فلومتر (Flow Meter) چیست؟

فلومتر ابزاری است که به کمک آن دبی جرمی یا حجمی یک سیال (مایع یا گاز) را اندازه گیری می‌کنند. فلومتر با نام‌های دیگری مانند جریان سنج، دبی سنج، سنسور جریان، لیترسنج، کنترل‌کننده جریان و ... نیز شناخته می‌شود. هدف استفاده از یک فلومتر اندازه گیری جریان گاز یا مایع بین دو نقطه دریک فرایند است. فلومترها در صنایع از اهمیت بسیار بالایی برخوردارند. با توجه به کاربردهای گسترده جریان سنج‌ها در صنایع مختلف، انواع مختلفی از آن‌ها با فناوری‌های مختلف و دقت‌های متفاوت تولید می‌شوند تا نیازهای صنایع گوناگون را پاسخ دهند.
برخی از فلومترها برای اندازه گیری مقدار جریان سیال گذر کرده از داخل آن‌ها پس از گذشت زمان مشخصی طراحی شده‌اند (برای مثال 100 لیتر در هر دقیقه)؛ درحالی که سری دیگری از فلومترها کل حجم سیالی که از آن‌‎ها عبور کرده است را گزارش می‌کنند (برای مثال 100 لیتر). اکثر فلومترها دارای سه قسمت دستگاه اولیه، مبدل و فرستنده هستند. وظیفه مبدل این است که مایع عبوری از دستگاه اولیه را حس کند، سپس سیگنال خام از مبدل توسط فرستنده به داده‌های قابل استفاده تبدیل می‌شود. 
به طورکلی فلومترها می‌توانند حجم، جرم و یا سرعت جریان را اندازه گیری کنند و سپس با استفاده از محاسبات مختلف جرم جریان، فشار مطلق، اختلاف فشار، ویسکوزیته و دما را گزارش نمایند. دبی جریان از حاصل ضرب مساحت در سرعت جریان به دست می‌آید (Q=A*v). جرم جریان نیز از حاصل ضرب دبی در دانسیته محاسبه می‌شود (m=Q*ρ). 

انواع فلومتر

با توجه کاربرد گسترده فلومتر‌ها، انواع مختلفی از آن‌ها موجود هستند که هرکدام ویژگی‌های خاص خودشان را دارند. دبی سنج‌های سیالات را می‌توان به گروه‌های کلی تفاضلی فشار، سرعت، جابجایی مثبت و جرم جریان تقسیم بندی کرد؛ هر کدام از این گروه‌ها نیز دارای زیر مجموعه‌هایی می‌باشند که در ادامه توضیح داده می‌شوند.

فلومترهای تفاضلی فشار (Differential Pressure Flow Meters)

فلومترهای تفاضلی فشار از رابطه برنولی استفاده می‌کنند. مطابق این رابطه با افزایش سرعت جریان یک سیال، فشار آن کاهش می‌یابد. این فلومترها اختلاف فشار در دو سمت مانع قرار داده شده در مسیر جریان را اندازه گیری و سپس به کمک محاسبات، دبی جریان را گزارش می‌کنند. از نمونه فلومترهای تفاضلی فشار می‌توان به صفحات روزنه‌ای (orifice plates)، نازل‌های جریان (flow nozzles)، فلومترهای ونتوری (venturi flow meters) و روتامترها (rotameters) اشاره کرد.

سیستم‌های فلومتر صفحه روزنه‌ای یا اوریفیس (Orifice Plate Flow Meter Systems)

این نوع فلومترها تغییر در فشار یک جریان را که در یک لوله تا حدی مسدود شده از بالا دست به پایین دست حرکت می‌کند، اندازه گیری می‌کنند. در واقع به کمک صفحه‌ای که جریان را مسدود می‌کند، یک انسداد دقیق اندازه گیری شده ایجاد می‌شود که در نتیجه آن لوله باریک و سیال جاری مجبور به منقبض شدن می‌گردد.

فلومترهای ونتوری (Venturi Flow Meters)

این نوع فلومترها با بررسی تغییرات در فشار که به دلیل کاهش سطح مقطع جریان در مسیر جریان ایجاد می‌شوند، نرخ جریان را اندازه گیری می‌کنند. لازم به ذکر است که پس از ناحیه انقباض، سیال از یک بخش خروجی بازیابی فشار عبور می‌کند و بدین ترتیب تا 80 درصد از تفاضل فشار ایجاد شده در ناحیه انقباض بازیابی می‌شود. 

نازل جریان (Flow Nozzle)

نازل جریان در واقع یک ونتوری متر ساده و ارزان قیمت است. نازل بین فلنج‌های لوله حامل مواد، نگه داشته می‌شود. یک سنسور تفاضلی فشار، افت فشار را اندازه گیری می‌کند و سپس نرخ جریان محاسبه می‌شود. از فلومترهای نازل جریان اغلب برای اندازه گیری هوا و یا جریان گاز در کاربردهای صنعتی استفاده می‌گردد. دقت و اختلاف فشار در این فلومترها را می‎توان با فلومتر صحفه اوریفیس مقایسه کرد.

روتامترها (Rotameters)

روتامترها فلومترهای متغیری هستند که از یک لوله شیشه‌ای (یا پلاستیکی) عمودی که در قسمت بالا بزرگتر است و یک شناور چرخشی که به صورت عمودی در لوله حرکت می‌کند، تشکیل شده‌اند. جریان سیال باعث می‌شود که شناور در لوله بالا بیاید زیرا اختلاف فشار رو به بالا و شناوری سیال، بر اثر گرانش غلبه می‌کند. شناور تا زمانی بالا می‌رود که ناحیه حلقوی بین شناور و لوله افزایش یابد تا حالت تعادل دینامیکی بین عامل‌های تفاضل فشار رو به بالا و شناوری و عامل گرانش رو به پایین ایجاد شود. لازم به ذکر است که ارتفاع شناور در لوله نشان دهنده سرعت جریان است. همچنین لوله را می‌توان در واحدهای جریان مناسب کالیبره و درجه بندی کرد. به طورکلی روتامترها ساده، دارای خروجی خطی و هزینه کم هستند، افت فشار را اندازه گیری می‌کنند و کاربردهای گسترده‌ای دارند.

فلومترهای جابجایی مثبت یا حجمی (Positive Displacement or Volumetric Flow Meter)

فلومترهای با جابجایی مثبت که با نام‌های دیگری مانند فلومترهای حجمی یا فلومترهای PD نیز شناخته می‌شوند، تنها سری از فلومترها هستند که به طور مستقیم دبی جریان را اندازه گیری می‌کنند. سایر انواع فلومترها پارامترهای دیگری را اندازه گیری می‌کنند و با محاسبات، دبی جریان را به دست می‌آورند. فلومترهای جابجایی مثبت با جدا کردن جریان به بخش‌هایی با حجم شناخته شده و شمارش بخش‌ها در یک مدت زمان مشخص، دبی جریان را محاسبه می‌کنند؛ بدین صورت که تعداد بخش‌های عبور کرده در یک مدت مشخص را در حجم هر بخش ضرب و سپس با تقسیم این مقدار بر کل زمان دوره، دبی را حساب می‌کنند. این فلومترها به جریان برق نیازی ندارند و حرکت آن‎ها تنها به فشار تفاضلی بالادست و پایین دست ورودی و خروجی محفظه بستگی دارد. لازم به ذکر است که فلومترهای PD برای اندازه گیری سیالات ویسکوز و غیر ساینده مناسب می‌باشند.

فلومترهای جرمی (Mass Flow Meter)

در فلومترها یا جریان سنج‌های جرمی به طور مستقیم جرم سیال اندازه گیری می‌شود، به عبارت دیگر این فلومترها جرم سیالی را که در واحد زمان از یک نقطه ثابت در لوله عبور می‌کند را اندازه می‌گیرند و سپس با تقسیم نرخ جرمی بر دانسیته جریان، دبی جریان را تعیین می‎کنند. البته باید توجه داشت که دانسیته جریان می‌تواند با دما، فشار و ترکیب سیال تغییر کند. فلومترهای جرمی در دو نوع فلومتر کوریولیس و حرارتی می‌باشند. 

فلومتر حرارتی (Thermal Flow Meter)

فلومترهای حرارتی بر اساس اصل هدایت حرارتی و ویژگی‌های حرارتی جریان عمل می‌کنند و مستقل از چگالی، فشار و ویسکوزیته هستند. در این فلومترها یک ترمیستور یا هیتر (heater) را در داخل جریان قرار می‌دهند و گرمای مشخصی را به آن اعمال می‌کنند. با جریان یافتن سیال، بخشی از گرما از بین می‌رود و هرچه جریان افزایش یابد، اتلاف حرارت نیز بیشتر می‌شود. باید اشاره داشت که اتلاف گرما توسط سنسورهای اندازه گیری دما اندازه گیری می‌شود. 

فلومتر کوریولیس (Coriolis Flow Meter)

فلومتر کوریولیس از اثر کوریولیس برای اندازه گیری مقدار جرم در حال حرکت در المان استفاده می‌کند. در این فلومتر، سیال در یک لوله U شکل جریان می‌یابد. این لوله به گونه‌ای ساخته شده که ارتعاش داشته باشد و این ارتعاش نیز عمود بر جریان سیال است. جریان به دلیل داشتن انرژی و سرعت در برابر حرکت ارتعاشی لوله مقاومت می‌کند و این باعث می‌شود که به طرفین بپیچد. درجه انحراف به طور مستقیم و خطی با جرم جریانی که از لوله عبور می‌کند، متناسب است. میزان پیچش نیز توسط سنسورهای موقعیت مغناطیسی اندازه‌گیری می‌شود. مهم‌ترین مزیت فلومتر کوریولیس اندازه گیری دقیق جرم جریان و عدم وابستگی آن به خواص سیال است. به طوری که این فلومترها به تغییرات فشار، دما، ویسکوزیته و چگالی حساس نیستند. 

فلومترهای سرعت (Velocity Flow Meter)

فلومترهای سرعت همانگونه که از نامشان پیدا است، با اندازه گیری سرعت، دبی را محاسبه می‌کنند. به عبارت دیگر این نوع فلومترها با اندازه گیری سرعت در یک یا چند نقطه از جریان و ادغام کردن سرعت جریان در ناحیه جریان، دبی را محاسبه می‌کنند. باید توجه داشت که فلومترهای سرعت به شرایط جریان حساس هستند و عملکرد آن‌ها به سرعت جریان ثابت بستگی دارد، بنابراین در صورتی که جریان ثابت نباشد، دبی سنج سرعت اندازه گیری مناسب و درستی را انجام نمی‌دهد. فلومترهای سرعت نسبت به فلومترهای تفاضلی فشار، رنج بیشتری دارند و از انواع آن‌ها می‌توان به فلومترهای توربینی، الکترومغناطیسی، اولتراسونیک، ورتکس (گردابی)، کالریمتری و لوله پیتوت اشاره کرد.

فلومتر توربینی (Turbine Flow Meters)

فلومترهای توربینی دارای طراحی‌های مختلفی می‌باشند اما به طور کلی عملکرد همه این فلومترها بر اساس یک اصل ساده است. مطابق این اصل اگر سیالی که در لوله حرکت می‌کند، بر پره‌های توربین اثر بگذارد و پره‌های توربین شروع به چرخش کند، می‌توان با استفاده از سرعت چرخش پره‌ها، دبی جریان را اندازه گیری کرد. فلومترهای توربینی بسیار مقرون به صرفه می‌باشند اما از معایب آن‌ها این است که با دبی کم به درستی کار نمی‌کنند و در صورت استفاده از آب کثیف دچار گرفتگی می‌شوند. همچنین عموما یک پیک آپ مغناطیسی نیز روی چرخ‌های توربین این فلومترها نصب می‌شود و یک سنسور برای ثبت پالس‌های ولتاژ نیز وجود خواهد داشت. از این پالس ولتاژ می‌توان برای اندازه گیری دبی جریان استفاده کرد. فلومترهای توربینی برای اندازه گیری گاز طبیعی و همچنین دبی مایعات مناسب می‌باشند.

فلومتر الکترومغناطیسی (Electromagnetic Flow Meter)

فلومترهای الکترومغناطیسی بر اساس قانون القای الکترومغناطیسی فارادی عمل می‌کنند. مطابق این قانون زمانی که رسانا در میدان مغناطیسی حرکت می‌کند، ولتاژ القا می‌شود. در این فلومترها سیال به عنوان رسانا عمل می‌کند و میدان مغناطیسی توسط سیم پیچ‌های پر انرژی خارج از لوله جریان ایجاد می‌شود. ولتاژ تولید شده نسبت مستقیمی با دبی دارد. دو الکترود نصب شده بر دیواره لوله، ولتاژی که توسط یک عنصر ثانویه اندازه گیری می‌‌شود را تشخیص می‌دهند. از مزیت‌های فلومترهای الکترومغناطیسی می‌توان به توانایی اندازه گیری دبی مایعات سخت و خورنده و همچنین اندازه گیری دبی جریان در دو جهت با دقت یکسان اشاره داشت. مصرف برق بالا و امکان استفاده تنها برای سیالات دارای رسانایی الکتریکی مانند آب نیز از معایب این نوع فلومترها می‌باشد. 

فلومتر اولتراسونیک (Ultrasonic Flow Meter)

فلومترهای اولتراسونیک با اندازه گیری سرعت جریان به کمک امواج فراصوت، حجم جریان را محاسبه می‌کنند. اصل کار این فلومترها با بررسی تغییرات بین امواج صوتی ارسالی و دریافت‌شده است و درنتیجه این اندازه گیری، دبی جریان محاسبه می‌شود. فلومتر اولتراسونیک با استفاده از یک مبدل، امواج صوت را از داخل جریان انتقال می‌دهد و جریان برگشتی حاوی اطلاعاتی در رابطه با نرخ جریان است. دو نوع فلومتر اولتراسونیک وجود دارد: فلومترهای خطی و فلومترهای گیره‌ای. فلومترهای اولتراسونیک خطی که به داخل لوله جریان وارد می‌شوند، دارای دو ست از دستگاه اولتراسونیک هستند که در روبروی یکدیگر قرار می‌گیرند. فلومترهای اولتراسونیک گیره‌ای نیز از دو مجموعه دستگاه مشابه استفاده می‌کنند اما در داخل لوله قرار نمی‌گیرند، از این رو برای اندازه گیری دبی لوله‌های بزرگ مناسب می‌باشند.

فلومتر گردابی یا ورتکس (Vortex Flow Meter)

در این فلومترها یک انسداد با زاویه قائم نسبت به مسیر سیال قرار می‌گیرد و این انسداد منجر به ایجاد گرداب‌هایی در پایین دست مانع می‌شود؛ همانند زمانی که یک سنگ در مسیر رودخانه قرار می‌گیرد و جریان گردابی را در پایین دست خود ایجاد می‌کند. در واقع مکانیزم کار این فلومترها از یک پدیده طبیعی الهام گرفته شده است. تناوب گرداب‌های ایجاد شده در سیال با سرعت سیال نسبت مستقیم دارد. همچنین در اثر تشکیل گردابه‌ها تفاضل فشار ایجاد می‌شود و این امر به صورت سیگنال‌های ولتاژی حس و منتقل می‌شود. فرکانس پالس ولتاژ متناسب با فرکانس گرداب‌ها خواهد بود.

فلومتر کالریمتری (Calorimetric Flow Meters)

فلومترهای کالریمتری که مانیتورکننده‌های حرارتی جریان نیز نامیده می‌شوند، برای اندازه گیری دبی جریان از قوانین انتقال گرما استفاده می‌کنند. این فلومترها دو سنسور دما دارند که در تماس نزدیک با سیال اما عایق حرارتی از یکدیگر هستند؛ یکی از این دو سنسور به طور مداوم گرم می‌شود، از اثر خنک کننده سیال جاری نیز برای نظارت بر نرخ جریان استفاده می‌گردد. در شرایط سیال ساکن (بدون جریان) اختلاف دمای ثابتی بین دو سنسور دما وجود دارد. هنگامی که جریان سیال افزایش یابد، اختلاف دمای بین سنسورها کاهش می‌یابد و این کاهش متناسب با سرعت جریان سیال می‌باشد. هدایت حرارتی سیال نیز بر زمان پاسخ اثرگذار است و به طورکلی برای اندازه گیری درست و مناسب، هرچه رسانایی حرارتی کمتر باشد به سرعت جریان بالاتری نیاز می‌باشد.

لوله پیتوت (Pitot Tubes)

فلومترهای لوله پیتوت از پرکاربردترین و ارزان قیمت‌ترین روش‌ها جهت اندازه گیری جریان سیال هستند. این فلومترها با تبدیل انرژی جنبشی جریان به انرژی پتانسیل، سرعت جریان را اندازه گیری می‌کنند. لوله‌های پیتوت در سیستم‌های تهویه و HVAC کاربرد دارند.

الزامات یک فلومتر 

همانگونه که ذکر شد انواع مختلفی از فلومترها وجود دارند اما به طورکلی یک فلومتر نیاز است که ویژگی‌های زیر را داشته باشد:
• دارای قابلیت کالیبره شدن
• توانایی یکپارچه سازی نوسانات جریان
• قابلیت ادغام با سیستم لوله کشی
• دقت خوب
• حساسیت کم نسبت به ذرات آلودگی
• افت فشار کم
• مقاومت در برابر خوردگی

نکات مهم در انتخاب فلومتر مناسب

با توجه به این که فلومترهای مختلف از فناوری‌های مختلفی بهره‌مند هستند، برای کاربردهای متنوعی نیز مناسب می‌باشند؛ به عبارت دیگر هیچ فلومتری وجود ندارد که برای همه کاربردها مناسب باشد. بنابراین در هر پروژه باید با در نظر گرفتن عوامل مختلف مناسب‌ترین فلومتر انتخاب شود. عوامل موثر در انتخاب مناسب‌ترین فلومتر عبارتند از:
• مشخصات سیال مورد اندازه گیری
• حداقل و حداکثر دبی
• دقت مورد نیاز
• دما و ویسکوزیته سیال
• سازگاری سیال با مواد به کار رفته در فلومتر
• حداکثر فشار در محل
• مقدار مجاز افت فشار
• پیوسته یا متناوب بودن جریان سیال
• سیگنال خروجی موردنیاز
• محل قرارگیری فلومتر و لوله کشی آن
با در نظر گرفتن عوامل بالا می‌توان فلومترهایی که کاربرد ندارند را حذف کرد. برای مثال فلومترهای توربینی برای سیالات ویسکوز مناسب نیستند یا فلومترهای PD برای لوله‌هایی با قطر بیش از 12 اینچ اقتصادی نمی‌باشند. سپس از میان انواع فلومترهای باقی مانده مقایسه و بهترین و مناسب‌ترین فلومتر انتخاب گردد. البته باید توجه داشت هنگام انتخاب فلومتر، علاوه بر موارد ذکر شده به نکاتی مانند آشنایی پرسنل با نحوه عملکرد فلومتر و کالیبراسیون آن، هزینه‌های نگهداری، در دسترس بودن قطعات یدکی و فاصله زمانی میانگین بین خرابی‌های فلومتر نیز توجه شود. 

نگهداری و طول عمر فلومترها

نگهداری و طول عمر یک فلومتر به عوامل مختلفی بستگی دارد. یک عامل آشکار و اثرگذار بر زمان تعمیر و نگهداری فلومترها، انتخاب فلومتر مناسب برای کاربرد مورد استفاده است. در صورت عدم تطبیق فلومتر با کاربرد آن، شکستگی و آسیب دستگاه در مراحل اولیه استفاده رخ می‌دهد. همچنین باید توجه داشت که فلومترهایی که از قطعات متحرک تشکیل شده اند، معمولا نسبت به جریان سنج‌های بدون قطعات متحرک به تعمیر و نگهداری بیشتری نیاز دارند.