معرفی
در ادامه درباره اینکه این نوع فلومترها دقیقاً چه هستند و چه چیزی آنها را از سایر فلومترهای گازی متمایز می‌کند توضیح داده شده است همچنین توضیح مفصلی درباره اصل کارکرد آنها و سنسورهای جریان و مزایا و معایب آنها ارائه شده است.
اندازه‌گیری جریان جرمی در مقابل جریان حجمی
در بسیاری از فرآیندهای تحقیقاتی و تولیدی، متغیر مهم جرم است، نه حجم. اندازه‌گیری‌های جریان حجمی به اندازه اندازه‌گیری جریان جرمی قابل‌اعتماد نیستند، زیرا تغییرات دما یا فشار بر چگالی یک حجم معین گاز تأثیر می‌گذارند.
فلومترهای حرارتی با استفاده از مقادیر کمی گرما، نرخ جریان جرمی گازها یا مایعات را اندازه‌گیری می‌کند، هرچند این فلومترها اغلب برای اندازه‌گیری جریان کم گازها استفاده می‌شوند. فلومترهای جرمی حرارتی محبوب‌ترین ابزارها برای تعیین جریان جرمی جریان‌های کم گاز هستند. از زمان معرفی این ابزارها در دهه ۱۹۷۰، آنها توسعه قابل‌توجهی داشته‌اند، از آنالوگ به دیجیتال، از جریان‌های کم به جریان‌های بالا، از کاربردهای آزمایشگاهی و ماشینی تا محیط‌های صنعتی و حتی مناطق خطرناک. تقریباً برای هر کاربرد گاز با جریان کم، یک فلومتر جرمی حرارتی مناسب وجود دارد.
برخلاف دستگاه‌های اندازه‌گیری جریان حجمی مانند فلومترهای پورج (پرج) یا توربین‌مترها، فلومترهای حرارتی به دلیل محاسبه جریان جرمی، نسبت به نوسانات دما و فشار جریان ورودی ایمن هستند. این فلومترها می‌توانند به‌صورت مستقیم جریان جرمی را اندازه‌گیری کنند، در حالی که اکثر روش‌های دیگر نیاز به اندازه‌گیری‌های جداگانه برای دما و فشار دارند تا چگالی و در نهایت جریان جرمی محاسبه شود.فلومترهای جرمی حرارتی جریان را در سطح مولکولی اندازه‌گیری می‌کنند و از این رو می‌توانند جریان گاز را با دقت، تکرارپذیری و قابلیت‌اعتماد بالا به فرآیند وارد کنند.
فلومترهای جرمی حرارتی جریان را در سطح مولکولی اندازه‌گیری می‌کنند و از این رو می‌توانند جریان گاز را با دقت، تکرارپذیری و قابلیت‌اعتماد بالا به فرآیند وارد کنند.
اندازه‌گیری جریان جرمی حرارتی چیست؟
اندازه‌گیری جریان جرمی حرارتی مربوط به انتقال حرارت است. هنگامی که یک جریان گاز یا مایع از سطح گرم شده عبور می‌کند، گرما از سطح گرفته شده و به داخل سیال جذب می‌شود. به نوعی، چنین جریانی یک اثر خنک‌کنندگی روی سطح گرم شده دارد. هر چه جریان بیشتر باشد، سطح گرم‌شده بیشتر خنک می‌شود. با اندازه‌گیری مقدار توان (الکتریکی) اضافی مورد نیاز برای نگه‌داشتن سطح خنک‌شده در دمای اولیه، می‌توان مقدار گرمای جذب‌شده توسط سیال را محاسبه کرد.
ظرفیت حرارتی
اندازه‌گیری‌های جریان جرمی حرارتی به خواص حرارتی سیال مانند ظرفیت حرارتی ویژه آن متکی هستند. ظرفیت حرارتی ویژه یک مایع یا گاز یک ویژگی ذاتی آن سیال است و تعریف می‌کند که وقتی مقداری انرژی گرمایی به آن جذب شود، دمای سیال به چه میزان افزایش می‌یابد. در این اندازه گیری جرم سیال نیز مهم است زیرا ۲ گرم سیال می‌تواند دو برابر یک گرم از همان سیال گرما جذب کند. این اصل هم برای سیالات ساکن و هم برای سیالات متحرک، به خصوص در جریان‌های کم مایع یا گاز صادق است.
اندازه‌گیری جریان جرمی حرارتی از این اصل فیزیکی ساده استفاده می‌کند که رابطه مستقیم بین جرم جریان (بر حسب گرم در ثانیه) و توان اعمال‌شده (بر حسب ژول گرما در ثانیه) را با ظرفیت حرارتی ویژه (بر حسب ژول به ازای هر گرم به ازای هر درجه سانتی‌گراد) و تفاوت دمای ناشی از گرما (بر حسب درجه سانتی‌گراد) به عنوان عوامل تناسب برقرار می‌سازد.
چرا کالیبراسیون مورد نیاز است؟
اصل اندازه‌گیری فلومتر جرمی حرارتی بر اساس انتقال حرارت است و به ظرفیت حرارتی ویژه سیال وابسته است. بنابراین، فلومترهای جرمی حرارتی نیاز به کالیبراسیون برای سیال خاصی دارند.
تفاوت بین سنسورهای جریان حرارتی
فلومترهای جرمی حرارتی و کنترلرهای جرمی حرارتی از هدایت حرارتی سیالات استفاده می‌کنند. در دسته‌بندی فلومترهای حرارتی، چندین نوع سنسور وجود دارد که عبارتند از:
- سنسورهای خط مستقیم (inline) که به طور مستقیم در جریان اصلی اندازه‌گیری می‌شوند.
- سنسورهای انشعابی که در آن بخش متناسبی از جریان از یک محدودکننده عبور می‌کند.
هر فناوری مزایا و معایب خاص خود را دارد که به کاربرد بستگی دارد. به عنوان مثال، در کاربردهای گاز تمیز و خشک که دقت بالا به اندازه تکرارپذیری اهمیت دارد، ابزارهای انشعابی ممکن است انتخاب بهتری باشند.
از سوی دیگر، در کاربردهایی که شامل گاز کمی مرطوب است یا جایی که دقت پایین‌تر ولی تکرارپذیری و مقاومت بالا مورد نیاز است، فلومترهای با سنسور خط مستقیم مقاوم ممکن است انتخاب بهتری باشند.
مزایا
- اکثر این فلومترها دارای کنترلر جرمی حرارتی هستند. این مورد در واقع چیزی بیش از یک فلومتر همراه با یک شیر کنترلی یکپارچه یا متصل نیست. این ابزارهای جمع‌وجور در کاربردهایی استفاده می‌شوند که گازها باید به‌دقت کنترل شوند.
- تکنولوژی فلومتر و کنترلر جرمی حرارتی به طور مداوم در حال بهبود است. ویژگی‌هایی مانند قابلیت چندگاز/چندمحدوده یا توابع تشخیصی دیگر استثنا نیستند.
- فلومترهای جرمی حرارتی دارای نسبت دور گسترده‌ای حداقل 100 به 1 هستند، به این معنی که می‌توانند دامنه بسیار بزرگ‌تری از نرخ‌های جریان را نسبت به سایر فناوری‌های فلومتر به‌صورت دقیق و قابل تکرار اندازه‌گیری کنند. این دستگاه‌ها تحت تأثیر تغییرات فشار قرار نمی‌گیرند زیرا فلومتر حرارتی مولکول‌ها را شمارش می‌کند.
- فلومترهای جرمی حرارتی افت فشار بسیار کمی دارند (در مقیاس اینچ آب). بیشتر این فلومترها دارای حساسیت بسیار بالا در محدوده پایین جریان هستند و حتی قادر به تشخیص جریان‌هایی مانند شعله پیلوت در یک خط گاز طبیعی می‌باشند.
- این فلومترها هیچ قطعه متحرکی ندارند و فناوری آنها بر اساس انتقال حرارت بین دو حسگر دمای مقاومتی (RTD) است که از سیم‌های پلاتینی پایدار تشکیل شده و با روکش فولاد ضد زنگ محافظت می‌شوند. نصب آنها آسان است و گاهی فقط به یک جوشکاری نیاز دارند و دیگر نیازی به برش لوله برای قرار دادن بخش‌های حلقوی نیست.
- فلومترهای جرمی حرارتی قابلیت تکرار و بازتولید خارق‌العاده‌ای با نیاز به نگهداری ناچیز در محدوده گسترده‌ای از جریان‌ها دارند.
- از نظر اقتصادی نیز فلومترهای جرمی حرارتی مقرون‌به‌صرفه هستند، به‌ویژه چون هزینه و نیاز به نصب فرستنده‌های دما و فشار اضافی را حذف می‌کنند.
نتیجه گیری
فلومترهای جرمی حرارتی با داشتن دقت بالا، حساسیت بسیار بالا به تغییرات جریان، و سادگی در نصب و نگهداری، یک انتخاب عالی برای صنایع مختلف هستند. از کاربردهای آزمایشگاهی تا صنایع بزرگ مانند نفت و گاز، این ابزارها می‌توانند با کالیبراسیون دقیق و استفاده بهینه، به بهبود فرآیندها و کاهش هزینه‌ها کمک کنند.