوریفیس می ­باشد ولی در مقابل، خطای سیستم و احتمال گرفتگی لوله نیز کاهش می یابد. در زمان نصب آن، به مجموعه ای از تجهیزات اضافه سیستم لوله كشی، نیاز است.

فلومتر پیتوت

در این روش با به کار گرفتن یك لوله در مقابل جریان سیال و لوله دیگری که به صورت غیرمستقیم در ارتباط با سیال است؛ می ­توان اختلاف فشار ضربه ­و فشار ایستا را كه با فلو ارتباط دارند؛ اندازه­ گیری نمود. این روش برای جریان گازها بسیار مناسب است. هم چنین از این سنسور در برخی از هواپیماها جهت اندازه ­گیری سرعت عبور هوا استفاده شده است. از كاربردهای دیگر این سنسور، می توان به اندازه گیری جریان خون نیز اشاره کرد. اما در كاربردهای صنعتی آن، احتمال مسدود شدن لوله در اثر وجود ذرات در سیال، بسیار بالا است.

 

حركت سیال در یك لوله، نیرویی به هر آن چه در مسیرش وجود داشته باشد، وارد می­ كند که با فلو متناسب می­ باشد. این نیرو را می ­توان برای نشان دادن میزان فلو اندازه گیری نمود. این ایده در فلومترهای نوع بیم کانتیلور (Cantilever beam) و روتامتر (Rotameter) به كار گرفته می شود.

فلومتر بیم کانتیلور 

این روش در شكل زیر نمایش داده شده است. فلو، نیرویی را بر هدف (Target) وارد می ­كند. این نیرو را می­ توان با كرنش سنجی كه روی میله متصل به هدف نصب شده است، اندازه ­گیری نمود. برای جبران حرارت مربوط به سیال، بایستی از چهار كرنش­ سنج استفاده کرد. با استفاده از این روش، فلو در هر دو جهت، قابل اندازه گیری خواهد بود و پلاریته ولتاژ قرائت شده، نشان دهنده جهت جریان سیال خواهد بود.

معایب این روش:

• سیم ارتباطی كرنش سنج را باید از درون لوله به بیرون آن منتقل نمود كه خود این موضوع نیز به روشی مناسب جهت آب بندی آن نیاز دارد.
• در این نوع فلومتر نیز مشكل گرفتگی مسیر جریان، مانند سایر سنسورهایی كه با مكانیزم مانع، كار می­ كنند؛ وجود دارد. پس خرابی هدف نیز محتمل است.
• در این روش نیز افت فشاری اطراف میله ایجاد می شود كه مقدار آن، از روش اوریفیس، پایین تر است.

فلومتر روتامتر

شکل این فلومتر، در انتهای مبحث، مشاهده می شود. فلو به هدف نیرو وارد می کند و در وضعیتی خاص كه نیروی ناشی از فلو با نیروی مقاومت فنر به تعادل برسد، می ­توان جا به جایی فنر را از طریق یك مبدل فاصله مانند LVDT، اندازه گیری نمود كه متناسب با فلو می­ باشد. با توجه به چنین ساختاری در این فلومتر، باید توجه داشت تا این مبدل، هیچ گاه به صورت عمودی نصب نشود.

 

در این فلومتر نیز، افت فشار قابل توجهی وجود دارد كه خود سبب بروز خطا در سیستم اندازه گیری خواهد شد. به جای ایجاد یك حركت یا جا به جایی خطی، می ­توان فلو را با ایجاد دوران، اندازه گیری نمود. با اندازه گیری سرعت دورانی، می توان فلو را مشخص نمود.

فلومتر پدالی

چنان چه در تصویر زیر مشاهده می شود؛ پروانه ای با چهار تیغه كه به انتهای هر کدام از آن ها آهن ربای دائمی متصل است، به گونه ای در مسیر جریان سیال قرار داده شده است كه با عبور سیال به چرخش در می­ آید. در بدنه این فلومتر یك ترانزیستور با اثر هال نصب شده است كه گذر تیغ ها را آشكار می­ كند. این ترانزیستور هر بار كه تیغه مغناطیسی از مقابل آن عبور می ­كند، به حالت اشباع می­ رود. بنابراین خروجی این ترانزیستور به صورت پالس می ­باشد که متناسب با فلو است.

از آنجا كه افت فشار در این فلومتر بسیار كم است، مشكل خاصی در این زمینه وجود ندارد. به این علت که خروجی به صورت پالس است و به آسانی در مدارات دیجیتال و یا میكروكنترلرها قابل استفاده می ­باشد. به دلیل وجود تنها چهار تیغه و در نتیجه چهار پالس در هر دور كامل، برای فلوهای كم، باید به جای شمارش پالس ­ها، فاصله زمانی بین پالس ­ها را اندازه­ گیری نمود.

برای کاهش احتمال ایجاد مانع توسط تیغه ها می ­توان به جای آن ها از یك “مكانیزم توربین شكل” استفاده کرد. در شكل زیر یك نمونه از این فلومترها مشاهده می شود:

در این نوع از فلومتر، دیگر مغناطیس دائم در سر تیغه ها نصب نشده و در مقابل، تیغه ­ها از جنس مواد با رلوكتانس پایین، ساخته می­ شوند و یك پیكاپ مغناطیسی برای آشكارسازی به كار گرفته می شود. هم چنین می­ توان از سنسورهای نوری جهت آشكارسازی چرخش استفاده نمود.

در چنین فلومترهایی كه فلو با فركانس چرخش، متناسب است، كالیبراسیون، به درجه حرارت سیال، ویسكوزیته سیال، افت فشار و توربولان سیال وابسته می شود.

بعضی اوقات، برای ممانعت از شكستن تیغه ها توسط ذرات معلق در سیال، باید از صاف كننده جریان (Straightener) جهت حذف توربولان به همراه یك صافی استفاده کرد.

 

تمامی فلومترهایی كه تا به حال مورد بررسی قرارگرفته اند، به نوعی از انرژی موجود در سیال جهت تولید اثری كه قابل اندازه گیری است، استفاده شده است. به همین دلیل در اندازه گیری فلو با چنین روش هایی می توان موجب كاهش فلو شد.

در زیر، ویدئوهایی از فلومترهای انسدادی اشاره شده را مشاهده می کنید:

2.فلومترهای غیر تماسی (Non-Intrusive) 

در اندازه­ گیری­ های روش غیر تماسی (Non-Intrusive)، سیستم اندازه ­گیری هیچ باری برای سیال ایجاد نمی­ كند.  فلومترهای غیر تماسی شامل فلومتر مغناطیسی (Electromagnetic) و اولتراسونیك (Ultrasonic) می ­باشند. در ادامه بیشتر درباره این دو مدل فلومتر توضیح می‌دهیم.

فلومتر الكترومغناطیسی

اگر سیال مورد نظر تا اندازه قابل قبولی هادی باشد (مانند آب)؛ می­ توان از فلومترهای الكترومغناطیسی استفاده کرد. اصول كار این نوع فلومترها در شكل زیر نشان داده شده است:

در این نوع فلومتر، بایستی قسمتی از لوله كه فلو در آن اندازه گیری می­ شود؛ غیر هادی باشد. نوع مواد استفاده شده در این بخش، به دمای سیال و نیز میزان خورنده بودن آن بستگی دارد.

یك میدان الكترومغناطیسی به صورت عمود بر مسیر جریان سیال قرار داده می ­شود. واضح است که اگر یك هادی، این میدان را قطع كند ولتاژی القایی با زاویه 90 درجه نسبت به میدان و هم جهت با حركت به وجود خواهد آمد. این ولتاژ در حد میكروولت است. جهت استفاده از این ولتاژ القایی، الكترودهایی در دو طرف لوله و در راستای ولتاژ القاء شده نصب می­ گردند. این ولتاژ القایی به صورت خطی، متناسب با سرعت فلو V، شدت میدان مغناطیسی B و قطر لوله D می­ باشد:

از مزایای این نوع فلومتر، می توان به موارد زیر، اشاره کرد:

• عدم افت فشار
• امکان تشخیص جهت جریان
• عدم وجود مانع و عامل مسدود کننده لوله در مسیر عبور سیال

و معایب آن:

• قیمت بسیار بالا
• نكته مهم این است كه سیال باید هادی باشد. تحریك میدان الكترومغناطیس می ­تواند به عنوان یك مشكل قلمداد شود. استفاده از سیگنال AC در مقایسه با سیگنال DC، ولتاژ بالاتری را ایجاد می­ نماید اما این مسئله می­ تواند مشكلاتی از قبیل اثرات خازنی سیال را ایجاد نماید. بنابراین بهترین روش، استفاده از پالس DC می­ باشد كه خود این موضوع نیز، به مدارات تحریك و نیز مدارات اندازه ­گیری پیچیده­ تری نیاز دارد.

با مشاهده ویدئوی زیر، با عملکرد این فلومتر، بیش تر آشنا می شوید:

 

ویدئو (5). چگونگی عملکرد فلومتر الکترومغناطیسی (Electromagnetic)

فلومتر اولتراسونیك

از دیگر روش های اندازه ­گیری فلوی غیرتماسی، می­ توان از عبور امواج اولتراسونیك از میان سیال را نام برد. ساختار یك نمونه از این روش، در شكل زیر نشان داده شده است:

در این روش، مبدل­ های به كار رفته، كریستال­ های پیزوالكتریك هستند كه هم قابلیت فرستندگی و هم قابلیت گیرندگی سیگنال­ های اولتراسونیك را دارا می باشند. این مبدل­ ها با زاویه 45 درجه نسبت به مسیر جریان قرار می­ گیرند. هر كدام از آن ها می تواند یك فركانس را ارسال کند. سیگنالی كه زمانی هر چند کوتاه را با فلو هم مسیر می­ شود، با فركانس بالاتری نسبت به فركانس فرستنده خود به گیرنده می­ رسد. به همین ترتیب، سیگنالی كه در خلاف مسیر جریان است؛ دارای فركانس كم تری خواهد بود. این اختلاف فركانس در گیرنده، به صورت مستقیم با سرعت سیال متناسب می­ باشد.

• فلومترهای اولتراسونیك را می­ توان برای سیالات غیرهادی و یا حتی گازها به كار برد.
• این فلومترها نیز هیچ گونه مانعی بر سر راه عبور سیال ایجاد نمی ­كنند و برای نصب آن ها به آسانی می توان فلومتر را از بیرون لوله متصل نمود كه چنین اندازه گیری برای اندازه گیری­ های موقت بسیار مفید می ­باشد.
• از عمده نقاط ضعف فلومترهای اولتراسونیك می ­توان بالا بودن بیش از اندازه قیمت (البته کم تر از نوع مغناطیسی) آن ها را دانست.

ویدئوی زیر، دریافت پررنگ تری از عملکرد فلومتر اولتراسونیک به دست می دهد:

 

سخن پایانی

در این مقاله سعی کردیم در ابتدا تعریفی از فلو و انواع آن را ارائه نماییم سپس فلومتر ها را به دو دسته کلی فلومترهای انسدادی و فلومتر های غیر تماسی تقسیم کردیم. در هر دسته چند نوع دبی سنج را به همراه نحوه عملکرد آن توضیح دادیم، فلومترهایی مانند فلومتر پدالی، فلومتری روتامتر و غیره در دسته فلومترهای انسدادی قرار میگیرند و فلومتر مغناطیسی و فلومتر اولتراسونیک در دسته فلومترهای غیر تماسی قرار گرفته اند. هر کدام از انواع دبی سنج ها با توجه به شرایط فرآیند و پارامترهای همچون نوع سیال، قطر لوله، سرعت فلو و غیره انتخاب می‌شوند.