مس فلومتر (mass flowmeter) یا فلومتر جرمی نوعی فلومتر است که با دقت بالا نرخ فلوی جرمی سیال عبوری از درون لوله‌ها را اندازه می‌گیرد. در واقع نرخ فلوی جرمی، جرم سیال عبوری بر واحد زمان را اندازه می‌گیرد و با نرخ فلوی حجمی تفاوت دارد که مقدار حجم سیال عبوری در واحد زمان را می‌سنجد. اندازه‌گیری فلوی جرمی در بسیاری کاربردها از جمله عملیات انتقال گاز یا کاستدی ترانسفر، تعیین تعادل بین مواد مختلف و فرمول‌بندی رسپی‌ها بسیار ضروری است. می‌توان گفت اندازه‌گیری فلوی جرمی حساس‌ترین اندازه‌گیری فلو در فرایندهای صنعتی است و دقت و تکرارپذیری بالای سنجش مس فلو بسیار بااهمیت است. در این مطلب از وبلاگ پریسماتک به بررسی انواع مس فلومترها یا فلومترهای جرمی می‌پردازیم.
لینک خرید مس فلومتر کوریولیس پریسماتک
مس فلومتر یا فلومتر جرمی چگونه کار می‌کند؟
اینرسی و حرارت دو تکنولوژی هستند که برای اندازه‌گیری فلوی جرمی مورد استفاده قرار می‌گیرند. فلومترهای اینرسی که با نام فلومتر کوریولیس (Coriolis flow meter) شناخته می‌شوند، از اثر کوریولیس برای اندازه‌گیری نرخ فلوی جرمی بهره می‌گیرند. زمانی که یک سیال از درون لوله عبور می‌کند و از طریق اعمال مکانیکی نوسان به لوله، در معرض شتاب کوریولیس قرار می‌گیرد، مقدار نیروی انحرافی تولیدشده توسط اثر کوریولیس تابعی از نرخ فلوی جرمی سیال درون لوله خواهد بود. مس فلومتر حرارتی (Thermal mass flow meters) نیز نرخ فلوی جرمی مایعات و گازها را مستقیما از اصل انتقال حرارت می‌سنجد و برای این کار از یک المان حرارتی و سنسورهای دما استفاده می‌کند. در ادامه این دو نوع مس فلومتر را با جزئیات بیشتر بررسی می‌کنیم.
انواع مس فلومتر
همان طور که در بالا اشاره کردیم، مس فلومتر شامل دو نوع مس فلومتر کوریولیس و مس فلومتر حرارتی است.
مس فلومتر کوریولیس
مس فلومتر کوریولیس از طریق اعمال یک شتاب کوریولیس مصنوعی (نیرویی که نسبت به یک فریم چرخان عمل می‌کند.) به جریان سیال عمل می‌کند و نرخ فلو را با اندازه‌گیری ممنتوم زاویه‌ای حاصل می‌سنجد. هنگامی که سیال از درون لوله عبور کند و در معرض شتاب کوریولیس قرار بگیرد، توسط اثر کوریولیس مقداری نیروی انحرافی تولید می‌شود که تابعی از نرخ فلوی جرمی سیال درون لوله است.
مس فلومتر حرارتی
مس فلومتر حرارتی قادر است علاوه بر مایعات، نرخ فلوی جرمی گازها را نیز بسنجد. این نوع فلومتر جرمی از طریق اعمال مقدار مشخصی گرما توسط یک المان حرارتی به درون سیال و اندازه‌گیری مقدار تغییر دمای ایجادشده نرخ فلوی جرمی را اندازه می‌گیرد. گروه دیگری از مس فلومتر های حرارتی از طریق حفظ دمای پروب حرارتی در دمای ثابت و محاسبه مقدار انرژی لازم برای این کار عمل می‌کنند.
کاربردهای مس فلومتر یا فلومتر جرمی
مس فلومترها به صورت گسترده در مانیتورینگ و کنترل فرایندهای وابسته به جرم مانند واکنش‌های شیمیایی مورد استفاده قرار می‌گیرند. این فرایندها به جرم نسبی اجزای ترکیب وابسته هستند. از جمله این موارد می‌توان به فرمول رسپی‌های مختلف، تعیین تعادل مواد و عملیات کاستدی ترانسفر (custody transfer) اشاره کرد. به این دلیل که موارد ذکر شده مهم‌ترین و بحرانی‌ترین موارد سنجش فلو در پلنت‌های صنعتی هستند، بنابراین دقت و تکرارپذیری بالا اهمیت بسیار زیادی دارند.
مس فلومتر کوریولیس در کاربردهای متنوع و بازه وسیعی از صنایع مورد استفاده قرار می‌گیرد. همچنین این نوع فلومتر جرمی در کاربردهای اندازه‌گیری علمی برای گازها و سیالات تمیز و خورنده نیز به خوبی عمل می‌کنند. مس فلومتر کوریولیس علاوه بر اندازه‌گیری دقیق نرخ فلوی جرمی، می‌تواند چگالی سیال، دمای سیال و ویسکوزیته آن را نیز بسنجد. برخی کاربردهای فلوی گاز برای مس فلومتر حرارتی عبارتند از: اندازه‌گیری هوای احتراق در بویلرهای بزرگ، اندازه‌گیری گاز فرایند نیمه‌هادی‌ها در صنایع شیمیایی و پتروشیمی‌ها، کاربردهای تحقیق و توسعه، کروماتوگرافی گاز و تست نشت و فیلتر.
در تشخیص فلوی جرمی گازها و بخارات تراکم‌پذیر، اندازه‌گیری‌های مس فلومتر حرارتی با تغییرات فشار و دما تاثیر نمی‌پذیرد. یکی دیگر از مزیت‌های مس فلومترهای حرارتی، توانایی آن‌ها در تشخیص دقیق نرخ فلوی جرمی گازها حتی با نرخ پایین و یا سرعت پایین (زیر ۲۵ فوت بر دقیقه) است. توجه کنید که این مقدار بسیار کمتر از مقداری است که توسط هر تجهیز دیگر بتوان اندازه گرفت. مس فلومترهای حرارتی اگر در مود اختلاف دما ثابت عمل کنند، دارای rangeability بالا (10:1 تا 100:1) هستند. از طرف دیگر، اگر حرارت ورودی ثابت باشد، توان تشخیص اختلاف دماهای بسیار کوچک محدود می‌شود و دقت و rangeability هر دو افت می‌کنند. در فلوهای نرمال، خطای اندازه‌گیری معمولا در بازه ۱ تا ۲٪ فول اسکیل است.
محدودیت‌های مس فلومترها
همان طور که اشاره کردیم، مس فلومترها می‌توانند دقت و rangeability بالایی داشته باشند، اما مانند هر تجهیز دیگر دارای محدودیت‌هایی نیز هستند. متغیرهای محیط و خواندن، محاسبات و خطاهای تنظیم می‌توانند موجب کاهش کارایی، صدمه به دستگاه و کاهش دقت شوند. مهم‌ترین محدودیت‌های فلومترهای جرمی به صورت زیر هستند:
مس فلومتر کوریولیس به سرعت سیال نسبتا بالایی برای تشخیص فلو نیاز دارد که این منجر به افت فشار بالا نیز می‌شود.
مس فلومترهای کوریولیس نسبت به سایر انواع فلومترها قیمت بالایی دارند. همچنین برای لوله‌های با سایز بزرگ وجود ندارند.
مس فلومترهای حرارتی تحت تاثیر چگالش رطوبت (در گازهای اشباع‌شده) در سنسور دما قرار می‌گیرند. این حالت باعث می‌شود که ترمومتر مقدار کمتری را بخواند و همچنین منجر به فرسایش و خوردگی می‌شود.
عملکرد مس فلومترهای حرارتی تحت تاثیر رسوبات جمع‌شده روی سنسور قرار می‌گیرد که موجب جلوگیری از انتقال حرارت می‌شود و در نتیجه تجهیز مقدار کمتری را اندازه می‌گیرد.
همچنین مس فلومترهای حرارتی تحت تاثیر تغییرات در گرمای ویژه ناشی از تغییر در ترکیبات گازها قرار می‌گیرند.
تاریخچه اندازه‌گیری فلو جرمی
در گذشته فلو جرمی را از روی خروجی‌های فلومتر حجمی و چگالی سنج محاسبه می‌کردند. مقدار چگالی یا مستقیما اندازه‌گیری می‌شد (تصویر A) و یا با توجه به مقادیر خروجی ترانسمترهای دما و فشار فرایند محاسبه می‌شد. اما این اندازه‌گیری‌ها دقیق نبودند، زیرا رابطه بین دما و فشار فرایند با چگالی آن همیشه مشخص نیست. از طرف دیگر، هر سنسور مقدار خطای جداگانه خود را به خطای کلی اندازه‌گیری اضافه می‌کرد. همچنین سرعت پاسخ این محاسبات معمولا برای تشخیص تغییرات فلو مناسب نیست.
یکی از اولین طراحی‌ها برای ساخت یک مس فلومتر مستقل از ممنتوم زاویه‌ای بهره می‌برد. این طرح در تصویر B زیر نشان داده شده است. این طرح دارای یک گردنده (impeller) متصل به موتور بود که از طریق شتاب دادن به سیال تا یک سرعت زاویه‌ای مشخص به آن ممنتوم زاویه‌ای می‌داد. هرچقدر چگالی بالاتر باشد، به ممنتوم زاویه‌ای بیشتری برای کسب سرعت زاویه‌ای مشخص نیاز داشت. در پایین‌دست گردنده، یک توربین ساکن متصل به فنر در معرض این ممنتوم زاویه‌ای قرار داده شده بود. گشتاور حاصله (پیچش فنر) نشانگر مقدار فلو جرمی بود.
اما این طراحی دارای قسمت‌های متحرک زیاد و مکانیک پیچیده بود. این طراحی اولین بار برای محاسبه فلو سوخت هواپیماها گسترش یافت و هنوز هم گاهی مورد استفاده قرار می‌گیرد. اما به مرور زمان به دلیل طراحی پیچیده و نیز هزینه بالای تعمیر و نگهداری، با مدل‌های مقاوم‌تری جایگزین شدند که نیاز کمتری به تعمیر و نگهداری دارند.
همچنین فلو جرمی را می‌توان با batch weighing و یا ترکیب یک سنسور سطح دقیق با یک چگالی‌سنج محاسبه کرد. روش دیگر، نصب دو ترانسمیتر d/p یا اختلاف فشار در قسمت پایین مخازن اتمسفریک در سطوح مختلف است. در این حالت، خروجی سلول d/p بالاتر متناسب با سطح سیال درون مخزن تغییر می‌کند و ترانسمتر پایین‌تر مقدار فشار هیدرواستاتیک در یک سطح مشخص را می‌سنجد. از این اختلاف فشار می‌توان چگالی سیال در مخزن را به دست آورد. این سیستم برای اندازه‌گیری فلو جرمی کلی کیس‌های اسلاری مورد استفاده قرار می‌گیرد.
اندازه‌گیری فلو جرمی و فلو حجمی
اندازه‌گیری فلو جرمی و فلو حجمی هر دو تکنیک‌های مهمی برای اطلاع از فلو سیال در سیستم‌ها هستند. اگرچه این دو مفهوم شباهت‌هایی به همدیگر دارند، اما از برخی جهات متفاوت هستند. اندازه‌گیری فلو جرمی با مقدار جرم عبوری از یک سیستم در یک بازه معین زمان مربوط است و معمولا بر حسب گرم بر ثانیه اندازه گرفته می‌شود. در حالی که فلو حجمی مربوط به مقدار حجم اشغال‌شده توسط جرم سیال در یک زمان مشخص است و معمولا با واحدلیتر بر ثانیه سنجیده می‌شود. بنابراین می‌توان گفت یک شباهت بین این دو فلو این است که هر دو نرخی را اندازه می‌گیرند که سیال درون سیستم جریان دارد. هر دو فلو حجمی و فلو جرمی در ترکیب با اندازه‌گیری‌های دیگری مورد استفاده قرار می‌گیرند تا دید بهتری از سیستم به دست آید.
فلو جرمی را می‌توان با ضرب فلو حجمی در چگالی سیال محاسبه کرد. اگر چگالی ثابت باشد، رابطه ساده است. اما اگر چگالی سیال در طول فرایند دچار تغییر شود، آنگاه رابطه ساده نخواهد بود. به عنوان مثال چگالی سیال ممکن است با تغییرات دما، فشار و یا ترکیبات سیال دچار تغییر شود. همچنین سیال ممکن است ترکیبی از فازهای مختلف باشد، مانند سیال حاوی حباب هوا. چگالی را می‌توان از طریق وابستگی سرعت امواج صوتی به غلظت سیال نیز محاسبه کرد.
اگر این مطلب برای شما مفید بود، شاید مطالب زیر نیز برای شما مفید باشند:
کالیبراسون ترانسمیتر فشار ــ راهنمای کاری
فلومتر کوریولیس ــ از صفر تا صد
فلومتر اختلاف فشار یا فشار تفاضلی ــ راهنمای جامع نصب
نصب فلومتر کوریولیس چگونه است؟
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 فلومترهای الکترومغناطیسی
