معرفی کاربرد فلومترهای چرخدندهای و مزایای آنها در سیالات غلیظ
معرفی کاربرد فلومترهای چرخدندهای و مزایای آنها در سیالات غلیظ
فلومتر چرخدندهای که به آن فلومتر بیضوی یا فلومتر گیربکسی نیز گفته می‌شود، یک نوع فلومتر جابجایی مثبت (Positive Displacement یا PD) است. این دستگاه شامل دو چرخ‌دنده بیضی شکل در داخل یک محفظه دقیقا ماشین‌کاری‌شده است که با ورود سیال به درون محفظه، تحت فشار جریان شروع به چرخش می‌کنند. با هر دور چرخیدن این چرخدندهها، حجم معینی از سیال محبوس و اندازه‌گیری می‌شود و از طریق حسگرهای مغناطیسی تعبیه‌شده، تعداد دورهای چرخش شمارش می‌گردد. سیگنال خروجی (معمولا به صورت پالس) متناسب با حجم سیال عبوری تولید می‌شود و به این ترتیب دبی حجمی سیال با دقت بالا اندازه‌گیری می‌گردد.
نمایی شماتیک از مکانیزم داخلی فلومتر دنده‌ای بیضی: دو چرخ‌دنده بیضوی با چرخش خود حجم ثابتی از سیال غلیظ (مثلا روغن) را اندازه‌گیری می‌کنند و هر دور چرخش یک خروجی پالس تولید می‌نماید.
از آنجا که هر چرخه‌ی چرخش چرخدندهها حجم دقیقی از سیال را جابجا می‌کند، این فلومترها برای سیالات غلیظ و ویسکوز (چگال) بسیار کارآمد هستند. در واقع، فلومترهای چرخدندهای بهترین عملکرد را در سیالات با ویسکوزیته بالا دارند و تغییرات ویسکوزیته سیال تاثیر محسوسی بر دقت اندازه‌گیری آنها ندارد. به همین دلیل، برای کاربردهایی نظیر اندازه‌گیری جریان روغن صنعتی با گرانروی بالا، گریس، انواع رزین‌های پلیمر، شربت‌های غلیظ، انواع سوخت سنگین و روغن، حلال‌های غلیظ و سایر سیالات سنگین، این تکنولوژی انتخاب ایده‌آلی محسوب می‌شود. بسیاری از صنایع از فلومتر روغن ویسکوز بالا استفاده می‌کنند؛ از جمله صنایع شیمیایی، نفت و پتروشیمی، تولید روغن و گریس، صنایع غذایی (مثلا شربت قند)، و حتی در آزمایشگاه‌ها. همچنین فلومترهای بیضوی می‌توانند دبی‌های بسیار کم را نیز با دقت مناسب اندازه‌گیری کنند و از نظر هزینه نسبت به فلومترهای جرمی (کوریولیس) گزینه‌ی مقرون‌به‌صرفه‌تری هستند.
از مهم‌ترین مزایای فلومترهای چرخدندهای می‌توان به دقت و تکرارپذیری بالای آنها اشاره کرد. این تجهیزات معمولا دقتی در حدود ±۰.۵% تا ±۱% ارائه می‌دهند (برای مثال دقت مدل مورد بررسی در اینجا ±۱% است) و تکرارپذیری عالی و خطای بسیار کمی در اندازه‌گیری دارند. علاوه بر این، به دلیل ماهیت اندازه‌گیری حجمی مستقیم، تغییر ویژگی‌های فیزیکی سیال (مانند چگالی یا ویسکوزیته در بازه‌های عملیاتی) تاثیر اندکی بر عملکرد دستگاه دارد. فلومتر بیضوی چیست؟ به طور خلاصه، یک دبی‌سنج جابجایی مثبت است که بدون نیاز به هرگونه خط مستقیم طولانی در ورودی/خروجی قابل نصب بوده و نسبت به آشفتگی جریان حساسیت کمی دارد. این بدان معناست که برخلاف بسیاری از تکنولوژی‌های دیگر، برای نصب فلومتر بیضی نیاز نیست حتما لوله‌های طویل و صاف در بالادست و پایین‌دست آن تعبیه شود. این ویژگی نصب در فضاهای محدود را آسان می‌کند. همچنین این فلومترها نسبت به رسانایی الکتریکی سیال غیرحساس‌اند و بنابراین برای سیالات غیرهادی مانند روغن‌ها که با فلومترهای مغناطیسی قابل اندازه‌گیری نیستند بسیار مناسب هستند. در ضمن، خروجی فلومتر می‌تواند بسته به مدل به صورت پالس یا حتی آنالوگ (۴–۲۰ میلی‌آمپر) باشد و نیاز به منبع تغذیه بزرگ و پرمصرفی ندارد. طراحی مکانیکی ساده و مستحکم آنها نیز به معنای نیاز اندک به تعمیر و نگهداری می‌باشد. به طور خلاصه، فلومترهای گیربکسی بیضی یک راهکار دقیق، قابل اطمینان و اقتصادی برای اندازه‌گیری جریان حجمی سیالات غلیظ و تمیز (فاقد ذرات جامد) در صنایع مختلف ارائه می‌کنند.
تفاوت فلومتر چرخدندهای با سایر تکنولوژی‌ها (توربینی، کوریولیس، مگنتیک، اولتراسونیک)
فلومترهای چرخدندهای (بیضوی) در کنار مزایای خود، از نظر اصل عملکرد و کاربرد با سایر انواع فلومتر تفاوت‌های مهمی دارند. در ادامه مقایسه فلومتر گیربکسی با فناوری‌های دیگر را بررسی می‌کنیم:
- در مقایسه با فلومتر توربینی: فلومتر توربینی یک دبی‌سنج سرعتی است که دارای پره‌های چرخان می‌باشد. توربین با سرعت جریان می‌چرخد و سیگنال فرکانسی متناسب با سرعت خطی سیال می‌دهد. عیب اصلی توربین در سیالات ویسکوز است؛ با افزایش ویسکوزیته، اصطکاک سیال با پره‌ها زیاد شده و توربین نمی‌تواند به‌خوبی بچرخد، در نتیجه دقت اندازه‌گیری افت می‌کند. به بیان دیگر، توربین‌ها برای سیالات رقیق مانند آب و سوخت‌های سبک عملکرد مطلوبی دارند اما برای مواد غلیظ توصیه نمی‌شوند. در مقابل، فلومترهای چرخدندهای دقیقا برای چنین شرایطی (سیالات با ویسکوزیته بالا) طراحی شده‌اند و بدون نیاز به جریان آشفته شدید، می‌توانند با همان دقت حجم سیال غلیظ را اندازه‌گیری کنند. از سوی دیگر، فلومتر توربینی نیاز به طول لوله مستقیم در ورودی و خروجی دارد تا جریان آرام و یکنواخت شود (معمولاً ۱۰ قطر لوله در ورودی و ۵ قطر در خروجی)، در حالی که فلومتر بیضوی به دلیل مکانیزم جابجایی مثبت خود به حداقل طول مستقیم نیاز دارد. البته باید توجه داشت توربین‌ها قطعات متحرک کمتری نسبت به گیربکسی ندارند (هر دو دارای قطعات چرخان‌اند) و هر دو نسبت به ذرات جامد حساس‌اند و به صافی نیاز دارند. در مجموع، برای سیالات رقیق با دبی نسبتاً بالا توربین گزینه خوبی است، ولی در مواجهه با سیالات چگال، فلومتر PD (بیضوی) عملکرد پایدارتر و دقیق‌تری ارائه می‌دهد.
- در مقایسه با فلومتر جرمی کوریولیس: فلومتر کوریولیس تکنولوژی پیشرفته‌ای است که فلوی جرمی سیال را به‌طور مستقیم اندازه‌گیری می‌کند و دقت بسیار بالایی (حدود ±۰.۱%) دارد. مزیت بزرگ آن این است که اندازه‌گیری مستقل از خواص فیزیکی سیال (چگالی، ویسکوزیته، دما) انجام می‌شود. اما نقطه ضعف کوریولیس، قیمت و هزینه بالا و همچنین محدودیت‌های نصب آن است. معمولا دستگاه‌های کوریولیس قیمت چند برابری نسبت به فلومترهای چرخدندهای دارند و در سایزهای بزرگ نیز بسیار سنگین و جاگیر هستند. فلومتر بیضوی و کوریولیس هر دو برای سیالات ویسکوز عملکرد خوبی دارند (کوریولیس حتی برای مایعات بسیار غلیظ یا حتی مخلوط‌ها هم مناسب است)، اما در بسیاری موارد دقت ±۱% فلومتر چرخدندهای کافی بوده و گزینه اقتصادی‌تر محسوب می‌شود. از نظر افت فشار، فلومترهای کوریولیس به دلیل انحنای لوله ارتعاشی‌شان افت فشار متوسطی ایجاد می‌کنند، در حالی که فلومترهای PD در دبی‌های بالا می‌توانند افت فشار قابل توجهی داشته باشند (زیرا سیال باید چرخدندهها را حرکت دهد). در زمینه نگهداری، فلومتر کوریولیس بدون قطعه متحرک است و نیاز چندانی به سرویس دورهای ندارد، در حالی که در فلومتر دنده‌ای به مرور ممکن است سایش مکانیکی چرخدندهها رخ دهد که البته در صورت انتخاب سایز صحیح و وجود روان‌کاری توسط سیال، این سایش بسیار کند خواهد بود. در مجموع اگر دقت بسیار بالا یا اندازه‌گیری مستقیم جرم مورد نیاز باشد (مانند کاربردهای تجاری دقیق یا ترکیب‌سازی فرمولاسیون‌ها)، کوریولیس انتخاب بهتری است؛ اما برای کاربردهای معمول صنعتی با سیالات غلیظ که حساسیت فوق‌العاده بالا نیاز نیست، فلومتر بیضوی همان دقت را با هزینه کمتر تأمین می‌کند.
- در مقایسه با فلومتر مغناطیسی (الکترومغناطیسی): فلومتر مگنتیک بر اساس قانون فارادی سرعت سیال رسانا (دارای رسانایی الکتریکی) را در یک لوله اندازه می‌گیرد. برتری آن عدم وجود قطعه متحرک، عدم ایجاد افت فشار و نیاز نگهداری اندک است. اما فلومترهای الکترومغناطیسی فقط برای سیالات رسانا (هادی) کاربرد دارند و نمی‌توان از آنها برای روغن‌ها، هیدروکربن‌ها یا سایر سیالات غیررسانا استفاده کرد. در اینجاست که فلومترهای چرخدندهای مزیت دارند، زیرا مستقل از رسانایی سیال کار می‌کنند. شما می‌توانید دبی‌سنج برای رزین یا روغن عایقی داشته باشید که با فلومتر بیضوی اندازه‌گیری شود، در حالی که فلومتر مغناطیسی در این حالت کاملاً ناتوان است. از سوی دیگر، در سیالات تمیز و نسبتا رقیق که رسانایی کافی دارند (مانند آب، دوغاب‌های آبی، اسیدها و محلول‌های یونی)، فلومترهای مغناطیسی عملکرد فوق‌العاده‌ای دارند و افت فشار صفر و دقت خوب (~۰.۵%) ارائه می‌کنند. اما برای مواد غلیظ حتی اگر رسانا باشند (مثلاً خمیرهای غلیظ)، محدودیت‌هایی در فلومتر مگنتیک وجود دارد چرا که جریان باید پروفیل مناسبی داشته باشد و پر شدن لوله تضمین شود. فلومتر بیضوی در سیالات غلیظی که رسانا هستند نیز می‌تواند به کار رود، ولی باید توجه داشت سیال حتماً تمیز و عاری از ذرات فلزی باشد چون گیر کردن ذرات به چرخدندهها می‌تواند به دستگاه آسیب بزند.
- در مقایسه با فلومتر اولتراسونیک: فلومترهای اولتراسونیک به دو دسته کلی ترانزیت‌تایم (زمان عبور) و دوپلر تقسیم می‌شوند و مزیت اصلی آنها بدون تماس بودن سنجش دبی است (مخصوصاً در مدل‌های کلمپ‌آن که روی لوله بسته می‌شوند). این فلومترها نیز قطعات متحرک ندارند و افت فشار ایجاد نمی‌کنند. اما دقت آنها وابسته به شرایط سیال است؛ برای نمونه در نوع ترانزیت‌تایم، وجود حباب‌های هوا یا ذرات در سیال ویسکوز می‌تواند سیگنال صوتی را مختل کند و باعث خطا شود. همچنین در سیالات بسیار ویسکوز، پراکندگی امواج اولتراسونیک بیشتر است و ممکن است برد موثر اندازه‌گیری کاهش یابد. فلومترهای اولتراسونیک معمولاً برای سیالاتی مانند آب، فاضلاب، یا مایعاتی که نمی‌خواهیم در تماس مستقیم با سنسور باشند استفاده می‌شوند. در مقابل، در کاربردی مثل اندازه‌گیری جریان روغن صنعتی غلیظ یا پلیمرها، استفاده از اولتراسونیک کمتر رایج است و در صورت نیاز به سنجش غیرتهاجمی، باید از دستگاه‌های خاص (مثلاً اولتراسونیک با فرکانس پایین یا روش‌های نوین) استفاده شود که دقت کمتری نسبت به فلومتر PD دارند. نکته دیگر درباره اولتراسونیک این است که برای دستیابی به دقت بالا نیاز به کالیبراسیون دقیق با توجه به جنس لوله و سیال دارند، در حالی که فلومتر چرخدندهای مستقیماً حجم را اندازه می‌گیرد و وابستگی کالیبراسیون به پارامترهای صوتی ندارد. به طور خلاصه، فلومتر اولتراسونیک برای لوله‌های بزرگ و سیالات تمیز و نه چندان غلیظ مزیت نصب آسان و عدم افت فشار را دارد، اما فلومتر بیضوی برای سیالات چگال‌تر در لوله‌های کوچک تا متوسط که نیاز به دقت بالا در حجم عبوری دارند انتخاب مناسب‌تری است.
بررسی محصول فلومتر چرخدندهای FlowTech
یکی از محصولات رایج در زمینه فلومترهای چرخدندهای مخصوص سیالات غلیظ، مدل Oval Gear Flowmeter برند FlowTech است که در فروشگاه کنترل با ما عرضه شده است. این فلومتر بیضوی FlowTech دارای مشخصات فنی زیر می‌باشد:
- سایزها: ۱/۴″، ۳/۸″، ۱/۲″ همگی با ابعاد خارجی یکسان؛ تنها قطر داخلی فرق می‌کند.
- رنج دبی (با آب):
• ۱/۴″: ≈۰.۵–۵ L/min • ۳/۸″: ≈۰.۶–۱۳ L/min • ۱/۲″: ≈۰.۸–۲۰ L/min
⟶ برای سیالات ویسکوز، حد بالای دبی کمتر می‌شود. - حداکثر فشار کاری: ۱۷ bar (برای بالاتر از ۲۰ bar باید مدل فشارقوی).
- بازه دما: −۲۰ تا +۸۰ °C (برای دمای بالاتر، مدل مقاوم حرارتی/خنک‌کن).
- نوع سیالات مناسب: روغن‌ها، سوخت‌های نفتی و حلال‌های غیرخورنده با ویسکوزیته بالا (برای سیالات خورنده یا خیلی کم‌ویسکوز/آب توصیه نمی‌شود).
- بدنه و قطعات: بدنه آلومینیوم سبک و اقتصادی؛ چرخدندهها استیل/مقاوم به سایش؛ مناسب نه برای محیط‌های خورنده.
- خروجی سیگنال: سنسور هال/القایی با پالس NPN سه سیمه (Open Collector)؛ قابل اتصال به شمارنده/PLC؛ امکان تبدیل به ۴–۲۰ mA با مبدل.
- تغذیه سنسور: DC 3.5–۲۴ V (معمولاً ۱۲ یا ۲۴ V).
- دقت و کالیبراسیون: ±۱% (کالیبره با آب)، هر دستگاه دارای K-factor:
• ۱/۴″: ~۹۰ pulse/L • ۳/۸″: ~۱۳۸ pulse/L • ۱/۲″: ~۱۴۴ pulse/L
(مثلاً ۱/۲″ ≈ هر پالس ~۶.۹۴ mL). امکان کالیبراسیون مجدد با سیال فرایندی. - مکانیک و آب‌بندی: اتصال رزوه‌ای، اورینگ NBR/وایتون؛ ابعاد نصب ثابت بین سایزها (تعویض سایز بدون نیاز به تغییر فضا).
در نهایت، انتخاب فلومتر مناسب نیازمند بررسی دقیق شرایط فرآیند و مشخصات فنی تجهیزات موجود است. چنانچه برای انتخاب فلومتر برای مواد غلیظ در خطوط تولید خود نیاز به مشاوره بیشتر دارید، یا مایلید درباره فلومتر بیضوی FlowTech و قیمت آن اطلاعات کسب کنید، کارشناسان ما در کنترل با ما آماده پاسخگویی به پرسش‌های شما هستند. هم‌اکنون می‌توانید برای مشاوره خرید یا استعلام قیمت این محصول با بخش پشتیبانی وب‌سایت تماس حاصل فرمایید. با اطمینان می‌گوییم که با انتخاب و نصب صحیح یک فلومتر چرخدندهای باکیفیت، کنترل بهتری بر فرآیندهای خود به‌ویژه در زمینه سیالات سنگین و ویسکوز خواهید داشت و سرمایه‌گذاری شما در این ابزار دقیق، بازدهی قابل توجهی در بهبود دقت و بهره‌وری فرآیند خواهد داشت.
