فلومتر کریولیس – فلومتری برای اندازه گیری جرم

فلومتر های جرمی

فلومترهای جرمی، آن دسته از فلومترهایی هستند که عمدتاً در فرآیندهای مرتبط با جرم نظیر واکنش­های شیمیایی، انتقال حرارت و . . . به کار گرفته می­شوند. در همه این فرآیندها، اندازه ­گیری دقیق جریان، یک پیش­نیاز است. نمونه ­های متعددی از فلومترهای جرمی، در صنایع موجود است، اما متداول­ترین نمونه مورد استفاده آن­ها، فلومترهای کریولیس هستند. نمونه موجود دیگر برای فلومترهای جرمی، فلومتر جرمی حرارتی است.

فلومتر کریولیس بر مبنای اثر کریولیس کار می­کند و لذا به همین نام هم نامیده می­شود. اجزای یک مجموعه فلومتر کریولیس در شکل زیر نمایش داده شده است:

شکل ۱- اجزای مجموعه فلومتر کریولیس

فلومترهای کریولیس، به عنوان فلومترهای واقعی جرمی شناخته می­شوند در حالی که سایر تکنولوژی­های اندازه­گیری جریان، جریان حجمی را اندازه ­گیری می­کنند. از آن­جا که جرم، تغییر نمی­کند، نیازی به هیچ­گونه تصحیح (به خاطر تغییر ویژگی­های سیال) در اعداد خوانده شده نیست. لذا، فلومتر کریولیس عملکردی خطی دارد. طراحی­های مختلفی از این نمونه­ فلومتر، موجود است. متداول­ترین نمونه فلومتر کریولیس، شامل اجزای زیر است:

• یک تیوب U شکل
• مجموعه حسگر (سنسور)
• یک واحد الکترونیکی

در این ابزار اندازه­گیری، مایع از درون یک تیوب U شکل که دارای ارتعاش هارمونیک زاویه­ای است، عبور می­کند.در این حین، نیروهای کریولیس منجر به تغییر شکل تیوب می­شوند و یک اثر ارتعاشی مضاعف به تیوب در حال ارتعاش اضافه می­کنند. این جزء اضافی ارتعاشی، منجر به تغییر فاز یا پیچش در بخش­هایی از تیوب این فلومتر جرمی می­شود. تغییر فاز که مستقیماً متناسب با نرخ جریان عبوری است، به کمک حسگرها (سنسورها) اندازه­گیری می­شود. داده اندازه­گیری شده، به واحد الکترونیکی فلومتر کریولیس، جایی که تبدیل به ولتاژی متناسب با دبی جریان می­شود، انتقال می­یابد. ساختار یک فلومتر کریولیس در شکل زیر نمایش داده شده است:

شکل ۲- تحولات در فلومتر کریولیس در اثر عبور جریان

اصول عملکرد فلومتر کریولیس

جریان سیال، به درون یک تیوب U شکل هدایت می­شود. زمانی که یک نیروی تحریک به لوله اعمال می­شود، سیال جاری درون تیوب این فلومتر جرمی، چرخش یا پیچشی به تیوب وارد می­کند که نتیجه شتاب کریولیس در جهت­های مخالف هر دو طرف نیروی وارده است. برای مثال، زمانی که تیوب فلومتر کریولیس در خلال نیمه اول یک سیکل، به سمت بالا حرکت می­کند، سیالی که وارد آن می­شود، از طریق فشار تیوب به سمت پایین، در مقابل بالا رفتن، مقاومت می­کند. در طرف مقابل، سیال در حال خروج از تیوب، در مقابل حرکت قائم خود بواسطه نیرویی که به سمت بالا وارد می­کند، مقاومت می­کند. این اتفاق باعث پیچش تیوب می­شود. زمانی که تیوب در نیمه دوم سیکل ارتعاشی، در حال حرکت به سمت پایین است، در جهت مخالف می­پیچد. این پیچش باعث اختلاف فاز (اختلاف زمانی) بین طرف ورودی و طرف خروجی می­شود و این اختلاف فاز، مستقیماً از جرم عبوری از تیوب فلومتر کریولیس، تأثیر می­پذیرد.

یکی از مزیت­های فلومترهای کریولیس آن است که مستقیماً دبی جرمی را اندازه­گیری می­کنند که این امر، نیاز به اعمال تصحیح برای تغییر شرایط دما، ویسکوزیته و فشار را از بین می­برد. برای عملکرد مناسب این فلومتر جرمی، حداقل چگالی ۵/۴ کیلوگرم بر مترمکعب، الزامی است. (که بین کمپانی­های مختلف سازنده، متفاوت است). به لحاظ نظری، نیروی کریولیس با استفاده از رابطه زیر محاسبه می­شود:

در رابطه بالا، m جرم، w سرعت زاویه­ای و V سرعت سیال است.

شکل ۳- نمودار شماتیک فلومتر کریولیس

فلومترهای کریولیس U و Ω شکل، با افزایش جریان، منجر به افت فشار می­شوند که اتلاف فشار دائمی در پی دارد. در نتیجه، مایعات در نزدیکی دمای جوششان، به خاطر افت فشار در فلومتر که فشارشان را به زیر فشار بخار مایع می­رساند (که منجر به شکل­دهی حباب­های بخار می­شود) می­توانند ایجاد کاویتاسیون کنند. به محض این­که فشار به بالای فشار بخار مایع برسد، حباب­ها می­ترکند. کاویتاسیون می­تواند منجر به نقص در عملکرد فلومتر جرمی کریولیس شود و می­بایست در همه زمان­ها از آن اجتناب کرد.

سطح مقطع تیوب­های فلومترهای کریولیس برای افزایش سرعت سیال و ایجاد نیروی کریولیس بزرگتر، عموماً کوچکتر از سطح مقطع خط لوله است. این کار در مورد فلومترهای کریولیس با تیوب­های مستقیم هم انجام می­شود و نتیجه آن، افزایش افت فشار است.

فلومترهای کریولیس، دبی جریان و چگالی را تازمانی که جریان، تک­فاز و سیال هم همگن است، به دقت و فارغ از طبیعت سیال اندازه­گیری می­کنند. با توجه به این­که این فلومترها، ابزارهای دقیقی هستند، از آن­ها در مبادی معامله نفت و گاز، برای کنترل بحرانی نرخ خوراک راکتور و همچنین جریان­هایی که در آن­ها تغییرات بزرگی در ترکیب سیال رخ می­دهد – که جز بدین صورت، نمی­توان آن را اندازه­گیری کرد- استفاده می­شود.

یکی از نقاط ضعف این فلومترهای جرمی، نیاز به تنظیم صفر آن­ها در شرایط کاری است. تنظیم صفر به راحتی در نتیجه نصب تحت فشار این تجهیز، مخدوش می­شود.

ویژگی­های اصلی فلومتر کریولیس

• فلومتر کریولیس را می­توان در کاربردهای گسترده­ای از مواد چسبناک و روکش­ها گرفته تا نیتروژن مایع، به کار گرفت.
• دامنه (Rangeability) جریان متداول برای فلومترهای با تیوب منحنی، از ۱:۱۰۰ تا ۱:۲۰۰ متغیر است در حالی که دامنه فلومترهای با تیوب مستقیم، کمتر و در حدود ۱:۳۰ تا ۱:۵۰ است. باید توجه داشت که دقت فلومترهای کریولیس با تیوب مستقیم، کم است.
• برای فلومترهای کریولیس، نیاز به تصحیح برای تغییرات دما و فشار نیست. همچنین در این ابزارها، اندازه­گیری نسبت به تغییرات ویسکوزیته و چگالی، حساس نیست.
• فلومتر کریولیس به ویژه برای کار با مایعاتی که ویسکوزیته آن­ها با تغییر سرعتشان - هنگامی که دما و فشار ثابت است- تغییر می­کند، مناسب است.
• این فلومترهای جرمی، فلومترهای عمومی نیز نامیده می­شوند زیرا قادر به اندازه­گیری دبی تقریباً تمامی مایعات، سیالات دوغابی و گازها هستند. این فلومترها قادرند تمامی جریان­های مایع مانند سیالات نیوتنی، غیرنیوتنی و گازهای با چگالی متوسط را نیز اندازه­گیری کنند.
• این فلومترها قادر به اندازه­گیری چگالی مایع نیز هستند
• هیچ محدودیتی برای عدد رینولدز در فلومترهای کریولیس وجود ندارد.
• این فلومترها، از تغییر پروفیل سرعت، متأثر نمی­شوند.

کاربرد فلومتر کریولیس

صنایعی که فلومتر کریولیس در آن­ها کاربرد دارد، به ترتیب اهمیت عبارتند از: صنایع شیمیایی، نفت و گاز، مواد غذایی و نوشیدنی، دارویی، کاغذسازی، انرژی، فلزات و معادن، آب و فاضلاب و موارد دیگر در مقیاس کم

مزایا و معایب فلومتر کریولیس

از مزایای فلومتر کریولیس می­توان به موارد زیر اشاره کرد:

• قابلیت به کارگیری برای سیالاتی که اندازه­گیری جریان آن­ها دشوار است
• مستقل از تغییرات چگالی، پروفیل و توربولانس جریان
• به دلیل عدم به کارگیری قطعات متحرک، نیاز به تعمیرات دوره­ای و روتین ندارند
• دقت بالایی دارند

از معایب عمده فلومترهای کریولیس آن است که:

• نمی­توان آن­ها را برای لوله­های بزرگ به کار گرفت
• نیاز به سرعت­های بالای جریان برای تقویت اثر کریولیس دارند که منجر به افت فشار زیاد می­شود
• نسبت به سایر فلومترها گران هستند
• به سختی می­توان آن­ها را برای گازهای کم­فشار، استفاده کرد

مراجع:

http://www.metern.net/blog-metern-in-the-flow/coriolis-mass-flow-meter-advantages-and-disadvantages-8.html

http://www.flowmeters.com/coriolis-mass-technology

https://instrumentationtools.com/coriolis-mass-flow-meter-working-principle