فلومتر حرارتی جرمی
فلومتر چیست؟
اندازه گیری جریان سیال بعنوان یکی از مهمترین پارامترهای اندازه گیری در صنایع مختلف از اهمیت ویژه ای برخوردار است.
در حقیقت بیشتر کارشناسان پس از اندازه گیری دمای سیال مهمترین کمیت برای اندازه گیری در صنایع را فلو یا جریان سیال می نامند.
با در نظر گرفتن اهمیت اندازه گیری این کمیت و همچنین تنوع در فرآیند صنایع گوناگون ،در طول زمان روشهای زیادی برای اندازه گیری جریان سیال مرسوم شده.
نکات مهم در انتخاب فلومتر
انتخاب Flowmeter مناسب برای هر صنعت نیاز به دانش جامع نسبت به کارای این دستگاه ها و در نظر داشتن پارامترهای اصلی اندازه گیری از قبیل دقت،قیمت تمام شده جهت فروش فلومتر ،هزینه های تعمیرات و کالیبراسیون، سازگاری عملکرد Flowmeter با شرایط پروسه تولید در صنعت مورد نظر و…می باشد.
- مشخصات سیال
- دامنه تغییرات فشار و دما
- لوله‌کشی و محل نصب
- دامنه اندازهگیری و دقت دستگاه
- واحد اندازهگیری دبی
اساس عملکرد فلومتر حرارتی جرمی
فلومتر جرمی رایج CTMF شامل بدنه و سنسور دبی است. سنسور دما در داخل بدنه دبی سنج قرار دارد. بخش مشخصی از دبی گاز عبوری از بدنه دبی سنج از طریق مسیر کاری عبور کرده و به وسیله ان دبی گاز محاسبه میشود.
یک دبی سنج که در ان سنسور دبی رایج شامل تیوبی نازک و دوسنسور دما است. بسته به سازنده دستگاه هیتر میتواند باهریک از سنسورهای دما ترکیب شود یا به صورت مجزا در وسط سنسور دبی قرار گیرد یعنی بین سنسور دمای بالادست T1و سنسور پایین دست T2قرار گیرد.
یک منبع تغذیه قوی گرمای ثابتی را به سنسور دبی سنج انتقال می دهد. در حالتی که حرکت در سیال وجود ندارد هر دو سنسور دمای مشابهی را اندازه گیری میکند. هنگامیکه نرخ دبی افزایش میابد گرما از سمت سنسور بالادستT1دور شده و به سنسور پایین دست T2 انتقال میابد.مدار پل این اختلاف دما را تفسیر میکند و به کمک تقویت کننده ای سیگنال خروجی دبی تولید میشود. اختلاف دمای اندازه گیری شده بین سنسورها با نرخ دبی جرمی است.
دبی در سنسورهای دبی سنج حرارتی فقط در نرخ های پایین دقیق است. بنابراین برای اندازه گیری نرخ های بالاتر نیاز به پخش کردن کل دبی است. این تقسیم سیال در بدنه تجهیز و به وسیله المان دبی خطی انجام میپذیرد. این المان افت و فشار خطی تولید میکند که متناسب با دبی جرمی است.
رنج و محدوده این نوع از دبی سنج مستقیما از گرمای ویژه گاز cp تاثیرپذیر است. کالیبراسیون برای تمام گازهای فرایندی امکان پذیر نیست. اگرگاز مربوطه خورنده یا خطرناک باشد معمولا از گازهای مرجع مانند هوا و نتیروژن برای کالیبره کردن استفاده میشود.
طراحی رایج:
از انجایی که در دبی های بالا مقدار گرمای زیادی انتقال داده میشود در این تجهیز عملا فقط نرخ دبی های خیلی پایین میتواند به صورت دقیق اندازه گیری شود. در نتیجه عموما برای دبی سنج های CTMF از المان خطی دبی استفاده میشود. که در خط اصلی قرار گرفته و باعث عبور نسبت مشخصی از دبی در محدوده های مختلف از خط کنار گذر میشوند. انتهای تیوپ مویین به خروجی و ورودی الماان خطی دبی متصل میشود. این ساختار باعث ثابت شدن نسبت عبوری گاز از قسمت مویین میشود. در این نوع طراحی هیتر و سنسورهای دما به جای مسیر اصلی در تیوپ مویین کنار گذر قرار میگرید. البته طرحای دیگیری نیز وجود دارد که سنسورها مستقیما در مسیر اصلی یعنی بدون لوله مویین و المان خطی دبی قرار نگرفته اند.
کاربرد فلومتر حرارتی جرمی
فلومترهای حرارتی که با عنوان فلومتر جرمی انتشار (dispersion) یا شناوری (immersible) حرارتی نیز شناخته میشوند، شامل خانوادهای از ابزارهایی میشوند که برای اندازهگیری کل جریان جرمی سیالات، به ویژه گازهایی که درون مجاری بسته جریان می یابند، به کار میروند.
نوع دیگری از فلومترهای حرارتی، فلومتر لوله مویرگی است. بسیاری از کنترلرهای جرمی جریان (MFC) که از مجموعهای مرکب از یک فلومتر جرمی، اجزای الکترونیکی و یک شیر بهره میگیرند، مبتنی بر این طراحی هستند. علاوه بر این، یک فلومتر حرارتی جرمی را میتوان بر مبنای اندازهگیری تفاضل دما در یک تراشه MEMS پایه-سیلیکونی، تعبیه کرد.
بهرهگیری از این روش کار در فلومترهای حرارتی جرمی، منتسب به L.V. King است که در سال ۱۹۱۴ قانون معروف خود با نام قانون King را منتشر کرد و در آن نشان داد که چگونه یک سیم حرارت دیده غوطهور درون یک سیال، سرعت جرمی جریان در یک نقطه از آن را اندازهگیری میکند. کینگ (King) این ابزار را “بادسنج سیم داغ” نامید. با این حال، تا دهههای ۱۹۶۰ و ۱۹۷۰، از نمونههای صنعتی فلومترهای حرارتی، رونمایی نشد.
هر دو نوع فلومتر حرارتی که پیشتر به آنها اشاره شد، جریان جرمی سیال را با استفاده از گرمای منتقل شده از یک سطح گرم به سیال جاری، اندازهگیری میکنند. در فلومترهای حرارتی از نوع انتشار و شناوری حرارتی، حرارت به لایه مرزی سیال که روی سطح گرم جاری است، منتقل میشود. این در حالی است که در فلومتر حرارتی نوع لوله مویرگی، گرما به تودهای از سیال که از درون یک لوله نازک حرارتدیده، عبور میکند، منتقل میشود. اصول عملکرد هر دو نوع فلومتر حرارتی، اساساً حرارتی است اما تفاوتهای آنها به گونهای است که دو استاندارد جداگانه برای آنها، مورد نیاز است. علاوه بر این، کاربردهای آنها نیز بسیار متفاوت است. فلومترهای انتشار حرارتی، معمولاً برای کاربردهای صنعتی مرتبط با جریان گاز در لولهها و کانالها استفاده میشود، در حالی که انواع مویرگی فلومتر حرارتی، عمدتاً برای جریانهای کوچکتر گازها و مایع تمیز در لوله ها استفاده میشود. با وجود استفاده گسترده نمونه لوله میرگی در صنعت، این مقاله بدان نمی پردازد.
نکات قابل توجه در انتخاب فلومتر های حرارتی :
- فلومتر های حرارتی معمولا برای اندازه گیری گاز های تمیز مانند هوا ٬نیتروژن ٬ هیدروژن و سایر گاز های صنعتی مورد استفاده قرار می گیرد.
- استفاده از انها برای گاز های مخلوط ٬در صورتی که ترکیب گاز و در نتیجه ظرفیت گرمایی ان شناخته شده باشد امکان پذیر است.
- مزیت مهم این روش عدم وابستگی ان به چگالی گاز و در نتیجه عدم نیاز به جبران سازی تغییرات دما و فشار می باشد.
- این روش برای سیالات ساینده به دلیل صدمه رساندن به سنسور قابل استفاده نیست. همچنین سیالاتی که بروی سنسور ها فلومتر پوشش ایجاد می کند موجب کاهش دقت ان می شود.
- به دلیل اینکه کالیبراسیون این سنسور ها بر اساس خصوصیات حرارتی اجزای ان مانند سنسور ها و هیتر انجام شده٬ تعمیر و تعویض ان موجب کاهش در دقت ان می شود.
- گاز هایی که احتمال میعان و تولید قطرات مایع در ان ها وجود دارد موجب اندازه گیری های نامعتبر در این نوع فلومتر می شود زیرا قطرات مایع ٬مقدار گرمایی زیادی که از هیتر جذب می کند.
مزایا
- غیرتماسی بدون سنسور واردشونده
- بدون مانع در مسیر سیال
- نیازهای نگهداری کمتر
معایب
- فقط برای گازهای با دبی پایین مناسب است
- در معرض خوردگی و فرسودگی است.
