آشنایی با فلومترهای گرمایی

معرفی فلومترهای گرمایی؛ نحوه عملکرد، مزایا و معایب

فهرست مطالب

معرفی فلومترهای گرمایی

فلومترهای جرمی انتشار گرما یا به اختصار فلومترهای گرمایی(Thermal Flow meter)، همانطور که از نام آنها مشخص است؛ نرخ دبی جرمی سیالات به خصوص گازها را در لوله­ ها، مسیرها و کانال­ های بسته اندازه ­گیری می­ کنند. اولین توصیف عمومی و مبانی این دسته از فلومترها در مقاله ­ای توسط آقای کینگ (L. V. King) در سال 1914 ارائه شد. این توصیف بعداً به عنوان قانون کینگ مشهور شد. در آن مقاله، آقای کینگ چگونگی محاسبه­ ی تکانه (سرعت جرمی) درنقطه­ ای که یک رشته حرارتی در مقابل یک جریان سیال قرار گرفته، توضیح می ­دهد. او این تجهیز را به نام بادسنج حرارتی (hot-wire anemometer) نام­ گذاری می­ کند. در دهه­ ی شصت، هفتاد میلادی فلومترهای جرمی انتشار گرمایی در نوع صنعتی خود به وجود می­ آیند. این فلومترها طیف وسیعی از نیازهای صنعت را در اندازه­ گیری مستقیم فلوی جرمی هوا، گازهای طبیعی و دیگر گازها در لوله­ ها و کانال­ ها پاسخ دادند.

فلومترهای جرمی انتشار گرمایی، در واقع گرمای انتقال ­یافته به لایه­ ی مرزی گاز عبوری، توسط سطح­ سنسور سرعت گرم شده که در برابر جریان گاز قرار گرفته، اندازه  ­گیری می­ کنند. از آنجایی که در این مدل، این مولکول ­های سیال هستند که با عبور از کنار سنسور گرم ­شده گرما را منتقل می­ کنند نه حجم سیال؛ از این رو می توان استدلال کرد که این دسته از فلومترها، فلوی جرمی سیال را نه فلوی حجم آن را اندازه ­گیری می­ کنند.

اجزاء فلومترهای گرمایی چیست؟

 

فلومترهای گرمایی همانند اکثر تجهیزات ابزار دقیق از دو بخش سنسور و بخش ترانسمیتر تشکیل شده­ اند. بخش سنسور، سیگنال خام مورد نظر را طبق اصولی که روش بر آن پایه­ گذاری شده اندازه­  گیری می­ کند؛ در بخش ترانسمیتر پردازش­ های تکمیلی موردنیاز و فرآیند تبدیل سیگنال خام به سیگنال استاندارد انجام می­ گردد. بنابراین تفاوت عمده فلومترهای مختلف در بخش سنسورها و نحوه اندازه­ گیری آنها می ­باشد. فلومترهای گرمایی خود شامل انواع مختلفی هستند. در این نوشتار تنها به توضیح یک مدل خاص پرداخته می ­شود.

امّا بخش سنسور فلومترهای گرمایی؛ این قسمت از دو المان اصلی تشکیل­ شده است. این دو المان دو میله ­ی مجاور هستند که تحت عناوین سنسور دما (Temperature Sensor) و سنسور فلو (Flow Sensor) شناخته می­  شوند.

آشنایی با فلومترهای گرمایی
  • المان سنسور دما: این المان معمولاً از یک سنسور دما RTD از نوع PT100 ساخته شده است. وظیفه این المان اندازه­ گیری دقیق دمای سیال در نزدیکی سنسور فلو می­ باشد.
  • المان سنسور فلو: این المان نیز در واقع یک سنسور دمای RTD می ­باشد با این تفاوت که در این المان یک گرم­کن (Heater) نیز وجود دارد. در این المان سعی می­شود یک دمای بالاتر نسبت به المان سنسور دما داشته باشد.

اصول عملکرد و نحوه­ ی محاسبه ­ی دبی در فلومتر گرمایی چیست؟

 

همانطور که در قسمت قبل نشان داده شده است؛ فلومترهای گرمایی از دو المان سنسور دما و سنسور فلو تشکیل شده است. همچنین هر دو سنسور، مجهز به دماسنج می  ­باشند. مکانیزم عملکرد این تجهیز به نحوی است که اختلاف دمای بین این دو المان همیشه یک دمای ثابت (مثلاً 50 درجه سانتی گراد) باشد. از طرفی قرار گرفتن المان سنسور فلو در مسیر عبور سیال منجر به خنک شدن آن و پایین آمدن دمای سنسور فلو می ­شود. از آنجایی که تجهیز، طوری طراحی شده است که اختلاف دمای بین دو المان را ثابت نگه دارد؛ در نتیجه برای حفظ اختلاف دما جریان بیشتری را به گرم­کن نصب شده بر روی المان سنسور فلو اعمال می ­کند. همچنین از طرفی نرخ دبی سیال عبوری رابطه ­ی مستقیمی با خنک شدن سنسور فلو و در نتیجه جریان مصرفی گرم­کن دارد. در نهایت، در این مدل با اندازه­ گیری سیگنال جریان مصرفی گرم­کن، میزان دبی سیال محاسبه می ­گردد.

الف) فلوی کم و متناسب با آن کم شدن جریان مصرفی گرم کن (heater)
آشنایی با فلومترهای گرمایی
ب) فلوی زیاد و متناسب با آن زیاد شدن جریان مصرفی گرم کن (heater)

مزایای فلومترهای گرمایی

 

در اینجا تعدادی از مزایای فلومترهای گرمایی به صورت تیتر آورده می ­شود.

  • کمیت اندازه  ­گیری این نوع از فلومترها، بر خلاف اکثر فلومترهای متداول، فلوی جرمی می­ باشد. این موضوع در برخی از کاربردها مانند اندازه­  گیری فلوی گازها، از اهمیت ویژه­ای در اندازه­ گیری برخوردار است.
  • این دسته از فلومترها در مقایسه با سایر فلومترهای جرمی بسیار اقتصادی و به صرفه ­تر می­ باشند.
  • فلومترهای گرمایی به علّت برخورداری از مقدار Turn Down بسیار بالا (چیزی در حدود 1000:1( از مقبولیت ویژه  ­ای برخوردار هستند. این موضوع باعث می­ شود تا اندازه­ گیری دبی­ های بسیار کم تا بسیار بالا تنها با استفاده از یک فلومتر گرمایی امکان ­پذیر شود.
  • فلومترهای گرمایی با توجه به عدم استفاده قسمت ­های متحرّک در طراحی آن ها، نصب بسیار ساده ­ای دارند و همچنبن میزان اُفت فشار(Pressure Drop) بسیار پایین و قابل صرفه نظری دارند. از این­رو، گزینه­ ی منطقی و به صرفه­  ای برای لوله ­های با قطر بسیار بالا به شمار می ­آیند.
  • این تجهیزات از دقت اندازه­ گیری به نسبت خوبی، حدود 1% تمام مقیاس برخوردار هستند. در بعضی از مدل­ها این دقت، تا حدود 0.5% مقدار خوانده شده نیز رسیده است.

 

معایب فلومترهای گرمایی

 

  • فلومترهای گرمایی، برای محاسبه­ ی فلوی جرمی، نیاز به یک سری از پارامترهای مربوط به سیال عبوری از لوله دارند. دانستن این پارامترها برای کالیبراسیون و همچنین اندازه­ گیری تجهیز ضروری می ­باشند. پارامترهای هدایت گرمایی (Thermal Conductivity)، چگالی و گرانروی (Density and Viscosity) و همچنین ظرفیت گرمایی (Heat Capacity) از جمله پارامترهای مهم سیال برای اندازه­ گیری فلوی گرمایی می ­باشد.
  • کالیبراسیون فلومترهای گرمایی بایستی در شرایط نصب شده در محل انجام گیرد. همچنین برای داشتن دقت قابل قبول، فلومتر در یک محیط با حلقه­ ی بسته قرار بگیرد. به عبارت دقیق ­تر، نبایستی لوله­ های عبور سیال (به خصوص گازها) از یک سمت به محیط آزاد متصل باشند.

در این نوشتار سعی شد که فلومترهای گرمایی، اجزای اصلی آنها، مکانیزم عملکرد آنها و همچنین مزایا و معایب آنها به طور مختصر مورد بررسی قرار بگیرد. در نهایت پیشنهاد می­شود برای مرور هرچه بهتر مباحث مطرح ­شده، کلیپ ویدئو زیر را مشاهده کنید.