فلومتر Flowmeter
ﺟﺎﺑﺠﺎ ﺷﺪن ﺣﺠﻢ ﺳﯿﺎﻟﯽ از ﯾﮏ ﻧﻘﻄﻪ ﺑﻪ ﻧﻘﻄﻪ ي دﯾﮕﺮ را ﺟﺮﯾﺎن ﺳﯿﺎل ﮔﻮﯾﻨﺪ. اﻣﺎ ﺗﻌﺮﯾﻒ ﮐﻤﯽ ﺟﺮﯾﺎن ﺳﯿﺎل ﻋﺒﺎرﺗﺴﺖ از: ﻣﻘﺪار ﺣﺠﻢ ﻋﺒﻮري ﺳﯿﺎل از ﯾﮏ ﻣﻘﻄﻊ ﻣﻌﯿﻦ در واﺣﺪ زﻣﺎن.
واﺣﺪ ﺟﺮﯾﺎن ﺑﺮاي ﮔﺎز، ﻣﺘﺮ ﻣﮑﻌﺐ ﺑﺮ ﺳﺎﻋﺖ ﻣﯽ ﺑﺎﺷﺪ. اﻧﺪازه ﮔﯿﺮي ﺟﺮﯾﺎن ﺑﻪ دو ﻋﺎﻣﻞ ﺑﺴﺘﮕﯽ دارد:
Q=A×V
ﺳﻄﺢ ﻣﻘﻄﻊ ﺟﺮﯾﺎن ﻋﺒﻮري=A
ﺳﺮﻋﺖ ﻋﺒﻮر ﺳﯿﺎل =V
همانطور که بررسی اندازه‌گیری فلو مستلزم یک درک درست از چگونگی جریان یافتن سیال می‌باشد، سیستم‌های ابزاردقیق نیز باید عمل سنجش را با توجه به پروفایل فلوی سیالات انجام دهند. حرکت سیالات ممکن است با یک الگوی صاف، با الگوی آشفته یا متلاطم، و یا ترکیبی از این دو الگو باشد. شکل زیر مقایسه‌ای از این سه نوع فلو را نمایش می‌دهد: فلو آرام (Laminar flow)، فلومتلاطم (Turbulent flow)، و فلو انتقالی (Transitional flow).
ویسکوزیته (Viscosity)
ویسکوزیته خاصیتی است که مقدار آزادی فلو سیال را تعیین می‌کند. همچنین، می‌توان گفت که ویسکوزیته خاصیتی از سیال می‌باشد که در مشخصات فلو آرام یا متلاطم اثرگذار است. مایعات دارای درجات مختلفی از ویسکوزیته هستند. این تنوع ویسکوزیته ناشی از اصطکاک داخلی بین ذرات ماده است. اگر مولکول‌ها به راحتی بر روی یکدیگر بلغزند، ماده دارای یک ویسکوزیته‌ی نسبتاً کم است. یک ماده با ویسکوزیته‌ی بالا، دارای یک مقاومت بالا برای فلو می‌باشد. آب و نفت دو ماده با ویسکوزیته های متفاوت می‌باشند. آب آزادانه جاری می‌شود، در حالی که نفت به آرامی جاری می‌گردد.
اثر دما بر روی ویسکوزیته (Effect of Temperature on Viscosity)
درجه‌ی حرارت اثر قابل توجهی بر روی ویسکوزیته‌ی یک ماده دارد. تغییرات نسبتاً کوچک در درجه حرارت می‌تواند تغییرات قابل توجهی را در ویسکوزیته‌ی یک سیال ایجاد کند. به طور کلی، تغییرات درجه حرارت دارای یک اثر معکوس بر روی ویسکوزیته است. اگر درجه حرارت یک سیال کاهش یابد، ویسکوزیته‌ی آن افزایش خواهد یافت. از طرف دیگر، اگر درجه حرارت سیال افزایش یابد، ویسکوزیته‌ی آن کاهش می‌یابد. برای مثال، اگر یک ظرف پر از شیره‌ی قند را که در دمای اتاق قرار دارد، در داخل یخچال بگذاریم، ویسکوزیته‌ی آن افزایش یافته و با وارونه کردن آن سخت‌تر از داخل ظرف به بیرون ریخته می‌شود. با این حال، اگر شیره‌ی قند را گرم کنیم، ویسکوزیته‌ی آن کاهش خواهد یافت.
عدد رینولدز (Reynolds Number)
اغلب اوقات، فلو را بر حسب سرعت اندازه‌گیری می‌کنند. بنابراین، زمانی که بخش‌های مختلف فلو در سرعت‌های متفاوتی حرکت می‌کنند، دقت اندازه‌گیری تحت تأثیر قرار می‌گیرد. علاوه بر این، همانطور که قبلاً گفته شد، پروفایل فلو به مجموعه‌ای از عوامل وابسته است که از آن جمله می‌توان نیروهای مقاومت کننده در برابر فلو و نیروهایی که در حفظ حرکت فلو در یک نرخ ثابت اثرگذارند را نام برد. رابطه‌ی بین این نیروها توسط عدد رینولدز بیان شده است. عدد رینولدز در واقع، یک نسبت از نیروهای اینرسی به نیروهای چسبنده‌ی مخصوص شرایط فلو است.
اندازه‌گیری فلو
اندازه‌گیری فلوی یک ماده نیازمند فهم و شناخت کامل جزئیات فرآیند و ماده‌ی تحت اندازه‌گیری می‌باشد. کاربردهای فرآیند ممکن است شامل فلوی گازها، مایعات، جامدات، و یا ترکیبی از اینها باشد. این مواد با توجه به ماهیت فرآیند ممکن است در میان لوله‌ها و یا کانال‌ها جاری شوند. دو عامل مهم که مناسب‌ترین روش برای اندازه‌گیری فلوی یک کاربرد را تعیین می‌کنند، مقدار فلو و نوع ماده‌ی تحت اندازه‌گیری می‌باشد.
اُریفیس پلیت (Orifice Plate)
رایج‌ترین و ساده‌ترین المانی که برای تولید اختلاف فشار به کار می‌رود، اریفیس پلیت می‌باشد. اریفیس پلیتها به سادگی ساخته، نصب، بازرسی، و در صورت خرابی جایگزین می‌شوند. همچنین، سادگی این المان باعث می‌شود که اگر نیاز به تغییراتی در نرخ فلو باشد، به آسانی بتوان آن را تعویض و جایگزین کرد.
اریفیس پلیت معمولاً از فولاد ضد زنگ (Stainless steel) ساخته می‌شود. این المان با توجه به یک شکل و سایز قبلاً تعیین شده و مطابق با یک خطای مجاز خاص توسط یک دستگاه برش ساخته شده، و سپس به صورت عمودی در مسیر فلوی فرآیند قرار می‌گیرد. این کار باعث می‌شود که سایز جریان سیال به طور ناگهانی کاهش یافته و یک محدودیت فشار ایجاد شود. حال، به منظور اندازه‌گیری فلو، فشار تفاضلی به وجود آمده را بواسطه‌ی Tap های فشار قرار گرفته در بالادست (Upstream) و پایین دست (Downstream) اریفیس پلیت اندازه‌گیری می‌کنند.
رایج‌ترین نوع اریفیس پلیت، اریفیس پلیت متحدالمرکز (Concentric) می‌باشد. این نام گذاری به این دلیل است که دایره‌ی صفحه و سوراخ هر دو با هم متحدالمرکز می‌باشند. این طراحی برای مایعات تمیز مناسب است. هنگام استفاده از این نوع اریفیس پلیت، یک سوراخ دایره‌ای شکل دقیقاً در وسط صفحه ایجاد می‌شود، به طوری که وقتی صفحه در داخل لوله نصب می‌گردد، سوراخ در وسط لوله قرار می‌گیرد. برای به حداقل رساندن خطاهای ناشی از تجمع مواد جامد در پشت اریفیس می‌توان از یک اریفیس پلیت با سوراخ خارج از مرکز (Eccentric) استفاده کرد. اریفیس پلیت خارج از مرکز به گونه‌ای در داخل لوله قرار می‌گیرد که قسمت پایین سوراخ آن با دیواره‌ی داخلی لوله تراز بوده، و اجازه می‌دهد مواد جامد از میان اریفیس پلیت عبور کند. برای کاربردهای گاز، این اریفیس پلیتها را به گونه‌ای نصب می‌کنند که سوراخ مذکور در بالای لوله قرار گیرد.
تيوب ونچوری (Venturi Tube)
یکی دیگر از المان‌هایی که به طور گسترده برای ایجاد اختلاف فشار در خطوط لوله استفاده می‌شود، تیوب ونچوری می‌باشد تیوب ونچوری نیز مانند اریفیس پلیت یک محدودیت و در واقع، تنگی را در مسیر فلو قرار می‌دهد. تیوب‌های ونچوری متشکل از یک ورودی مخروطی همگرا، یک گلوگاه استوانه‌ای، و یک مخروطی بازیافت واگرا می‌باشند.
با استفاده از تیوب ونچوری، سرعت سیالی که از ورودی عبور می‌کند، به تدریج و به آرامی افزایش می‌یابد. این امر منجر به یک افزایش سرعت و یک کاهش فشار استاتیک می‌شود. گلوگاه استوانه‌ای در جایی قرار گرفته است که نرخ فلو در آن پایدار بوده، و فشار استاتیک کاهش یافته است. سپس، در مخروطی بازیافت واگرا، فشار استاتیک بازیافت شده و افزایش می‌یابد. برای اندازه‌گیری فشار تفاضلی در تیوب ونچوری، معمولاً تپ فشار بالا در فاصله‌ی نصف قطر لوله و در بالادست مخروطی ورودی، و تپ فشار پایین دقیقاً در وسط گلوگاه قرار می‌گیرد.
دیواره‌ها و گلوگاه تیوب‌های ونچوری کاملاً صاف و صیقلی بوده، و به گونه‌ای طراحی شده که هیچ پیچ و خم ناگهانی ندارد. این دو فاکتور سبب می‌شود که از گیر کردن جامدات معلق در سیال جلوگیری شود. این نوع طراحی و خصیصه‌های گفته شده سبب می‌شود که در اندازه‌گیری سیالات کثیف و دوغاب‌ها که احتمال تجمع مواد در جلوی اریفیس پلیت و گرفتگی آن وجود دارد، استفاده از تیوب ونچوری مناسب‌تر باشد.
فلو نازل (Flow Nozzles)
یکی دیگر از المان‌های تولید کننده‌ی اختلاف فشار که به همراه فلومترهای فشار تفاضلی به کار می‌رود، فلو نازل می‌باشد. فلو نازل یک المان محدود کننده‌ی فلو می‌باشد که از یک ورودی با انحنای بیضی شکل و یک گلوگاه استوانه‌ای تشکیل شده است.
برای اندازه‌گیری اختلاف فشار استاتیک ایجاد شده توسط فلو نازل، معمولاً تپ فشار بالا را در فاصله‌ی یک برابر قطر لوله و در بالادست، و تپ فشار پایین را در فاصله‌ی نصف قطر لوله و در پایین دست نقطه‌ی ورودی نازل قرار می‌دهند.
در کاربردهای اندازه‌گیری فلوی بخار آب و دیگر سیالات پر سرعتی که می‌توانند باعث ایجاد فرسایش و خطای اندازه‌گیری شوند، فلو نازل مناسب‌ترین کارایی را دارد. بر خلاف اریفیس پلیت، میزان دقیق انحنای فلو نازل فاکتور مهمی در اندازه‌گیری نمی‌باشد. بنابراین می‌توان انتظار داشت که کالیبراسیون دقت (Precise) فلو نازل بیشتر از اریفیس پلیت باقی بماند. فلو نازل‌ها نیز مانند تیوب‌های ونچوری برای کاربردهایی از فرآیند که با دوغاب‌ها سر و کار داریم، مناسب می‌باشند.
تپ زانویی (Elbow-Tap)
تپ زانویی بر این اساس عمل می‌کند که وقتی یک سیال گرداگرد یک مسیر منحنی حرکت می‌کند، شتاب آن یک نیروی گریز از مرکز را ایجاد خواهد کرد. یک زانویی معمول در شكل زیر نشان داده شده است، در عمل، نیروی گریز از مرکز باعث می‌شود که فشار قسمت خارجی زانویی بیشتر از فشار قسمت داخلی آن شود. به این ترتیب، فشار تفاضلی ایجاد شده، با مربع فلوی عبوری از زانویی متناسب می‌باشد.
با قرار دادن تپ‌های فشار در هر دو طرف یک زانویی، می‌توان فشار تفاضلی را اندازه‌گیری و نرخ فلو را تعیین کرد. مزیت بزرگ فلومترهایی که با تپ زانویی کار می‌کنند، نصب آسان و راحت آنها می‌باشد، زیرا پیکربندی اکثر لوله کشی‌ها شامل چندین زانویی بوده، و نصب تپها بر روی آنها بسیار مقرون به صرفه است. همچنین، هنگامی که تپها را بر روی یک زانویی که قبلاً در لوله کشی وجود داشته قرار دهیم، در واقع هیچگونه افت فشار اضافی را به سیستم تحمیل نمی‌کنیم. با این حال، تپ زانویی نسبت به دیگر المان‌های ایجاد کننده‌ی اختلاف فشار، دقت کمتری را ارائه می‌دهد. علاوه بر این، تپ‌های زانویی فشار تفاضلی نسبتاً کمی را ایجاد نموده و ممکن است در مواردی که با سیالاتی با سرعت کم سر و کار داریم، مناسب نباشد.
تیوب پیتوت (Pitot Tube)
اساس، یک تیوب پیتوت عبارت است از دو تپ فشار که در جریان فلو قرار گرفته‌اند. تپ فشار پایین عمود بر مسیر فلو قرار گرفته و فشار استاتیک را اندازه‌گیری می‌کند. تپ فشار بالا نیز دقيقة در مسیر جریان فلو قرار می‌گیرد، به نحوی که دهانه‌ی تپ مستقیماً روبه روی مسیر فلو می‌باشد. با اندازه‌گیری فشار تفاضلی ایجاد شده توسط تیوب پیتوت، می‌توان نرخ فلو را محاسبه کرد.
با استفاده از تیوب پیتوت، یک افت فشار ناچیز در جریان فلو ایجاد می‌شود. با این حال، نصب و قرار گرفتن مناسب آن در مسیر جریان فلو کار سختی بوده، و در مواردی که با دوغاب‌ها سر و کار داریم، احتمال گرفتگی تپها بسیار زیاد است.
فلومترهای مغناطیسی (Magnetic Flowmeters)
از فلومترهای مغناطیسی به طور گسترده‌ای برای اندازه‌گیری نرخ فلوی سیالات رسانا استفاده می‌شود. تکنولوژی‌های جدیدی که در ساخت این دستگاه‌ها به کار می‌رود، نصب این نوع Flowmeter را آسان کرده، و در اغلب موارد، به نسبت طرح‌های دیگر آنها را مقرون به صرفه‌تر کرده است. یکی از مزایای این نوع از دستگاه‌های اندازه‌گیری این است که عملاً هیچ مانعی را در مسیر سیال ایجاد نمی‌کنند.
از این رو، در فرآیندهایی که با مایعات حاوی مواد جامد و یا سیالات دارای ویسکوزیته بالا سر و کار داریم، استفاده از این نوع Flowmeter بسیار مناسب می‌باشد. مهم‌ترین کاربردهای این فلومترها عبارت است از، اندازه‌گیری فلو لجن در تصفیه خانه‌های فاضلاب، اندازه‌گیری فلو دوغاب‌ها در عملیات استخراج معدن، و اندازه‌گیری فلو فلزات مایع در فرآیندهای صنعتی مختلف.
فلومترهای مغناطیسی هیچ افت فشاری را در مسیر سیال ایجاد نمی‌کنند. از اینرو، سرعت فلوبه طور مستقیم اندازه‌گیری شده و تغییرات چگالی بر روی صحت اندازه‌گیری آنها هیچ تأثیری ندارد. بعلاوه، این دستگاه‌های اندازه‌گیری از محدودیت‌ها و قیود عدد رینولدز آزاد می‌باشند، به طوری که می‌توان از این فلومترها برای اندازه‌گیری سرعت مایعات با هر پروفایل فلو استفاده کرد.
به طور کلی، فلومترهای مغناطیسی دستگاه‌های اندازه‌گیری دقیق و قابل اعتمادی می‌باشند که هیچگونه مزاحمتی برای سیستم ایجاد نمی‌کنند. اغلب، حتی بدون اینکه نیازی به متوقف کردن فرآیند باشد، می‌توان این نوع Flowmeter را سرویس و تعمیر کرد. علاوه بر این، از آنجایی که خروجی این فلومترها از نوع الکتریکی می‌باشد، با سیستم‌های کنترل الکترونیکی سازگار هستند.
فلومترهای مغناطیسی AC (AC Magnetic Flowmeters)
فلومترهای مغناطیسی جریان متناوب (AC)، میدان مغناطیسی را با استفاده از یک جریان AC ایجاد می‌کنند.
هنگامی که برای سنجش فلو از انواع Flowmeter AC استفاده می‌شود، باید دو مشکل را در نظر گرفت. اولین مشکل، اعوجاج و تداخل سیگنال ناشی از ولتاژها یا نویزهای خارجی می‌باشد. نویز ممکن است در سیستم القاء شده و یا از قبل در آن وجود داشته باشد. از آنجایی که ولتاژهای القاء شده توسط میدان مغناطیسی در مقایسه با ولتاژهای خارجی نسبتاً کوچک است، صحت اندازه‌گیری می‌تواند به طور جدی تحت تأثیر قرار گیرد.
نویز ممکن است در دستگاه اندازه‌گیری و یا در داخل فرآیند تولید شود. به عنوان مثال، ممکن است به دلیل اینکه در بالادست، مایع در معرض یک منبع تداخل الكترومغناطیسی قرار گرفته، از قبل حاوی ولتاژ القاء شده باشد، و یا بر اثر سایش و اصطکاک، یک بار الکتریکی استاتیک تولید شود. ولتاژهای تولید شده توسط این نویزها، بوسیله‌ی الکترودها برداشت شده و خطای قابل توجهی را در اندازه‌گیری ایجاد می‌کند. این قبیل منابع نویز را می‌توان با تنظیم صفر دستگاه اندازه‌گیری تا حدودی حذف کرد. تنظیم صفر باید زمانی انجام شود که Flowmeter پر از مایع فرآیندی باشد که در وضعیت فلوی صفر قرار دارد.
کم شدن حساسیت الکترودها دومین مشکلی است که می‌تواند بر صحت اندازه‌گیری فلومترهای AC تأثیر نامطلوبی داشته باشد. عموماً سه فاکتور باعث کاهش حساسیت الکترودها می‌شوند که عبارتند از: 1- پوشیده شدن الکترودها از مواد غیر رسانا 2- الکترولیز شدن الکترودها بر اثر فرآیند 3- چسبیدن مواد فرآیند بر روی الکترودها. تجمع مواد بر روی الکترودها معمولاً به آرامی رخ می‌دهد، اما اثرات آن در طول زمان می‌تواند قابل توجه باشد.
برخی از فلومترهای مغناطیسی موجود، مجهز به الکترودهای قابل برداشتن می‌باشند. این ویژگی اجازه می‌دهد که بدون اینکه نیازی به دمونتاژ کردن فلومتر باشد، بتوان به طور دورهای الکترودها را بازرسی کرده و تمیز کاری نمود. همچنین، برای زدودن مواد غیر رسانای جمع شده بر روی الکترودها بدون نیاز به باز کردن سیستم، از سیستم‌های تمیز کننده‌ی اولتراسونیک موجود نیز می‌توان استفاده کرد.
فلومترهای مغناطیسی DC (DC Magnetic Flowmeters)
فلومترهای مغناطیسی جریان مستقیم (DC)، میدان مغناطیسی را با استفاده از یک جریان DC ایجاد می‌کنند. در شکل زیر، آرایش معمول یک فلومتر مغناطیسی DC نشان داده شده است. هنگامی که مایع از میان میدان مغناطیسی عبور می‌کند، در داخل مایع یک ولتاژ القاء می‌شود. این ولتاژ توسط الکترودها برداشت می‌شود. ولتاژ اندازه‌گیری شده معرف مجموع ولتاژ القاء شده در مایع و نویز موجود در سیستم می‌باشد. برای از بین بردن اثرات نویز، باید زمانی که فرآیند هیچ فلویی نداشته و الکترودها تنها ولتاژهای خارجی را حس می‌کنند، دستگاه را صفر (Zero) کرد. با این کار، زمانی که فلوی مایع برقرار شود، ولتاژ خروجی فلومتر تنها ولتاژ ناشی از فرآیند را نمایش خواهد داد.
یکی از مزیت‌های فلومترهای مغناطیسی DC این است که با پوشیده شدن الکترودها دچار خطا نمی‌شوند. در این نوع Flowmeter، تا زمانی که حساسیت الکترودها به اندازه‌ی کافی بالا بماند، عملکرد آنها نیز نسبتاً بدون تغییر خواهد بود. فلومترهای مغناطیسی DC ظریف و کوچکی نیز موجود است که استفادهی گسترده‌ای دارند. این فلومترها وزن کمی داشته و توان مصرفی پایینی دارند.
فلومترهای حرارتی (Thermal Flowmeters)
در فلومترهای حرارتی، نرخ فلو معمولاً با دو روش اندازه‌گیری می‌شود. یکی این از روش‌ها، قرار دادن یک المان داغ در مسیر جریان فلو و مانیتور کردن اثر خنک سازی آن توسط فلو می‌باشد. روش دیگر، انتقال انرژی گرمایی بین دو نقطه که در طول مسیر فلو قرار داده شده‌اند، می‌باشد. بادسنج‌های رشته‌ای حرارتی (Hot wire anemometers) و فلومترهای گرماسنجی (Calorimetric Flowmeters) دو نوع معمول و رایج از از نوع Flowmeter حرارتی می‌باشند.
از هر دو نوع این فلومترها می‌توان برای اندازه‌گیری نرخ فلوی جرمی استفاده کرد، که این امر هر دو نوع این نوع Flowmeter را خصوصاً برای کاربردهای گاز بسیار مناسب می‌کند. با این حال، هیچ یک از این دستگاه‌های اندازه‌گیری در گروه فلومترهای جرمی قرار نمی‌گیرند، چرا که آنها نمی‌توانند جرم را مستقیماً اندازه‌گیری کنند. البته می‌توان بواسطه‌ی رفتار حرارتی و خواص سیال مقدار جرم را استنتاج کرد.
بادسنج‌های رشته‌ای حرارتی (Hot Wire Anemometers)
بادسنج‌های رشته‌ای حرارتی دارای دو پروب هستند که در داخل فلوی فرآیند قرار داده می‌شوند. این پروبها معمولاً در داخل یک مدار پل قرار می‌گیرند. یکی از پروبها با یک دمای خاص گرم می‌شود، و پروب دوم وظیفه‌ی اندازه‌گیری دمای سیال را به عهده دارد. چنانچه فلو افزایش یابد، پروب گرم شده مقداری از حرارت خود را از دست می‌دهد. در نتیجه، برای نگه داشتن پروب در دمای صحیح، نیاز به جریان بیشتری می‌باشد. این افزایش جریان نشان دهنده‌ی انرژی مورد نیاز برای جبران تلفات حرارتی پروب است که به دلیل تغییرات فلوی سیال رخ می‌دهد. از اینرو، می‌توان تغییرات به وجود آمده در جریان را اندازه‌گیری کرده و با استفاده از مقدار اندازه‌گیری شده نرخ فلوی جرمی را محاسبه کرد.
عملکرد مناسب این فلومترها مستلزم این است که رسانایی گرمایی (توانایی هدایت گرما از پروب به سیال) و ظرفیت حرارتی (مقدار گرمایی که به یک جرم معین داده می‌شود تا دمای آن به یک میزان مشخص افزایش یابد) را ثابت فرض کنیم.
فلومترهای گرماسنجی (Calorimetric Flowmeters)
فلومترهای گرماسنجی بر اساس انتقال حرارت توسط فلوی سیال کار می‌کنند. به طور معمول، این فلومترها متشکل از چندین المان می‌باشند که به طور متوالی در امتداد مسیر فلو قرار داده شده‌اند. شکل زیر این پیکربندی را نشان می‌دهد. همانطور که مشاهده می‌کنید، در مسیر فلویک المان گرمایشی (Heating element) قرار گرفته است. یکی از سنسورها (RTD) دمای بالادست دستگاه را سنجیده، و سنسور دوم دمای پایین دست المان گرمایشی را اندازه‌گیری می‌کند. اختلاف این دو دما نرخ فلو را تعیین می‌کند.
با فرض داشتن یک توان ورودی ثابت، می‌توان گفت که این اختلاف دما یک تابع خطی از فلوی جرمی و ظرفیت حرارتی می‌باشد. در نتیجه، این فلومترها پس از کالیبره شدن می‌توانند مستقیمأ فلوی جرمی را نمایش دهند.
از فلومترهای حرارتی تنها در مواردی می‌توان استفاده کرد که ظرفیت حرارتی سیال معلوم باشد. این سیالات معمولاً گازهای تمیز یا مخلوطی از گازهای خالص و تمیزی می‌باشند که ترکیب مشخصی دارند، به طوری که ظرفیت حرارتی مشخصی داشته که در حین عملکرد فلومتر نیز تغییر نمی‌کند. استفاده از این فلومترها در کاربردهای اندازه‌گیری فلوی مایعات رواج کمتری دارد، زیرا ناخالصی مایعات عموماً از ناخالصی گازها بیشتر است.
فلومترهای حرارتی می‌توانند فلوی سیالاتی تا دمای 450 درجه سلسیوس را اندازه‌گیری کنند، هر چند اغلب دارای رنج دمایی بین 100 و 150 درجه سلسیوس می‌باشند. معمولاً مقدار نامی فشار این این نوع Flowmeter بواسطه‌ی مقدار نامی فلنجها و اتصالات محدود می‌شود.
سطوح رسانای فلومترهای حرارتی به مرور زمان آلوده می‌شوند، که برای حفظ عملکرد مناسب دستگاه، باید به طور دورهای تمیز کاری شوند. علاوه بر این، فلومترهای حرارتی به رسانایی گرمایی بین پروبها و سیال حساس هستند و هر گونه تغییر در این فاکتور، اندازه‌گیری را تحت تأثیر قرار می‌دهد. بنابراین، معمولاً از این دستگاه‌ها در سرویس‌هایی که با سیالات ساینده سر و کار داریم، استفاده نمی‌شود، زیرا در این کاربردها احتمال فرسودگی و خورده شدن سنسورها بسیار زیاد است. خوب است بدانید انواع Flowmeter حرارتی خاصی نیز وجود دارد که سنسورهای آنها قابل تعویض است.
فلومترهای اولتراسونیک (Ultrasonic Flowmeters)
فلومترهای اولتراسونیک بر اساس اندازه‌گیری سرعت صوتی که از میان جریان فلوی درون یک لوله عبور می‌کند، کار می‌کنند. برخی از طرح‌های این فلومترها اجازه می‌دهد که عمل اندازه‌گیری از خارج لوله انجام شود، در حالی که در برخی دیگر لازم است که سنسور با جریان فلو در تماس باشد. به این ترتیب، ممکن است سنسور توسط گیره و بست (Clamp) بر روی لوله محکم بسته شده و یا اینکه در داخل یک قسمت از لوله نصب شده باشد.
فلومترهای اولتراسونیک برای اندازه‌گیری فلوی درون یک لوله از امواج صوت و یا ارتعاشات استفاده می‌کنند، به طوری که عمل اندازه‌گیری مبتنی بر زمان پرواز (Time of flight) امواج صوت انجام می‌شود. پالس‌ها در امتداد و بر خلاف فلوی سیال انتقال می‌یابند. این پالس‌ها به صورت زاویه دار در داخل لوله حرکت می‌کنند. در این نوع Flowmeter از دو ترانسدیوسر استفاده می‌شود که یکی از آنها در بالادست دیگری قرار می‌گیرد. زمان انتقال پر تو اولتراسونیک اندازه‌گیری شده و برای محاسبه‌ی فلوی عبوری از میان لوله استفاده می‌شود.
در فلومترهای اولتراسونیک معمولاً از دو نوع ترانسدیوسر استفاده می‌شود: 1- ترانسدیوسرهای گیرهای (Clamp-on) 2- ترانسدیوسرهای داخلی (Inserted). ترانسدیوسرهای گیرهای بر روی سطح بیرونی لوله نصب می‌شوند. از آنجایی که این ترانسدیوسرها در تماس با سیال فرآیند نیستند، نیازی به توجه به مواد سازنده‌ی آنها نیز نمی‌باشد. ترانسدیوسرهای گیرهای نسبت به ترانسدیوسرهای داخلی عملکرد سریع‌تری دارند. این بدان دلیل است که در هنگام استفاده از ترانسدیوسرهای گیرهای، انعکاس صوت از گیرنده دور بوده، و همچون ترانسدیوسرهای داخلی که روبروی یکدیگر قرار دارند، گرفتار تغییر انعکاس نمی‌شوند.
ترانسدیوسرهای اولتراسونیک نوع داخلی که در تماس با سیال فرآیند می‌باشند، نسبت به نوع گیرهای دقت بیشتری دارند. تماس مستقیم با مایع سبب می‌شود که این ترانسدیوسرها نسبت سیگنال به نویز بالایی را از خود نشان دهند. با این حال، تغییرات سرعت صوت که ناشی از تغییرات خواص سیال فرآیند می‌باشد، بر روی عملکرد فلومتر تأثیرگذار خواهد بود.
فلومترهای جرمی Mass Flowmeter
در برخی از فرآیندهای صنعتی، نیاز به اندازه‌گیری دقیق فلوی جرمی می‌باشد. مقدار ماده‌ی موجود در یک جسم را جرم می گویند. جرم، طول و زمان سه کمیت اساسی می‌باشند که تمام اندازه‌گیری‌های فیزیکی بر مبنای آنها استوار است. اغلب تصور می‌شود که جرم همان وزن است، اما این دو کمیت متفاوت می‌باشند. وزن، مقدار تأثیر جاذبه زمین بر روی جرم است، و در سطوح مختلف زمین تغییر می‌کند.
جرم از خواص فیزیکی ماده و همچنین شرایط محیطی‌ای که در آن عمل اندازه‌گیری انجام می‌شود، مستقل می‌باشد. به این ترتیب، جرم را می‌توان به دو صورت اندازه‌گیری کرد. اندازه‌گیری فلو جرمی واقعی (True mass flow measurement) یکی از روش‌های اندازه‌گیری جرم به صورت مستقیم است که مستقل از خواص و حالات سیال عمل می‌کند. در این دستگاه، با اندازه‌گیری نیرو و شتاب، جرم تعیین می‌شود. این دستگاه‌های اندازه‌گیری بر اساس اصول قانون دوم نیوتن عمل می‌کنند. قانون دوم نیوتن در واقع، رابطه شتاب با نیرویی که بر آن وارد می‌شود را بیان می‌کند. شتاب جسمی به جرم m که نیروی F بر آن وارد می‌شود هم جهت و متناسب با نیروی وارد بر آن است و با جرم جسم نسبت عکس دارد.
فلومتر جرمی نوع گشتاور زاویه‌ای (Angular Momentum Mass Flowmeter)
فلومتر جرمی نوع گشتاور زاویه‌ای یک فلومتر جرمی واقعی است، چرا که در این فلومترها واکنش المان اولیه متناسب با میزان حرکت جریان فلو می‌باشد. در این نوع از دستگاه‌های اندازه‌گیری ، سیال فرآیند از میان یک پروانه (Impeller) و یک توربین که به طور متوالی در یک خط لوله نصب شده‌اند، عبور می‌کند. پروانه توسط یک موتور کوچک با یک سرعت ثابت به گردش در می‌آید. این چرخش باعث می‌شود که سیال فرآیند وارد پروانه شده و سرعت چرخشی آن را به خود بگیرد. در هنگام خروج سیال از پروانه، سیال دارای یک سرعت زاویه‌ای برابر با سرعت پروانه، بعلاوه‌ی میزان حرکت محوری نرمال جریان سیال می‌باشد.
سپس سیال وارد یک توربین می‌شود که توسط یک فنر کالیبره شده مهار گشته و هیچ چرخشی نیز ندارد. بواسطه‌ی توربین، میزان حرکت زاویه‌ای از جریان سیال حذف شده و به خود توربین منتقل می‌گردد. گشتاور تولید شده توسط توربین که بر روی فنر کالیبره شده اعمال می‌شود، با فلو جرمی نسبت مستقیم دارد. در مقابل، اگر گشتاور تولید شده بر روی توربین که بر اثر جریان سیال می‌باشد، با تغییر سرعت چرخشی پروانه ثابت نگه داشته شود، سرعت چرخشی با فلو جرمی نسبت عكس خواهد داشت.
فلومترهای کوریولیس (Coriolis Flowmeters)
فلومتر کوریولیس یک Flowmeter جرمی واقعی می‌باشد که بر اساس اصول فیزیکی تأثیرات چرخش زمین بر روی جرم کار می‌کند. این اثر را شتاب کوریولیس می‌نامند که باعث تولید نیروی کوریولیس می‌شود. خوب است بدانید که این نیروی کوریولیس است که باعث می‌شود گرداب‌های چرخشی به وجود آمده در آب، در نیم‌کره‌ی شمالی زمین، هم جهت با عقربه‌های ساعت، و در نیم‌کره‌ی جنوبی بر خلاف عقربه‌های ساعت باشد.
یک نوع از فلومترهای جرمی کوریولیس متشکل از یک پروانه با پره‌های شعاعی می‌باشد. این دستگاه اندازه‌گیری به گونه‌ای نصب می‌شود که پره‌های آن در مسیر فلو قرار می‌گیرد. پروانه‌ی این دستگاه توسط یک موتور کوچک با یک سرعت ثابت می‌چرخد. پره‌ها نیز فلو را در جهت شعاع خود و در واقع عمود بر محور دوران هدایت می‌کنند.
U-tube مرتعش (Vibrating U-tube) نوع دیگری از فلومترهای جرمی می‌باشد که از اصول شتاب کوریولیس سیال استفاده می‌کند. در این فلومترها، U-tube هیچ مانعی را در مسیر فلو ایجاد نکرده و از اینرو، امکان اندازه‌گیری فلو مایعاتی با خواص فیزیکی متفاوت را فراهم می‌کند. برای اندازه‌گیری فلو مایعاتی که حاوی مواد جامد هستند نیز می‌توان از این نوع Flowmeter استفاده کرد. فلومترهای U-tube مرتعش برای اندازه‌گیری مایعات خورنده، ساینده و بسیار غلیظ هم مناسب می‌باشند. از این فلومترها در کاربردهای اندازه‌گیری فلو گاز نیز می‌توان استفاده کرد، البته به شرطی که گاز تحت اندازه‌گیری دارای چگالی کافی باشد تا بتواند نیروی لازم برای ایجاد یک انحناء قابل اندازه‌گیری در تیوب را تولید کند.
فلومترهای جابه‌جایی معین (Positive Displacement Flowmeters)
در بسیاری از کاربردها، فلومترهای جابه‌جایی معین مزایای قابل توجهی را نسبت به دیگر انواع فلومترها ارائه می‌دهند. اندازه‌گیری آنها صحت خوبی دارد، دقیق هستند، رنج اندازه‌گیری وسیعی دارند و برای اندازه‌گیری نرخ‌های کم فلو ایده آل می‌باشند. بعلاوه، این فلومترها نیازی به منبع تغذیه خارجی نداشته و معمولاً تنها مستلزم یک سرویس دورهای مختصر می‌باشند.
فلومترهای جابه‌جایی معین با به دام انداختن یک کمیت معلوم از سیال، و انتقال آن از اتصال ورودی به اتصال خروجی عمل می‌کنند. محفظه‌ی اندازه‌گیری یک مسیر ثابت را دنبال می‌کند، و در هر دوران کامل، فلومتر در ورودی پر شده و در خروجی تخلیه می‌شود. به این ترتیب، هر حجم از سیال جایگزین حجم قبلی می‌شود. هیچ یک از حجمهای سیال دو بار شمارش نمی‌شود. سپس، برای اندازه‌گیری فلو، تعداد حجمهای به دام افتاده و عبور کرده از میان فلومتر شمرده می‌شود.
فلومتر جابه‌جایی معین نوع چرخ‌دنده حلزونی (Helical Gear Positive Displacement Flowmeter)
فلومتر نوع چرخدنده‌ی حلزونی اغلب برای اندازه‌گیری فلو مایعاتی که ویسکوزیته‌ی قابل توجهی دارند، استفاده می‌شود، زیرا به دلیل محدودیتهای عدد رینولدز، استفاده از نوع Flowmeter دیگر بسیار مشکل می‌باشد. اگر چه این طراحی تا حدودی ذرات جامد را تحمل می‌کند، اما باز هم باید در نظر داشت که فلومترهای چرخ‌دنده حلزونی نیز نسبت به سرعت بیش از حد و خرابی یاتاقان (Bearing) حساس هستند.
در این نوع از فلومترهای جابه‌جایی معین، برای به تله انداختن پیوسته و دائمی مایع عبوری از میان فلومتر، از دو چرخ دنده‌ی حلزونی استفاده می‌شود. هنگامی که از میان فلومتر مایع عبور می‌کند، چرخ دنده‌ها به گردش در می‌آیند. یک سیستم حس کننده که معمولاً از نوع مغناطیسی یا نوری می‌باشد، با هر دور چرخش چرخ دنده‌ها، یک پالس را حس می‌کند. فلو عبوری از فلومتر متناسب با سرعت چرخش چرخ دنده‌ها می‌باشد.
فلومترهای نوع پرهی دوار (Rotary Vane Flowmeters)
فلومترهای نوع پرهی دوار معمولاً در هر دو کاربرد گاز و مایع مورد استفاده قرار می‌گیرند. این فلومترها در صنعت نفت کاربرد گسترده‌ای داشته و عمدتاً برای اندازه‌گیری فلو بنزین و نفت خام به کار گرفته می‌شوند. در یک Flowmeter نوع پرهی دوار، تعدادی پره که با فنر بارگذاری شده‌اند مقدار معینی از سیال را در بین روتور خارج از مرکز و بدنه‌ی دستگاه مهر و موم کرده و از ورودی به خروجی انتقال می‌دهند.
هنگامی که سیال وارد فلومتر می‌شود، پره‌ها حرکت کرده و باعث چرخش روتور می‌شوند. پره‌ها به وسیله‌ی فنر بارگذاری شده و قادرند در هنگام چرخش به طور آزاد بر روی بدنه‌ی روتور بلغزند. وقتی که سیال وارد پورت ورودی می‌شود، براثر فنرهای بارگذاری شده، پره‌ها طویل‌تر شده و به دیواره‌ی بدنه می‌رسند، به طوری که محفظه‌ی اندازه‌گیری را محصور می‌کنند. این پره‌ها در خروجی دوباره جمع شده و سیال را به داخل سیستم تخلیه می‌کنند. هر دور کامل روتور، چندین حجم ثابت سیال را از ورودی به خروجی فلومتر انتقال می‌دهد. به این ترتیب، فلو متناسب با سرعت چرخشی روتور متحرک می‌باشد.
فلومترهای نوع توربین محوری (Arial Turbine Flowmeters)
از جمله فلومترهای نوع جریان (Current-type flowmeters) که در خطوط لوله مورد استفاده قرار می‌گیرند، می‌توان فلومترهای توربینی را نام برد. فلومترهایی که در کلاس فلومترهای نوع جریان قرار دارند، از نظر اصول عملکرد تنها کمی با فلومترهای جابه‌جایی معین تفاوت دارند. در نوع Flowmeter جریان، برای اندازه‌گیری نرخ فلو، همانند فلومترهای جابه‌جایی معین، حجم مجزا و گرفتار شده‌ای از سیال از ورودی به خروجی انتقال نمی‌یابد. بلکه کل مقدار فلو از واکنش توربین که ناشی از فلوسیال می‌باشد، استنتاج می‌شود.
فلومترهای نوع توربین محوری با سنجش سرعت فلوی سیال عبوری از لوله مقدار نرخ فلو را اندازه‌گیری می‌کنند. اکثر طرح‌های این فلومترها از تلفیق یک بدنه با اتصالات انتهایی که برای اتصال به یک خط لوله می‌باشد، تشکیل شده‌اند. روتور توربین در داخل بدنه‌ی اصلی نصب می‌شود. برای اینکه از ورود فلوهای گردابی به داخل فلومتر جلوگیری شود، در داخل بدنه ی Flowmeter و در بالادست روتور یک سری پرهی صاف کننده (Straightening vanes) نصب می‌شود تا فلوی ورودی را صاف کنند.
روتامترها (Rotameters)
روتامترها را می‌توان در کاربردهای متنوعی مورد استفاده قرار داد و این دستگاه‌ها قادرند برای طیف وسیعی از مایعات و همچنین دوغاب‌ها و گازها به کار گرفته شوند.
در واقع، روتامترها Flowmeterهای سطح متغیر می‌باشند. همانند دیگر دستگاه‌های اندازه‌گیری فلو، سنجش فلو توسط این دستگاه نیز بر اساس رابطه‌ی بین دو فاکتور شناخته شده صورت می‌گیرد که یکی از فاکتورها ثابت بوده، و تغییرات فاکتور دیگر نشان دهنده‌ی تغییران نرخ فلو می‌باشد. در روتامتر، سطح دهانه‌ی فلومتر همان فاکتور متغیر است که متناسب با نرخ فلو تغییر می‌کند.
یک روتامتر متشکل از یک تیوب مخروطی می‌باشد که در داخل سیستم لوله کشی گنجانیده می‌شود. این تیوب به گونه‌ای در سیستم نصب می‌شود که قسمتی از آن که قطر بزرگتری دارد، در بالا قرار گیرد. همچنین، این دستگاه محتوی یک شناور می‌باشد که با تغيير فلوی درون تیوب، آزادانه به بالا و پایین حرکت می‌کند. از آنجایی که نیروهای رو به بالا و نیروهای رو به پایین اعمالی بر روی شناور در حالت تعادل و موازنه می‌باشند، در یک نرخ فلو معین، شناور در یک موقعیت مشخص قرار می‌گیرد.
در یک نرخ فلو ثابت، سرعت فلو به مقدار مساحت بین تیوب و شناور بستگی دارد. وزن خود شناور تنها نیرویی است که شناور را به طرف پایین می راند (مقدار این نیرو همواره ثابت است). یکی از نیروهایی که شناور را به طرف بالا می راند، نیروی شناوری (Buoyancy) می‌باشد. این نیرو معادل وزن سیال جابه‌جا شده بوده و با چگالی سیال تغییر می‌کند. دومین نیرویی که شناور را به سمت بالا میراند، افت فشار روی شناور است که همواره ثابت می‌باشد. کشش ناشی از چسبندگی سیال عبوری از میان تیوب، نیروی سومی است که شناور را به طرف بالا هل می‌دهد.
