فلومتر حرارتی جرمی ــ اصول کاری و ساختار

فلومتر حرارتی جرمی (Thermal mass flow meter) از اصل پخش حرارت استفاده می‌کند که بر اساس آن نرخ گرمای جذب شده توسط سیال عبوری از درون لوله با فلوی جرمی آن رابطه مستقیم دارد. در یک فلومتر حرارتی معمولی، فلوی گاز گرمای منتشرشده از یک منبع را جذب و موجب خنک شدن آن می‌شود. با افزایش فلو، گرمای بیشتری توسط گاز جذب می‌شود. مقدار گرمای تلف شده از منبع گرما متناسب با فلوی جرمی گاز و مشخصه‌های گرمایی آن است. بنابراین اندازه‌گیری انتقال گرما داده‌ای برای محاسبه نرخ فلوی جرمی فراهم می‌کند. در این مطلب از مجله پریسماتک قصد داریم به بررسی اصول کار و ساختار فلومترهای حرارتی بپردازیم.

فلومتر حرارتی

فلومتر حرارتی یکی از انواع فلومترهای جرمی یا مس فلومترها به شمار می‌آید. تفاوت فلومترهای حجمی و جرمی در این است که فلومتر حجمی با هر شرایط محیطی و فرایندی تحت تاثیر قرار می‌گیرد که یا بر واحد حجم اثر بگذارد و یا به صورت غیر مستقیم باعث افت فشار شود. در حالیکه فلومتر جرمی یا مس فلومتر در مقابل تغییرات ویسکوزیته، دما، فشار و چگالی ایمن است. فلومتر حرارتی در کنترل و مانیتورینگ فرایندهای وابسته به جرم مورد استفاده قرار می‌گیرند مانند واکنش‌های شیمیایی که به جرم اجزای واکنش نیافته وابسته هستند.

در تشخیص فلوی جرمی بخارات و گازهای قابل تراکم، اندازه‌گیری با تغییرات فشار و دما تحت تاثیر قرار نمی‌گیرد. یکی از قابلیت‌های مس فلومترهای حرارتی این است که می‌توانند فلوی گازها با سرعت پایین (زیر ۲۵ فوت بر ثانیه) و یا نرخ فلو پایین را با دقت بالا اندازه بگیرد. فلو گازها با این سرعت کم را با هیچ نوع فلومتر دیگری نمی‌توان اندازه گرفت.

فلومترهای حرارتی دارای طراحی‌های ویژه برای دماها و فشارهای بالا و مواد ساخت مخصوص مانند شیشه، PRA و MONEL هستند. طراحی Flow-through برای اندازه‌گیری فلوهای پایین در مواد خالص (اگر گاز خالص باشد، ظرفیت گرمایی آن ثابت است.) استفاده می‌شود، در حالی‌که طراحی‌های bypass و probe-type می‌توانند فلوهای بالا در داکت‌ها، فلر استک‌ها و خشک‌کن‌ها را اندازه‌گیری کنند.

طرز کار فلومترهای حرارتی

سنسورهای فلوی حرارتی یک منبع گرمایی مشخص را به درون مسیر سیال وارد می‌کنند. این فلومترها از دو روش برای محاسبه فلو استفاده می‌کنند. در روش اول مقدار اختلاف دما سیال در دو نقطه قبل و بعد از هیتر را اندازه‌گیری می‌نمایند. اما در روش دوم باید مقدار اختلاف دما در آن دو نقطه در مقداری ثابت حفظ شود. از طریق محاسبه مقدار انرژی لازم برای این کار، مقدار فلوی جرمی به دست می‌آید. اجزای اصلی یک مس فلومتر حراتی ساده عبارتند از: دو سنسور حرارتی و یک گرمکن الکتریکی یا هیتر. هیتر الکتریکی می‌تواند یا درون مسیر سیال قرار گیرد و یا بیرون از لوله نصب شود. در تصویر زیر نمایی از این دو ساختار نشان داده شده است.

در روش گرمای مستقیم (direct-heat) مقدار ثابت گرمای q توسط یک هیتر الکتریکی ایجاد می‌شود. زمانی که سیال فرایند از درون لوله عبور می‌کند، گرما پخش می‌شود. سنسور دمای مقاومتی یا همان RTD مقدار تغییر دما را در حالی‌ اندازه می‌گیرد که گرمای الکتریکی ایجادشده ثابت است. معمولا از نوع pt100 سنسورهای RTD برای این منظور استفاده می‌شود.

زمانی که فلو شروع به گردش در لوله می‌کند، سنسور دمای گرم‌شده توسط حرکت سیال خنک می‌شود. سرعت حرکت سیال می‌تواند درجه خنک شدن سنسور را تعیین کند. مقدار اختلاف دمای ایجاد شده در سنسورهای دما، تابع مستقیم از فلو جرمی است. فلو جرمی که با m نشان داده می‌شود، بر اساس اختلاف دمای اندازه‌گیری شده (T₂-T₁)، ضریب k، نرخ گرمای الکتریکی (q) و ظرفیت گرمایی مخصوص سیال (C_p) به صورت زیر محاسبه می‌شود:

m = Kq / (Cp*(T₂ -T₁))

انواع فلومترهای حرارتی

فلومترهای حرارتی دارای انواع مختلفی هستند که در ادامه به بررسی مهم‌ترین انواع آن‌ها می‌پردازیم.

فلومترهای حرارتی Heated tube

فلومتر حرارتی تیوب گرم‌شده یا Heated tube به منظور محافظت از هیتر و سنسورهای دما در برابر خوردگی و رسوبات توسعه یافته است. در این نوع فلومتر سنسور در خارج از لوله نصب می‌شود. استفاده از این مس فلومترها باعث می‌شود المان اندازه‌گیر پاسخ بسیار کندتری داشته باشد و همچنین رابطه بین فلوی جرمی و اختلاف دما غیرخطی شود. این غیرخطی بودن ناشی از این واقعیت است که گرمای ایجاد شده توسط هیتر بر روی قسمت‌هایی از سطح لوله نیز توزیع می‌شود و در طول لوله با نرخ‌های متفاوتی به سیال منتقل می‌شود.

دمای دیواره لوله در نزدیکی هیتر (T_w) بالاتر است، در حالی‌که در فاصله دورتر از هیتر، هیچ اختلاف دمایی بین دیواره لوله و سیال وجود ندارد. بنابراین دمای سیال گرم‌نشده (T_f) را می‌توان با اندازه‌گیری دمای دیواره لوله در فاصله دورتر از هیتر تشخیص داد. این فرایند انتقال دما غیرخطی است و رابطه ریاضی آن با رابطه ریاضی قبلی متفاوت و به صورت زیر است:

m^0.8 = K_q/(Cp(T_w – T_f))

این نوع فلومتر دارای ۲ مود عملکردی است. در یک مود فلو جرمی را با ثابت نگه داشتن توان الکتریکی ورودی و تشخیص میزان افزایش دما می‌سنجد. در مود دوم، مقدار اختلاف دما را ثابت نگه داشته و میزان انرژی الکتریکی مورد نیاز برای آن را اندازه می‌گیرد. مود عملکردی دوم بازه اندازه‌گیری بالاتری را فراهم می‌کند.

فلومترهای حرارتی بای‌پس

نوع بای‌پس (bypass) از فلومترهای حرارتی برای تشخیص مقادیر بالاتر نرخ فلو توسعه یافته‌اند. این فلومتر از یک لوله منعطف با دیواره نازک (با قطر حدود ۰.۱۲۵) و دو سنسور دمای RTD خارجی با قابلیت self-heating یا خودگرمایی تشکیل شده است. این دو سنسور دما لوله را گرم می‌کنند و مقدار افزایش دما را اندازه می‌گیرند. سنسور در یک مسیر بای‌پس شده از لوله اصلی قرار گرفته و اندازه آن به گونه‌ای است که در منطقه جریان آرام (laminar) در محدوده عملیاتی کامل (full operating range) خود کار کند. در تصویر زیر نمایی از ساختار فلومتر حرارتی نوع بای‌پس نشان داده شده است.

زمانی که هیچ فلویی وجود ندارد، هیتر دمای لوله بای‌پس را تا حدود ۱۶۰ درجه فارنهایت بالاتر از محیط افزایش می‌دهد. تحت این شرایط، در طول لوله یک توزیع دمای سیستماتیک به وجود می‌آید. زمانی که فلو درون لوله به حرکت در می‌آید، مولکول‌های گاز گرما را به پایین‌دست منتقل کرده و پروفایل دما مطابق تصویر زیر در مسیر فلو شیفت می‌‌یابد. یک پل وتسون به ترمینال‌های سنسور متصل می‌شود تا سیگنال‌های الکتریکی را به فلو جرمی متناسب با تغییر دما تبدیل کند.

اندازه کوچک لوله بای‌پس مقدار توان الکتریکی مورد نیاز برای تغذیه فلومتر را کمینه می‌کند و سرعت پاسخ اندازه‌گیری را افزایش می‌دهد. از طرف دیگر، به دلیل کوچک بود اندازه لوله بای‌پس، استفاده از فیلترها به منظور جلوگیری از گرفتگی ضرور خواهد بود. یک محدودیت بسیار جدی در این نوع فلومتر، افت فشار بالا (تا ۴۵psi) برای ایجاد فلو آرام و یکنواخت است. به همین دلیل این نوع فلومتر حرارتی فقط برای کاربردهای گاز فشار بالا قابل استفاده است که در هر صورت نیاز به کاهش فشار وجود دارد.

از ویژگی‌های این نوع فلومترها می‌توان به دقت پایین (۲٪ فول اسکیل)، نیاز کم به تعمیر و نگه‌داری و قیمت پایین اشاره کرد. پکیج الکترونیکی درون واحد امکان جمع‌آوری داده (data acquisition)، ترسیم و ذخیره نمودار و اینترفیس کامپیوتری را فراهم می‌کند. استفاده از این نوع فلومتر در صنعت پردازش نیمه‌هادی‌ها رواج بالای دارد. واحدهای مدرن جدید همچنین به صورت حلقه‌های کامل کنترلی شامل یک کنترلر و ولو کنترل اتوماتیک موجود هستند.

پروب‌های سرعت هوا

سنسورهای مس فلومتر نوع پروبی برای اندازه‌گیری فلو هوا مورد استفاده قرار می‌گیرند و نسبت به وجود مقدار محدود گرد و غبار حساس نیست. این فلومترها مقدار اختلاف دما را بین دو سنسور RTD نصب‌شده روی لوله سنسور حفظ می‌کنند. سنسور بالاتر دمای محیط را اندازه می‌گیرد و سنسور RTD دوم (نزدیک نوک پروب) به صورت پیوسته در دمای ۶۰ درجه بالاتر از دمای محیط نگه داشته می‌شود. هر چقدر سرعت گاز بالاتر باشد، جریان بیشتری برای حفظ اختلاف دما نیاز است. در شکل زیر ساختار یک پروب سرعت هوا نشان داده شده است.

یک نوع دیگر از پروب‌های سرعت هوا، مس فلومتر‌های حرارتی نوع ونتوری هستند. در این نوع، یک مس فلومتر حرارتی در کمترین قطر لوله ونتوری و یک پروب جبرانساز دمایی در پایین دست قرار داده می‌شود. یک صفحه ورودی فلو را برای یکدست کردن دما میکس می‌کند. نمایی از این ساختار در تصویر زیر نشان داده شده است.

این طراحی هم برای گازها و هم برای مایعات مورد استفاده قرار می‌گیرد و بازه فلو تابعی از سایز ونتوری است. مقدار افت فشار نسبتا پایین است و دقت آن به یافتن عمق نفوذ مناسب وابسته است. همچنین نوع فلو سوئیچ این ساختار نیز موجود است که دارای دو سنسور دما در نوک است. یکی از سنسورها گرم می‌شود و مقدار اختلاف دما معیاری از سنجش سرعت است. این سوئیچ می‌تواند برای تشخیص فلوهای بالا و پایین در ۵٪ مورد استفاده قرار گیرد.

آنمومتر حرارتی

یک بادسنج یا آنمومتر (circuitry) از یک المان سیمی (با طول ۰.۰۵ اینچ و قطر ۰.۰۰۰۱۶ اینچ) تشکیل شده که به صورت الکتریکی گرم می‌شود و مطابق تصویر زیر توسط سوزن در انتها نگه داشته می‌شود. سیم‌ها به دلیل استحکام از جنس تنگستن ساخته می‌شوند. زمانی که در معرض جریان گاز قرار بگیرد، سیم خنک می‌شود و نرخ خنک شدن با فلو جرمی گاز متناسب است. المان اندازه‌گیر حرارتی توسط یکی از دو مدار الکترونیکی دما ثابت یا توان ثابت کنترل می‌شود. مدار دما ثابت مقدار اختلاف دما را بین سنسور گرم‌شده و یک سنسور مرجع نگه می‌دارد. مقدار توان مورد نیاز برای حفظ این اختلاف دما به عنوان نشانگری از نرخ فلو اندازه گرفته می‌شود.

آنمومترهای دما ثابت به دلیل پاسخ فرکانس بالا، سطح نویز پایین، ایمن بودن در برابر خرابی سنسور هنگام افت ناگهانی فلو هوا، سازگاری با سنسورهای hot-film و کاربرد در سنجش فلو گازها و مایعات بسیار محبوب هستند. از طرف دیگر، آنمومترهای توان ثابت هیچ سیستم فیدبکی ندارند و دما در آن‌ها متناسب با نرخ فلو است. این نوع آمومترها به دلیل ناپایدار بودن مقدار فلو صفر، کند بودن پاسخ سرعت و دما و محدود بودن جبرانسازی دمایی از محبوبیت کمتری برخوردار هستند.

اگر این مطلب برای شما مفید بود، شاید مطالب زیر نیز برای شما مفید باشند:

فلومتر اختلاف فشار یا فشار تفاضلی ــ راهنمای جامع نصب

فلومتر الکترومغناطیسی ــ از صفر تا صد

سنسور فشار دیافراگمی ــ مفاهیم و اصول کاری

سنسور دمای غیر تماسی — از صفر تا صد

کنداکتیویتی متر بدون الکترود ــ اصول کاری

پریسماتک اولین تولیدکننده رفرکتومتر، فلومتر و کنداکتیویتی‌مترهای صنعتی در انواع مختلف است. برای راهنمایی در انتخاب این ابزارها با شماره‌های شرکت تماس بگیرید.

محصولات پریسماتک:

انواع رفرکتومترهای دیجیتال

انواع فلومترهای الکترومغناطیسی

انواع کنداکتیویتی مترها

منبع