فلومتر به وسیله ای گفته می شود که برای اندازه گیری دقیق جریان سیالات به کار برده می شود. فلومتر که به آن دبی سنج نیز گفته می شود، نرخ دبی را در سیالات (مایعات و گازها) اندازه گیری می کند. در تعریفی دقیق تر می توان گفت که دبی سنج، میزان جریان جرمی یا حجمی یک سیال را اندازه می گیرد. برای این اندازه گیری در صنعت، باید عوامل مختلفی چون ساختار فیزیکی و شیمیایی سیالات، جنس لوله ها، تغییرات آب و هوایی و میزان خوردگی سیال مورد توجه باشد. قیمت مواد شیمیایی (سیالاتی) که برای اندازه گیری دبی به کار برده می شوند، تحت تاثیر نوع بند شرکت های تولید کننده آن هاست. این مقاله نشریه جهان شیمی فیزیک ما را با فلومتر، انواع آن و همچنین نحوه کاربرد این وسیله آشنا می کند.
فلومتر (دبی سنج) چیست؟
یکی از مسایل مهم در محیط های صنعتی، اندازه گرفتن دبی سیالات است که در این محیط ها برای کنترل چگونگی انجام فرایندها، بازده محصولات، کیفیت فراورده ها، رعایت ایمنی و همچنین کنترل کردن هزینه ها، لازم است. از فلومتر برای این منظور استفاده شده و جریان یک سیال اندازه گرفته می شود. جریان سنج، لیتر شمار و یا سنسور سرعت سیال، نام های دیگری است که برای فلومتر به کار برده می شود.
به طور کلی می توان گفت دو نوع فلومترهای حجمی و جرمی، در صنعت استفاده می شود. فلومتر حجمی، حجم سیالی که در یک بازه زمانی مشخص از یک مکان خاص عبور می کند را اندازه می گیرد. اما فلومتر جرمی، مقدار جریان جرم سیالی که در واحد زمان مشخص از لوله عبور می کند را اندازه می گیرد. فلومترهای حجمی و جرمی دارای انواع مختلفی هستند.
انواع فلومتر
از فلومترهای مختلفی با توجه به نوع فرایند و محیط صنعتی استفاده می شود. همچنین در انتخاب دبی سنج مناسب، باید هزینه های مربوط به اندازه گیری دبی نیز مدنظر قرار گیرد. مهمترین دبی سنج هایی که مورد استفاده هستند در زیر آورده شدده اند.
دبی سنج الکترومغناطیسی
مایعاتی که ویژگی هدایت الکتریکی دارند، با استفاده از دبی سنج های الکترومغناطیس اندازه گیری می شوند. به طور فراوان از این نوع فلومترها در قسمت هایی که آب و صنایع غذایی باید مدیریت شوند، استفاده می شود. همچنین از این نوع در صنایع معدنی برای اندازه گیری دبی دوغاب خورنده و مخلوط شن و آب به کار می گیرند. چگونگی اندازه گیری دبی در این نوع از دبی سنج ها، قانون القای فارادی، اساس کار خواهد بود. با حرکت میله ای فلزی در میدان مغناطیسی، بر طبق قانون القای فارادی، القای ولتاژ الکتریکی صورت می گیرد.
القای ولتاژ الکتریکی، به وسیله حرکت ذرات باردار سیالی صورت می گیرد که از درون میدان مغناطیسی عبور می کند. میدان مغناطیسی توسط سیم پیچ داخل دبی سنج تولید می شود. در اندازه گیری دبی حجمی سیال از این ولتاژ الکتریکی که متناسب با سرعت جریان سیال است، استفاده می شود. دبی حجمی تبدیل به دبی جرمی می شود، برای مایعاتی مانند آب که چگالی آن ها رد طول فرایند ثابت است.
فلومتر اولتراسونیک
دبی حجمی بسیاری از سیالات با استفاده از دبی سنج اولتراسونیک و به کار بردن امواج اولتراسونیک اندازه گرفته می شود. دقت اندازه گیری در این نوع از دبی سنج ها، کم و خواصی مانند دما، فشار، هدایت الکتریکی و ویسکوزیته مهم نیستند. دو نوع از دبی سنج های اولتراسونیک وجود دارد که تفاوت آن ها در محل قرارگیری سنسورهاست. برای مایعاتی که خورنده هستند، دبی سنج هایی استفاده می شود که سنسور آن ها در خارج از لوله است.
اما هر دو نوع این دبی سنج ها، دو سنسور دارند که یکی به عنوان گیرنده و و دیگری به عنوان فرستنده عمل می کند. چیزی که به عنوان معیار دبی سیال داخل لوله محسوب می شود، مدت زمان عبور موج اولتراسونیک از فرستنده به گیرنده می رود. چون در ساختار این نوع از دبی سنج ها، قطعات متحرک به کار برده نمی شود، تعمیرات آن کم بوده و در صرف هزینه ها صرفه جویی می شود.
دبی سنج فشار تفاضلی
یکی از روش هایی که در صنعت، بسیار برای اندازه گیری دبی سیالات استفاده می شود، کاربرد محاسبه مربوط به افت فشاری است که در سطح مقطع لوله مربوط به این وسیله ایجاد شده است. چون اساس اندازه گیری در این نوع از وسیله ها، فشار است، استفاده از ترانسمیترهای فشار لزوم دارد. دقت اندازه گیری در این وسیله در زمان هایی افت فشار کمی باشد و اعداد رینولدز کوچک باشد، بسیار افت می کند. از هر ۵ دبی سنجی که در بازار عرضه می شود، یکی از آن ها از نوع فشار تفاضلی خواهد بود.
برای توضیح چگونگی عملکرد دبی سنج فشار تفاضلی از ارتباطی که بین فشار استاتیک و فشار دینامیک وجود دارد و توسط برنولی کشف شده بود، استفاده می شود. افت فشار زمانی صورت می گیرد که در مسیر سیالات، یک عامل محدود کننده قرار بگیرد. هر چه میزان دبی بیشتر باشد، میزان افت فشار نیز بالا می رود. عامل محدود کننده ای که در این فرایند استفاده می شود، لوله ونتوری و یا صفحه اوریفیس است که با توجه به شرایط به کار برده می شوند. بر اساس معادله برنولی، تناسب بین توان دوم دبی با اختلاف فشار در بالادست و پایین دست عامل محدود کننده برقرار است.
دبی سنج کوریولیس
اندازه گیری دبی تمام سیالات با استفاده از فلومتر کوریولیس انجام پذیر است. به طوری که این سیالات شامل نفت خام و پاک کننده های شیمیایی تا روغن های گیاهی و سس کچاپ می تواند باشد. قیمت مواد شیمیایی که با استفاده از دبی سنج کوریولیس، دبی آن ها سنجش می شود، با عوامل مختلفی تغییر می کند. در سال ۱۹۷۰ برای بار اول، این نوع اندازه گیری مطرح شد. اما چون ربی سنج کوریولیس بسیار گران است، استفاده از آن تا حدی وحدود است، ولی این وسیله دقت بسیار بالایی دارد و همین قابلیت آن را در مقایسه با رقبای دیگر بالا می برد.
دبی سنج کوریولیس از دو لوله اندازه گیری ساخته شده است. تحریک کننده ای باعث نوسان این دو لوله شده و همزمان حرکت پیچشی نیز، در نتیجه ی عبور جریان از درون آن ها و وجود اینرسی، ایجاد می شود. اختلاف فازی که در نتیجه ی تغییر نوسان و به وسیله دو سنسور ثبت می شود، با دبی جرمی سیال متناسب است. در این سیستم، چگالی سیال نیز با کمک فرکانس نوسان کننده توسط لوله اندازه گیری، به دست می آید. این وسیله توانایی اندازه گیری دبی جرمی را به طور مستقیم دارد. به طوری که می تواند در مواردی که تغییرات چگالی و دما اتفاق می افتد، گزینه بسیار عالی باشد.
فلومتر ورتکس
فرضیه ای اساس عملکرد دبی سنج ورتکس است که به وسیله ریاضیدان مجارستانی به نام تئودور فون کارمان مطرح شد. بر طبق این فرضیه، گردابه هایی در نتیجه ی قرارگیری یک مانع بر مسیر جریان، تشکیل می شود. این گردابه ها که تشکیل آن ها به طور متناوب ادامه پیدا می کند، متناسب با اندازه و شکل مانع قرار گرفته است. در ساختار این دبی سنج ها نیز با قرار گرفتن مانع در مرکز لوله، تشکیل گردابه ها را با زیاد شدن سرعت سیال از مقدار حداقل، مشاهده می کنیم. سپس نوسان فشار را روی سطح مانع بین مقادیر مثبت و منفی خواهیم داشت.
سنسورهای خازنی یا پیزوالکتریک به کار رفته در این سیستم ها، می تواند نوسان ایجاد شده را تشخیص و به ازای هر نوسان، سیگنال خروجی را بفرستد. سیگنال خارج شده با تشکیل گردابه، دارای فرکانس یکسانی خواهند بود. اندازه گیری دبی سیال با استفاده از همین سیگنال خروجی انجام می گیرد.
دبی سنج حرارتی
یکی از انواع دبی سنج های جرمی، نوع حرارتی است. کاربرد این نوع از فلومترها برای کنترل گازهایی مانند هوای فشرده، دی اکسید کربن و گاز طبیعی است که مصرف می شود. دقت این نوع از دبی سنج ها خیلی معمولی بوده اما استفاده از آن فراوان است. یکی از محدودیت های کاربرد این نوع از دبی سنج ها این است که در گازهای اشباع، رطوبت وجود دارد. سنسور دما می تواند دچار خوردگی شده و در اندازه گیری خطا ایجاد شود، زیرا در این نوع از فلومتر، مخلوط دو فازی وجود دارد.
عملکرد دبی سنج حرارتی، بر اساس انتقال گرما از سیال عبوری بوده و دبی در این فلومتر با کمک سیم داغ اندازه گرفته می شود. دو سنسوری که در ساختار این دبی سنج وجود دارد، یکی وظیفه اندازه گیری دمای سیال به عنوان دمای مرجع را بر عهده داشته و دیگری با گرم شدن، دارای یک تفاوت دمایی ثابتی با سنسور اولی است. اما وقتی که سیال از داخل لوله اندازه گیری عبور کرد، خنک شدن سنسور دوم با از دست دادن میزانی از گرمای آن صورت می گیرد.
معیاری که برای دبی جرمی در این سیستم مد نظر است، جریان الکتریکی است که برای نگه داشتن این اختلاف دما بین دو سنسور نیاز است. مدت زمان واکنش فلومترهای حرارتی خیلی کم بوده ولی دقت اندازه گیری آن ها بسیار بالا است، حتی در مواقعی که دامنه های اندازه گیری پایین است.
انتخاب واحد اندازه گیری دبی
نوع یک دبی سنجی که برای اندازه گیری دبی سیال به کار برده می شود، چه برای اندازه گیری جرمی و چه برای اندازه گیری حجمی، از اهیمت ویژه ای برخوردار است. شاید تصور شود که تبدیل این دو واحد با داشتن چگالی سیال، به همدیگر کار آسانی باشد. اما در صورتی که چگالی سیال با توجه به شرایطی چون تغییر دما و تراکم پذیری سیال، می تواند تغییر کند. در نتیجه تبدیل دبی حجمی به دبی جرمی سخت می شود.
تشکیل حباب در اندازه گیری دبی حجمی نیز می تواند مشکل ساز بوده و ایجاد خطا کند. برای رفع این مشکل، جداکردن هوا و گاز داخل مایعات انجام می گیرد. بنابراین این که چه نوع فلومتری با چه واحدی برای اندازه گیری انتخاب شود، بسیار حائز اهمیت است. قیمت مواد شیمیایی که برای این موارد به کار برده می شود با توجه به نوع آن ها، با هم فرق دارند.
