راهنمای جامع فلومتر کوریولیس | مزایا، کاربردها

فلومتر کوریولیس یکی از تکنیک‌های اندازه‌گیری دبی است که بر پایه محاسبه جرم عبوری سیال طراحی ‌شده و برای اندازه‌گیری تغییرات دبی طیف بزرگی از سیالات صنعتی کارایی دارد. اندازه‌گیری دبی عبور سیالات از الزامات در طراحی و کاربرد بسیاری سیستم‌های صنعتی و فرآیندی است. برای این منظور تکنیک‌ها و انواع روش‌های اندازه‌گیری دبی طراحی‌ شده است که فلومترهای جرمی از بهترین و دقیق‌ترین آنها محسوب می‌شوند.

انواع فلومتر کوریولیس را براساس پدیده فیزیکی کوریولیس طراحی کرده‌اند. در این پدیده هر جسمی که در سیستمی چرخشی عبور می‌کند، می‌تواند نیروی عمودی بر جهت حرکت خود تولید نماید. این جسم می‌تواند هر نوع سیال با هر مقدار گرانروی باشد و قاعدتاً زمانی‌ که دبی عبور آن در سیستم چرخشی تغییر می‌کند، مقدار نیروی عمودی آن نیز تغییر خواهد کرد. پدیده‌ای که اساس طراحی و کاربرد فلومتر کوریولیس شده ‌است. در صنعت این تجهیزات را با عنوان فلومتر جرمی واقعی می‌شناسیم که مستقیم و متفاوت از دیگر تکنیک‌ها بر پایه اندازه‌گیری جرم سیالات کار می‌کند. در ادامه مطلب از گروه اینرژی روش طراحی و اصول کارکرد و قابلیت‌های کاربردی انواع فلومتر کوریولیس را بررسی خواهیم کرد.

اساس طراحی فلومتر کوریولیس

فلومترهای جرمی با هدف به کارگیری در فرآیندهای مرتبط با جرم سیال ساخته شده‌اند. تغییرات جرمی در اثر واکنش‌های شیمیایی و یا انتقال حرارت و… از این دست موارد محسوب می‌شوند. اساس طراحی فلومتر کوریولیس نیز بر پایه محاسبه تغییرات جرمی سیال شکل‌ گرفته است. در حال ‌حاضر باید این نوع فلومتر را به ‌عنوان دقیق‌ترین و کاربردی‌ترین نوع فلومترهای جرمی معرفی کنیم.

جرم سیالات تحت تأثیر شرایط مختلف مثلاً نوسان فشار و یا حجم تغییر نمی‌کند. بنابراین فاکتور جرم مستقل از دیگر مؤلفه‌های فیزیکی در فلومتر کوریولیس مورد ارزیابی قرار خواهد گرفت. بر این اساس این نوع فلومتر ساختار خطی دارد. فلومترهای کوریولیس را با استفاده از لوله‌های U شکل و با طراحی یک مسیر مارپیچی در داخل لوله مستقیم می‌سازند. هدف آن است که بتوانیم با ایجاد جریان چرخشی نیروی عمود بر محور کوریولیس را ایجاد کنیم.

وقتی سیال مورد نظر از داخل این لوله U شکل عبور می‌کند، باعث ایجاد ارتعاشی هارمونیک خواهد شد. نیروی کوریولیس ایجاد شده با تغییر شرایط لوله بر ارتعاش لوله در حال نوسان تأثیرگذار است. عنصر ارتعاشی اضافه شده از پدیده کوریولیس باعث تغییر فرم بخش‌هایی از لوله خواهد شد. در مجموعه فلومتر کوریولیس نیز یک سنسور اندازه‌گیری فرکانس تعبیه ‌شده است که اطلاعات لازم بخش الکترونیکی را تولید کرده و در نهایت با توجه به تنظیمات فلومتر از قبیل تعیین چگالی، وزن مخصوص و… مقدار دبی عبوری سیال را محاسبه می‌کند.

نحوه عملکرد فلومتر جرمی کوریولیس

روش کارکرد اندازه‌گیری دبی در فلومتر جرمی کوریولیس براساس اندازه‌گیری تغییر وضعیت لوله خمیده U شکل و ارتعاش آن قبل و بعد از عبور سیال است. برای درک این وضعیت بهتر است که یک شیلنگ ساده را در نظر بگیرید. اگر دو سمت شیلنگ را در مکانی محکم و کاملاً کشیده بسته باشید، آیا عبور سیال تغییری در وضعیت آن ایجاد می‌کند؟ قاعدتاً وضعیت شیلنگ در تمامی شرایط یکسان است.

حال شرایطی را تجسم کنید که شیلنگ به حال خود و با پیچ ‌و تاب بر روی زمین رها شده ‌است. در این ‌صورت پس ‌از عبور جریان چه اتفاقی می‌افتد؟ قاعدتاً انتظار داریم که بخش‌های پیچ ‌خورده شیلنگ در اثر عبور سیال جابه‌جا شوند. هر اندازه دبی سیال بیشتر باشد این نیرو و جابه‌جایی شیلنگ‌های تاب ‌خورده بیشتر است. این همان پدیده کوریولیس و نحوه عملکرد فلومتر جرمی کوریولیس است.

عملکرد فلومتر کوریولیس بر پایه نصب همین شیلنگ‌های انعطاف‌ پذیر است. البته در مکانیزم طراحی، سیستم خاصی تعبیه شده ‌است که مقدار جابجایی شیلنگ‌ها و تغییر شکل آن و مقدار فرکانس تولید شده در اثر عبور سیال را تحت کنترل داشته و اطلاعات لازم از طریق سنسورها برای اندازه‌گیری مقدار دبی استخراج می‌شود.

مزایای فلومتر کوریولیس

عملکرد فلومتر کوریولیس در اندازه‌گیری دبی بر پایه تغییرات جرمی آن‌هم با استفاده از یک نیروی فیزیکی در میان تمامی تکنیک‌های متداول اندازه‌گیری دبی منحصر به ‌فرد است. این روش طراحی خاص باعث شده تا کاربرد فلومتر کوریولیس برای بسیاری از فرآیندها تحت شرایط ویژه مناسب باشد. مزایای فلومتر کوریولیس قابل ‌توجه است که به ‌قرار زیر دسته‌بندی می‌کنیم:

• دبی جریان سیال کاملاً مستقیم و بدون استفاده از ابزاری خاص و تنها متکی بر خواص فیزیکی خود سیال محاسبه می‌شود.
• از این فلومترها می‌توانیم برای محاسبه گرانروی عبور سیالات نیز استفاده کنیم.
• از این نوع فلومتر می‌توانیم برای اندازه‌گیری طیف گوناگونی از سیالات گازی، مایعات، سیالات دو فازی و… استفاده کنیم.
• برای اندازه‌گیری دبی سیالات تراکم پذیر که شرایط استفاده از عنصر اندازه‌گیری را ندارند، مناسب هستند.
• با توجه به عدم تغییر سطح مقطع لوله کمترین تأثیر را در فشار عبور سیال دارند.

با وجود تمامی مزایای قید شده، استفاده از این فلومترها محدودیت‌هایی نیز به‌ دنبال دارد. اول آنکه مناسب طراحی خطوط بزرگ و عبور سیالات دبی بالا نیستند. در عین ‌حال قیمت فلومتر کوریولیس به ‌مراتب از دیگر فلومترها با طراحی ساده‌تر مانند فلومترهای توربینی و اوریفیس گران‌تر است. با این‌ همه خرید فلومتر کوریولیس در بسیاری از صنایع و طراحی فرایندهای خاص و پیچیده متداول است.

انواع فلومتر جرمی کوریولیس

اساس کار تمامی فلومترهای کوریولیس یکسان است که بر مبنای اندازه‌گیری نیروی عمود بر جداره لوله در اثر عبور سیال طراحی شده‌اند. قاعدتاً تغییرات دبی باعث تغییر نیرو و در ادامه تعیین تغییرات دبی خواهد شد. با این ‌وجود روش طراحی و چگونگی ایجاد مسیر عبور سیال با هدف تولید نیروی کوریولیس متفاوت است. بر این اساس انواع این دبی سنج‌ها به قرار زیر هستند:

• فلومتر کوریولیس از نوع لوله مستقیم

این نوع فلومتر طراحی ساده و کاملاً مستقیم دارد. در محفظه این دبی سنج از یک لوله انعطافی استفاده ‌شده است که حین عبور سیال کمی پیچ می‌خورد. بازویی در مرکز فلومتر و در تماس با لوله عبور سیال تعبیه شده ‌است که حتی کوچکترین پیچ ‌خوردگی لوله در اثر تغییرات دبی عبور سیال را تشخیص خواهد داد و برای اندازه‌گیری دبی استفاده می‌شود. عملکرد فلومتر کوریولیس لوله مستقیم اگر چه ساده است؛ اما حساسیت اندازه‌گیری بالا است و برای اندازه‌گیری دبی در رنج بسیار دقیق کارایی دارد. بیشترین فروش فلومتر کوریولیس لوله مستقیم برای طراحی فرایندهای سیکل بسته صنایع شیمیایی و پالایشگاهی است.

• فلومتر کوریولیس از نوع لوله خمیده

عبور از لوله‌های منحنی مرتعش اساس طراحی این نوع فلومترها است. برای ساخت مدل لوله خمیده نیز از دو عدد لوله ارتعاشی استاندارد استفاده‌ شده است. این جفت لوله در اثر عبور سیال مرتعش می‌شوند. همچنین هر جفت لوله توسط دستگاه نوسان‌ساز الکترونیکی مستقل متصل به آنها دائماً در حال ارتعاش هستند.

سیال از طریق این جفت لوله منحنی عبور کرده و به واسطه چرخشی که در لوله وجود دارد، نیروی کوریولیس تولید خواهد شد. از طرفی نوسان وارد شده به لوله‌ها باعث اعمال نیروی متقابل به سیال خواهد شد. سیال متحرک حین مقاومت در برابر نیروی لوله، خود نیز نیرویی به جداره لوله وارد می‌کند. این نیروها در دو سمت ورودی و خروجی لوله‌های خمیده و موازی عکس یکدیگر هستند.

در نتیجه شرایطی ایجاد می‌شود که لوله‌ها به ‌دلیل عبور سیال تحت نوسانی ثابت از یکدیگر فاصله می‌گیرند و یا به یکدیگر نزدیک می‌شوند. به ‌این ‌ترتیب سنسورهای مربوطه می‌توانند با توجه به نرخ جابه‌جایی لوله‌ها تحت فرکانسی معین مقدار دبی عبور سیال را البته با در نظر گرفتن فاکتورهایی از قبیل وزن مولکولی و همچنین گرانروی و حجم سیال محاسبه کنند. این محاسبات در بخش الکتریکی فلومتر انجام می‌شود.

خرید فلومتر کوریولیس

مقایسه فلومتر کوریولیس لوله منحنی و لوله مستقیم

هر دو نوع فلومتر جرمی کوریولیس لوله مستقیم و یا لوله منحنی اصول طراحی و مکانیزم اندازه‌گیری دبی یکسانی دارند و در عمل هر دو مدل از شرایط کارکرد کاملاً متعادل برخوردار هستند و از آنها می‌توانیم برای اندازه‌گیری دبی طیف متنوعی از سیالات در فازهای مختلف استفاده کنیم.

محصور شدن این لوله‌ها در غلاف بدنه فلومتر باعث می‌شود تا نسبت ‌به محیط اطراف خود در شرایط کاملاً ایزوله کار کنند. بنابراین دقت اندازه‌گیری دبی آنها بدون وابستگی به شرایط محیطی قابل‌ اعتماد و بسیار دقیق است. اما در عمل شرایط نصب و بهره ‌برداری فلومتر کوریولیس لوله مستقیم اندکی دشوارتر از لوله منحنی است. برای آنکه لازم است تا مدل‌های لوله مستقیم را در شرایط کاملاً متقارن نصب کنیم که در عمل و حین ارتعاش عبور سیال رسیدن به این تقارن دشوار است.

نکته بعدی در حساسیت دمایی فلومترهای لوله مستقیم است که می‌تواند در دقت اندازه‌گیری آنها تأثیرگذار باشد. حساسیت اندازه‌گیری پیچشی لوله در مدل‌های مستقیم بسیار زیاد است و این در حالی است که تغییرات دمای سیال عملاً می‌تواند باعث تغییر حالت لوله و جابجایی فرکانس تولید شده حین عبور سیال شود. تأثیر تغییرات دمای سیال در فلومترهای لوله منحنی کمتر است. با این ‌همه دقت اندازه‌گیری بالا، طراحی کوچکتر، کارکرد با کمترین تاثیر در فشار سیال و… همگی نکته‌هایی است که خرید فلومتر کوریولیس لوله مستقیم را توجیه می‌کند.

ویژگی‌ها و قابلیت‌های فنی فلومتر کوریولیس

طراحی بر پایه اندازه‌گیری جرم سیال باعث شده تا این فلومترها خواص و ویژگی‌های منحصر به ‌فردی داشته باشند. از قبیل:

• برای اندازه‌گیری حین تغییرات دما و یا فشار سیال به جبران کننده‌ها نیازی نداریم.
• تغییرات ویسکوزیته و یا چگالی تأثیری در جرم سیال ندارند و در نتیجه برای اندازه‌گیری فلومتر بی‌تأثیر هستند.
• برای عدد رینولدز این فلومترها هیچ محدودیتی وجود ندارد.
• از این فلومترها می‌توانیم برای اندازه‌گیری سیالات با ویسکوزیته متغیر نسبت به ‌سرعت در دما و یا فشار ثابت استفاده کنیم.
• این فلومترها برای اندازه‌گیری دبی مخلوط‌های گازی و یا مایع در فازهای متفاوت و حتی ناشناخته مفید هستند. در کل زمانی ‌که اطلاع دقیق از شرایط فیزیکی و شیمیایی سیال نداریم، می‌توانیم از این دبی سنج استفاده کنیم.
• خطای اندازه‌گیری دبی این فلومترها تقریباً ناچیز در محدوده 0.002 الی 0.0005 گرم بر سی‌سی است.

کاربرد فلومتر کوریولیس

کاربردهای این نوع دبی سنج‌ها گسترده است، تا جاییکه از آنها به ‌عنوان فلومترهای جامع یاد می‌کنند. چرا که می‌توانیم مقدار دبی عبور هر نوع سیال اعم از مایعات مانند دوغاب ها، روغن‌ها، سیالات نفتی و اسیدی و همچنین انواع گازهای نیوتنی و غیر نیوتنی و یا گازها در شرایط چند فازی و… را اندازه‌گیری کنیم. این فلومترها برای دبی سنجی گازهای کاملاً رقیق تا نیتروژن مایع و حتی سیالات با چگالی بسیار بالا از قبیل چسب و واسکازین و… کارایی دارند.

فلومترهای کوریولیس دقیق‌ترین نوع از جمع انواع دبی سنج‌ها هستند که به ‌راحتی می‌توانیم از حضور آنها در کاربردهای گوناگون و اندازه‌گیری دبی انواع گازها و مایعات خورنده، تمیز و یا روغنی و نفتی استفاده کنیم. همچنین دقت اندازه‌گیری بالایی دارند که آنها را مناسب نصب در سیستم‌های حساس و فرایندهای خاص خواهد کرد.