معرفی
فلومتر جرمی، که به عنوان فلومتر اینرسی نیز شناخته می‌شود، دستگاهی است که نرخ جریان جرمی یک سیال عبوری از یک لوله را اندازه‌گیری می‌کند. نرخ جریان جرمی به معنای جرم سیالی است که در واحد زمان از یک نقطه مشخص عبور می‌کند.
فلومتر جرمی حجم سیال عبوری (مثلاً متر مکعب بر ثانیه) را اندازه‌گیری نمی‌کند؛ بلکه جرم سیال عبوری (مثلاً کیلوگرم بر ثانیه) را اندازه‌گیری می‌کند. نرخ جریان حجمی برابر است با نرخ جریان جرمی تقسیم بر چگالی سیال. اگر چگالی سیال ثابت باشد، این رابطه ساده است. اما اگر چگالی سیال تغییر کند، این رابطه پیچیده می‌شود. به‌عنوان مثال، چگالی سیال ممکن است با تغییرات دما، فشار یا ترکیب شیمیایی تغییر کند. همچنین، سیال ممکن است ترکیبی از فازهای مختلف مانند مایعی با حباب‌های معلق باشد. چگالی واقعی را می‌توان با توجه به وابستگی سرعت صوت به غلظت سیال کنترل شده تعیین کرد.
فلومترهای جرمی کوریولیس
یکی از انواع فلومترهای جرمی، فلومترهای جرمی کوریولیس هستند که به دلیل دقت بالا و کارایی چندمنظوره در صنایع مختلف به کار می‌روند. این دستگاه‌ها بر اساس اثر کوریولیس عمل می‌کنند که در آن وقتی یک سیال از یک لوله عبور می‌کند، باعث پیچش لوله می‌شود. این حرکت پیچشی به‌طور مستقیم با نرخ جریان جرمی متناسب است و امکان اندازه‌گیری دقیق را فراهم می‌کند.
مزایای فلومتر جرمی کوریولیس
- یکی از مهمترین مزیت های این فلومترها، قابلیت اندازه گیری طیف بسیار زیادی از سیالات با سرعت های بسیار کم یا زیاد میباشد. دلیل این امر عملکرد مستقل این فلومتر از عدد رینولدز میباشد.
- عملکرد این فلومتر مستقل از پارامترهای جریان مانند آشفتگی و تلاطم رژیم جریان میباشد. به همین جهت نیازی به ایجاد فضای اضافی برای بالا دست و یا پایین دست ضروری نمی‌باشد.
- فلومتر جرمی با اندازه گیری مستقیم جرم و چگالی سیال، از تغییرات دمایی و فشار مستقل میباشد. همچنین این فلومتر قادر به اندازه‌گیری جریان جرمی، حجمی، چگالی سیال و دما میباشد.
- فلومتر جرمی دارای دقت بسیار بالایی میباشد. (حدود 0.2٪)
- در طراحی این محصول در مسیر جریان سیال هیچ قطعه مکانیکی و متحرکی وجود ندارد. این ویژگی باعث کاهش تعمیرات و نگهداری های معمول در فلومتر خواهد شد.
معایب فلومتر کوریولیس
- یکی از مهمترین محدودیت های فلومتر کوریولیس این است که در سایز های بزرگتر از 8 اینچ تولید نمی‌شوند.
- برخی از طرح های فلومتر به سرعت سیال بسیار بالایی نیاز دارند تا به مقدار قابل توجهی از زمان یا اختلاف فاز بین سیگنال‌های ابزار تشخیص دهنده جریان دست پیدا کنند. این موضوع (افزایش سرعت) می‌تواند منجر به افت فشار بسیار زیاد در فلومتر شود.
- فلومتر های کوریولیس به دلیل دقت اندازه گیری بالاتر دارای قیمت های بالاتر و گران تری نیز نسبت به فلومترهای دیگر در سایز های مشابه خواهند داشت.
- فلومترهای کوریولیس در اندازه‌گیری جریان گاز های کم فشار دارای محدودیت میباشند. گازهای کم فشار چگالی کمی دارند و سرعت جریان جرمی آنها معمولاً بسیار کم است. به منظور تولید جریان جرمی کافی برای تامین نیروی کوریولیس کافی برای اندازه‌گیری، سرعت گاز باید بسیار بالا باشد.
کارکرد فلومتر کوریولیس
فلومترهای کوریولیس به دو صورت طراحی می‌شوند: فلومتر لوله خمیده و فلومتر لوله مستقیم. در این مقاله، طراحی لوله خمیده مورد بررسی قرار می‌گیرد.
چرخش لوله بدون جریان جرمی:
در فلومتر کوریولیس، هنگامی که سیال جریان می‌یابد، لوله‌ها کمی پیچ می‌خورند. در بازوی ورودی که سیال در حال دور شدن از محور چرخش است، باید نیرویی به سیال اعمال شود تا حرکت زاویه‌ای آن افزایش یابد، که باعث خم شدن آن به عقب می‌شود. بازوی خروجی که سیال را به سمت محور چرخش برمی‌گرداند، باید نیرویی برای کاهش سرعت زاویه‌ای سیال اعمال کند، بنابراین این بازو به جلو خم می‌شود.
به عبارت دیگر، بازوی ورودی که جریان به سمت خارج دارد، از چرخش کلی عقب می‌ماند و بازوی خروجی که جریان به سمت داخل دارد، از چرخش کلی جلوتر است.
الگوی ارتعاشی:
در فلومترهای جرمی لوله خمیده، سیال از دو لوله موازی عبور می‌کند. یک عملگر، ارتعاشات متقابل را در بخش‌های موازی با محور ایجاد می‌کند تا دستگاه اندازه‌گیری به ارتعاشات خارجی حساسیت کمتری داشته باشد. فرکانس ارتعاش بسته به اندازه فلومتر از 80 تا 1000 هرتز متغیر است و دامنه ارتعاش بسیار کوچک است که قابل مشاهده نیست، اما با لمس احساس می‌شود.
در حالت بدون جریان، حرکت دو لوله متقارن است. اما هنگامی که جریان جرمی وجود دارد، لوله‌ها کمی پیچ می‌خورند. بازوی ورودی که سیال را از محور چرخش دور می‌کند، باید نیرویی به سیال وارد کند تا جرم سیال به سرعت ارتعاش لوله‌ها در بیرون شتاب بگیرد، به همین دلیل از ارتعاش کلی عقب می‌ماند. بازوی خروجی که سیال را به سمت محور بازمی‌گرداند، باید نیرویی برای کاهش سرعت زاویه‌ای سیال اعمال کند، بنابراین از ارتعاش کلی جلوتر است.
عوامل تأثیرگذار بر دقت فلومترهای جرمی
عوامل متعددی بر دقت اندازه‌گیری فلومترهای جرمی تأثیر می‌گذارند، از جمله خطای اساسی دستگاه، پایداری نقطه صفر، و خطای تکرارپذیری. این خطاها می‌توانند از طریق طراحی و ساخت فلومتر اصلاح شوند. علاوه بر این، برخی از خطاها ممکن است در حین نصب و استفاده از فلومتر نیز رخ دهند، مانند دمای بیش از حد فرآیند، فشار فرآیند که بسیار بالاتر از فشار کالیبراسیون است، یا ارتعاش مکانیکی قوی در محیط اطراف، که همگی می‌توانند دقت اندازه‌گیری فلومتر را تحت تأثیر قرار دهند.
تأثیر و اصلاح ارتعاش مکانیکی
فلومترهای جرمی بر اساس اصل ارتعاش کار می‌کنند و با فرکانس خود ارتعاش می‌کنند. سیال عبوری از لوله اندازه‌گیری باعث پیچش آن می‌شود و میزان پیچش با مقدار جریان جرمی متناسب است. با این حال، ارتعاشات مکانیکی خارجی می‌توانند فرکانس و دامنه ارتعاش دستگاه را تحت تأثیر قرار دهند، که ممکن است دقت اندازه‌گیری را کاهش دهد یا در موارد شدید، به دستگاه آسیب بزند. برای کاهش این تأثیرات، نصب و نگهداری صحیح بسیار مهم است.
تأثیر و اصلاح دمای فرآیند
تغییرات دمای فرآیند ممکن است باعث تغییر در حجم سیال شوند، اما تأثیری بر نتایج اندازه‌گیری نخواهد داشت، زیرا جرم ماده همیشه حفظ می‌شود. اما تغییرات دما بر سختی و پایداری نقطه صفر لوله اندازه‌گیری تأثیر می‌گذارد، که می‌تواند دقت فلومتر جرمی را تحت تأثیر قرار دهد.
چالش‌های رایج در دستیابی به دقت در اندازه‌گیری‌های فلومتر جرمی
با وجود پیشرفت‌های صورت گرفته در فناوری فلومترهای جرمی، چالش‌هایی در دستیابی به دقت همچنان وجود دارد. حضور ناخالصی‌ها یا آلودگی‌ها در سیال می‌تواند اندازه‌گیری‌ها را تحت تأثیر قرار دهد. همچنین، آشفتگی جریان، مانند چرخش یا تلاطم، می‌تواند بر دقت اندازه‌گیری تأثیر بگذارد.
بهترین روش‌ها برای حفظ دقت در اندازه‌گیری‌های فلومتر جرمی
برای اطمینان از اندازه‌گیری‌های دقیق، پیروی از بهترین روش‌ها ضروری است. کالیبراسیون و تأیید منظم فلومتر جرمی در برابر یک استاندارد معتبر، نصب صحیح و نگهداری مناسب از دستگاه از جمله این روش‌ها هستند.