اندازه‌گیری فلو در مایعات یک نیاز بسیار ضروری در کاربردهای صنعتی است. در برخی عملیات‌ها، توانایی اندازه‌گیری دقیق فلو به حدی مهم است که یکی از مهم‌ترین فاکتورهای تعیین‌کننده در نتیجه نهایی یک فرایند صنعتی است. حتی گاهی اوقات هر گونه اشتباه در اندازه‌گیری فلو یا عدم توانایی اندازه‌گیری آن، منجر به ایجاد حوادث جدی می‌شود. در این مقاله قصد داریم به بررسی فلومترها بپردازیم و روش صحیح انتخاب یک فلومتر مناسب را به زبان ساده توضیح دهیم.
در اکثر تجهیزات اندازه‌گیری فلو برای مایعات، نرخ فلو از طریق سنجش سرعت مایعات یا تغییرات انرژی جنبشی آنها به دست می‌آید. سرعت به اختلاف فشاری بستگی دارد که مایع را در طول لوله و مجرا به پیش می‌راند. با توجه به این نکته که مساحت مقطع عرضی لوله‌ها را از قبل می‌دانیم و این مقدار در طول فرایند ثابت باقی می‌ماند، در نتیجه میانگین سرعت می‌تواند نمایانگر خوبی از نرخ فلو مایع باشد. رابطه اساسی مربوط به تعیین نرخ فلو مایع در یک لوله به صورت زیر بیان می‌شود:
Q=V * A
که در رابطه فوق Q نشان‌دهنده فلو مایع عبوری از لوله، V بیانگر سرعت میانگین مایع و A نشان دهنده سطح مقطع عرضی لوله است. البته باید به این نکته هم توجه داشت که فاکتورهای دیگری هم می‌توانند بر فلوی یک مایع در لوله تاثیر بگذارند که عبارتند از:
یک فلومتر یا سنسور فلو نوعی از تجهیزات ابزار دقیق است که به منظور نشان دادن میزان سیال (مایع یا گاز) عبوری در واحد زمان مورد استفاده قرار می‌گیرد و برای این کار از اندازه‌گیری نرخ فلوی خطی، غیرخطی، جرمی و یا حجمی بهره می‌گیرد. به این دلیل که کنترل فلو معمولا امری ضروری است، اندازه‌گیری فلوی مایعات و گازها نیز یک نیاز مبرم در بسیاری از کاربردهای صنعتی است و انواع مختلفی از فلومترها وجود دارند که بسته به کاربرد می‌توانند مورد استفاده قرار گیرند.
زمانی که می‌خواهید یک فلومتر را انتخاب کنید، باید به فاکتورهایی مانند آشنایی و تجربه پرسنل در کالیبراسیون، نگهداری و تعمیرات تجهیزات، موجود بودن قطعات یدکی، میانگین زمان بین خرابی‌ها و … در پلنت صنعتی خود توجه کنید. همچنین توصیه می‌شود هزینه نصب فلومتر را حتما بعد از در نظر گرفتن این موارد محاسبه کنید. یکی از رایج‌ترین مشکلات خرید فلومتر این است که افراد این فاکتورها را به صورت معکوس در نظر می‌گیرند، یعنی به جای انتخاب فلومتری که اندازه‌گیری را به صورت صحیح و دقیق انجام دهد، افراد سعی می‌کنند فلومتری با کمترین هزینه را انتخاب کنند. اما باید توجه شود این قیمت کمتر ممکن است در مراحل بعدی موجب هزینه‌های هنگفت شود.
پایه و اساس یک انتخاب خوب، آگاهی از نیازهای هر کاربرد صنعتی خاص است. بنابراین، باید برای ارزیابی کامل ذات سیال فرایند و نصب کلی تجهیزات زمان گذاشت. توسعه ملزوماتی که یک پروژه به آنها نیاز دارد باید به صورت سیستماتیک و گام به گام انجام شود.
گام اول در انتخاب یک فلومتر مناسب این است که تعیین کنیم آیا داده‌های فلومتر باید به صورت پیوسته (continuous) باشد یا تجمعی (totalized). همچنین باید بدانیم که از این اطلاعات به صورت محلی استفاده می‌شود یا از راه دور و اگر از راه دور است، انتقال اطلاعات باید به صورت آنالوگ باشد یا دیجیتال یا ترکیبی (shared). اگر روش انتقال اشتراکی بود باید به این نکته نیز توجه کنیم که کمترین فرکانس آپدیت اطلاعات مورد نیاز چقدر است. زمانی که به این سوالات پاسخ داده شد، باید مشخصه‌های فلو و سیال فرایند و لوله‌ها ارزیابی شوند.
عملکرد دستگاه اندازه گیری در محدوده دما و فشار کاری، افت فشار مجاز، چگالی، رسانایی، چسبناکی (viscosity) و فشار بخار در بیشینه دمای کاری باید بررسی شوند و همچنین باید اطلاع داشت که چگونه این مشخصه‌ها تحت شرایط کاری مختلف تغییر و یا با هم تداخل ایجاد می‌کنند. علاوه بر این، تمام اطلاعات مربوط به امنیتی و سمی بودن (toxicity) به همراه داده‌های دقیق در مورد ترکیب سیال، وجود حباب، فشار حباب‌ها، وجود جامدات (سایز ذرات، نرمی، سایندگی) و کیفیت انتقال نوری (شفاف، مات یا نیمه شفاف (translucent)) باید مورد توجه قرار گیرند.
مقادیر کمینه و بیشینه دما و فشار مورد انتظار نیز از مواردی هستند که باید همراه با مقادیر حالت عادی مورد توجه قرار گیرند. علاوه بر این، باید موارد زیر را نیز مورد توجه قرار داد:
در مورد محل نصب فلومتر و لوله‌کشی های مورد نیاز آن، باید به این موارد دقت شود. برای لوله‌ها، جهت آنها (اجتناب از فلوی روبه‌پایین در کاربردهای مایعات)، اندازه، جنس، درجه فشار-فلنچ، دسترسی‌پذیری، چرخش رو به بالا یا پایین، ولوها، رگولاتورها بسیار مهم هستند.
اما برای محل نصب فلومتر، مهندس مربوطه باید از امکان وجود میدان‌های مغناطیسی یا ارتعاشی در آن قسمت اطلاع کامل داشته باشد. همچنین باید به وجود نیروی الکتریکی و پنوماتیکی، طبقه‌بندی‌شده برای خطر انفجار و نیز سایر ملزومات خاص مانند قوانین بهداشتی و clean-in-place توجه کرد.
گام بعدی، تعیین بازه اندازه‌گیری مورد نیاز از طریق شناسایی مقادیر کمینه و بیشینه فلوی مورد نظر است. پس از آن، دقت (accuracy) اندازه‌گیری فلوی مورد نیاز به دست می‌آید. معمولا دقت بر حسب درصد مقدار خواندنی واقعی (actual reading یا AR) یا درصد بازه کالیبراسیون (calibrated span یا CS) و یا درصد مقیاس کامل (full scale یا FS) تعیین می‌شود. دقت‌های مورد نیاز باید جداگانه برای نرخ فلوهای کمینه، عادی و بیشینه بیان شود. تا زمانی که این ملزومات را ندانید، عملکرد اندازه‌گیری شما در طول تمام بازه ممکن است قابل قبول نباشد.
در کاربردهایی که محصولات بر اساس یک خوانش اندازه‌گیری خرید و فروش می‌شوند، دقت مطلق بسیار مهم است. در سایر کاربردها، تکرارپذیری ممکن است از دقت مطلق مهم‌تر باشد. بنابراین، توصیه می‌شود که ملزومات تکرارپذیری و دقت به صورت جداگانه برای هر کاربرد برقرار باشند و هر دو همراه با جزئیات بیان شوند.
زمانی که دقت یک فلومتر بر حسب واحدهای FS% و یا CS% بیان شود، خطای مطلق آن با کاهش نرخ فلوی مورد اندازه‌گیری، افزایش می‌یابد. اما اگر بر حسب AR% بیان شود، خطای مطلق در فلوهای بالا یا پایین یکسان باقی می‌ماند. به دلیل اینکه FS همیشه مقداری بزرگتر از CS است، سنسوری با عملکرد FS% همیشه خطای بزرگتری نسبت به سنسوری یکسان با مشخصه CS% دارد. به همین دلیل و برای مقایسه عادلانه، توصیه می‌شود تمام خطاها بر حسب واحد AR% بیان شوند.
همچنین توصیه می‌شود که کاربر تاسیسات را بر اساس مجموع خطای لوپ مقایسه کند. برای مثال، نادرستی (inaccuracy) یک صفحه اُریفیس بر حسب AR% بیان شده است، در حالی که خطای d/p cell متناظر آن بر حسب CS% یا FS% است. به طریق مشابه، عدم دقت یک فلومتر کوریولیس برابر با مجموع دو خطا است، یکی بر حسب AR%داده شده است و دیگری بر حسب FS%. عدم دقت کلی با گرفتن جذر مجموع مربعات عدم دقت اجزا در نرخ فلو مطلوب به دست می‌آید.
در مشخصه‌های یک فلومتر، تمام مقادیر دقت‌ها باید به واحدهای یکدست AR% تبدیل شوند و این مقادیر باید برای فلوهای کمینه، نرمال و بیشینه به صورت جداگانه بیان شوند. البته تمام مشخصه‌های فلومترها باید واضح دقت و تکرارپذیری اندازه‌گیری را در سه حالت فلوی کمینه، نرمال و بیشینه بیان کنند.
در انتخاب فلومتر مناسب، یکی از اولین گام‌ها، تعیین بیشترین و کمترین عدد رینولدز (Reynolds number یا RD) برای کاربرد مورد نظر است. بیشترین RD زمانی به دست می‌آید که اندازه‌گیری در حالت بیشینه فلو و چگالی و کمینه ویسکوزیته انجام شود. از طرف دیگر، کمترین RD در حالت کمترین فلو و چگالی و بیشترین ویسکوزیته به دست می‌آید.
اگر عملکرد مطلوب را بتوان با دو فلومتر مختلف به دست آورد و یکی از آنها دارای قسمتی متحرک باشد، اولویت انتخاب با فلومتر دیگر است که قسمت متحرک ندارد. قسمت‌های متحرک در یک فلومتر می‌توانند منبع اصلی برای ایجاد خطا باشند. این اتفاق نه فقط به دلایل واضحی مانند حساسیت به پوشش و روغن‌کاری، بلکه به دلایل دیگر نیز اتفاق می‌افتد، مانند اینکه قسمت‌های متحرک به فضای خالی نیاز دارند که گاهی باعث ایجاد لغزش (slippage) در فلوی مورد اندازه‌گیری می‌شود. حتی در فلومترهای کالیبره‌شده و به خوبی نگه‌داری‌شده هم، این فلوی اندازه‌گیری نشده با تغییر ویسکوزیته فلو و دمای آن تغییر می‌کند. تغییر در دما همچنین می‌تواند موجب تغییر در ابعاد داخلی وسیله شود و به جبران‌ساز نیاز داشته باشد.
علاوه بر این، اگر بتوان عملکرد یکسانی را از یک فلومتر کامل و یک سنسور نقطه‌ای (Point sensor) به دست آورد، معمولا توصیه می‌شود که از فلومتر کامل استفاده شود. زیرا سنسورهای نقطه‌ای تمام فلو را در نظر نمی‌گیرند، بلکه فقط زمانی دقت کافی را دارند که در عمقی قرار داده شوند که سرعت فلو برابر با میانگین سرعت در طول لوله است. حتی اگر این نقطه در زمان کالیبراسیون به دقت تعیین شود، بسیار بعید است که ثابت باقی بماند، زیرا سرعت متناسب با نرخ فلو، ویسکوزیته و دما و سایر پارامترها تغییر می‌کند.
همچنین اگر تمام ملاحظات دیگر یکسان باشند، بهتر است طراحی که دارای افت فشار کمتری باشد را انتخاب کرد. یک دلیل این است که افت فشار را باید به قیمت عملکرد بالاتر پمپ و کمپرسور در طول عمر یک پلنت صنعتی جبران کرد. دلیل دیگر این است که افت فشار به دلیل هر گونه اصطکاک در مسیر فلو به وجود می‌آید و هر جایی که یک لوله محصور باشد، تبدیل به مکانی بالقوه برای تجمع مواد، گرفتگی و یا کاویتاسیون می‌شود.
قبل از انتخاب یک فلومتر، معمولا توصیه می‌شود که ابتدا تعیین کنید که اطلاعات فلو اگر بر حسب واحد جرمی بیان شوند مفیدتر است یا بر حسب واحد حجمی؟ هنگام اندازه‌گیری فلوی مواد بهم‌فشردنی، فلوی حجمی معمولا معنادار نیست، مگر اینکه چگالی (و گاهی ویسکوزیته) ثابت باشد. هنگامی که سرعت (فلوی حجمی) مایع تراکم‌ناپذیر اندازه‌گیری می‌شود، وجود حباب‌های معلق موجب ایجاد خطا می‌شوند، بنابراین گاز و هوا باید قبل از رسیدن سیال به فلومتر حذف شوند. در سایر سنسورهای سرعت، پایپ لاینرها (pipe liners) می‌توانند مشکل‌ساز شوند (به لحاظ التراسونیک) و یا اگر عدد رینولدز بسیار پایین باشد، امکان دارد اندازه‌گیری متوقف شود.
با توجه به این ملاحظات، فلومترهای جرمی را باید حتما مدنظر قرار داد، زیرا به تغییرات چگالی، فشار و ویسکوزیته حساس نیستند و از تغییرات عدد رینولدز تاثیر نمی‌پذیرند.
عوامل زیادی بر ملزومات نگهداری و طول عمر فلومترها تاثیر دارند، اما مهم‌ترین فاکتور تناسب بین ابزار مورد استفاده و کاربرد آن است. انتخاب ناصحیح ابزارها به صورت اجتناب ناپذیری موجب بروز مشکل در زمان کمی می‌شوند. فلومترهای فاقد قسمت‌های متحرک معمولا نیاز به توجه و نگهداری کمتری نسبت به فلومترهای دارای بخش متحرک دارند. البته در نهایت تمام فلومترها نیاز به برخی نگهداری‌ها دارند.
المان‌های اولیه در فلومترهای اختلاف فشار هنگام اتصال به المان‌های ثانویه نیاز به لوله‌کشی، ولوها و متعلقات زیادی دارند. بنابراین در این موارد زحمت نگهداری نسبتا بالاتر است. خطوط ضربه‌ای (Impulse lines) ممکن است دچار گرفتگی یا زنگ‌زدگی شوند و نیاز به تمیزکاری و یا تعویض داشته باشند. همچنین مکان نامناسب المان ثانویه می‌تواند منجر به خطاهای اندازه‌گیری شود و تغییر مکان المان هم ممکن است هزینه‌بر باشد.
فلومترهای دارای بخش متحرک، نیاز به بازرسی درونی دوره‌ای دارند، مخصوصا اگر سیال تحت اندازه‌گیری آلوده و یا دارای ویسکوزیته بالا باشد. نصب فیلتر بر روی ورودی این واحدها می‌تواند رسوب و خرابی را کمتر کند. ابزارهای بدون گرفتگی مانند انواع التراسونیک و الکترومغناطیسی، ممکن است در قسمت اجزای الکترونیکی المان ثانویه خود دچار مشکل شوند. سنسور فشار متناظر با المان ثانویه باید به صورت دوره‌ای جدا شود و مورد بازرسی قرار گیرد.
همچنین کاربردهایی که در آنها ممکن است لایه پوششی (coating) به وجود بیاید، یک منبع مشکل بالقوه برای ابزارهای التراسونیک و مغناطیسی است. اگر لایه پوششی عایق باشد، عملکرد فلومترهای مغناطیسی در نهایت دچار عیب می‌شود، زیرا الکترودها از مایع عایق شده‌اند. حتما باید از وقوع این شرایط با انجام پاکسازی‌های دوره‌ای جلوگیری کرد. در فلومترهای التراسونیک، زوایای شکست ممکن است تغییر کنند و انرژی صوتی که توسط پوشش جذب می‌شود، موجب اندازه‌گیری نادرست فلو می‌شود.
اگر این مطلب برای شما مفید بود، شاید به مطالب زیر نیز علاقه‌مند باشید:
فلومتر الکترومغناطیسی ــ از صفر تا صد
کنداکتیویتی‌متر ــ به زبان ساده
سنسور فشار دیافراگمی ــ مفاهیم و اصول کاری
پریسماتک اولین تولیدکننده رفرکتومتر، فلومتر و کنداکتیویتی‌مترهای صنعتی در انواع مختلف است. برای راهنمایی در انتخاب این ابزارها با شماره های شرکت تماس بگیرید.
محصولات پریسماتک:
انواع فلومترهای الکترومغناطیسی
