थर्मल गैस मास फ्लो मीटर – बायोगैस के प्रवाह को मापने हेतु सर्वोत्तम विकल्प

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बायोगैस के पुनर्उपयोग से देश एवं जनता दोनों को लाभ होता है; यह पर्यावरण संरक्षण हेतु एक उपयोदायी एवं व्यवस्थित प्रणाली है। सभी देश मानव शक्ति एवं संसाधनों को लगाकर बायोगैस के पुनर्उपयोग संबंधी तकनीकों का विकास कर रहे हैं। इसकी बायोगैस विद्युत उत्पादन तकनीक अंतरराष्ट्रीय स्तर पर भी काफी अग्रणी तकनीक है; केवल कुछ ही लोग इसे **नियंत्रित कर पाते हैं। उद्यमों का ध्यान आर्थिक एवं सामाजिक लाभों पर होता है; उनकी रुचि इस बात में होती है कि 1 मीटर³ गैस से कितनी बिजली उत्पन्न हो सकती है। बायोगैस मापन हेतु पारंपरिक मापन उपकरणों का उपयोग करने से, व्यवहारिक रूप से अच्छे परिणाम नहीं मिलते। थर्मल गैस मास फ्लो मीटर तकनीक के परिपक्व होने एवं इस उत्पाद की उत्कृष्ट व्यावहारिकता के कारण, अब अधिक से अधिक बायोगैस उत्पादन या बायोगैस पुनर्प्राप्ति करने वाली कंपनियाँ थर्मल गैस मास फ्लो मीटर को अपनाने लगी हैं। थर्मल विधि के सफल उपयोग से, उद्योग को लंबे समय से परेशान कर रही गैस मापन संबंधी समस्याओं का समाधान हो गया। अब, थर्मल गैस मास फ्लो मीटर की विशेषताओं, सिद्धांत, उपयोग, एवं अन्य प्रकार के फ्लो मीटरों की तुलना की जाएगी। वॉर्टेक्स फ्लो मीटर (गैस के लिए) ▲ वॉर्टेक्स फ्लो मीटर की विशेषताएँ: इसमें कोई चलने वाला भाग नहीं होता; मापन की सटीकता उच्च होती है; दबाव-हानि भी कम होती है। मापन हेतु प्रयोग में आने वाले घटक, मापे जाने वाले तरल पदार्थ के संपर्क में नहीं आते। आउटपुट सिग्नल, तरल पदार्थ के तापमान, दबाव, घनत्व, संरचना एवं चिपचिपाहट जैसे पैरामीटरों से स्वतंत्र होता है। 　　▲ वॉर्टेक्स फ्लो मीटर का सिद्धांत: यह, तरल पदार्थों के प्रवाह को मापने हेतु, जलगतिकी में प्रयोग में आने वाले “कारमन वॉर्टेक्स” सिद्धांत का उपयोग करता है। जब कोई वर्टेक्स जनरेटर (जैसे सिलेंडर, त्रिकोणाकार आकृतियाँ आदि) को पाइपलाइन में ऊर्ध्वाधर रूप से लगाया जाता है, तो जब तरल पदार्थ पाइपलाइन में बहता है, तो वर्टेक्स जनरेटर के पीछे दाएँ-बाएँ वैकल्पिक रूप से चक्रवात बनने लगते हैं, जिससे चक्रवातों की एक श्रृंखला बन जाती है। ये दोनों वलन-प्रवाह एक-दूसरे के समानांतर होते हैं; इन्हें बाएँ एवं दाएँ क्रमशः देखा जा सकता है। इनकी घूर्णन दिशाएँ भी विपरीत होती हैं। वर्टेक्स की आवृत्ति f (हर्ट्ज़), तरल पदार्थ की औसत गति v (मीटर/सेकंड) एवं वर्टेक्स उत्पन्न करने वाले घटक की चौड़ाई (मीटर) से निम्नलिखित संबंध में होती है:
f = St * v / d
(यहाँ, St स्ट्रॉहल संख्या है; यह वर्टेक्स उत्पन्न करने वाले घटक की चौड़ाई d एवं तरल पदार्थ के रेनॉल्ड्स संख्या पर निर्भर है।)
▲ वर्टेक्स फ्लो मीटर का उपयोग काफी सरल है, एवं इसकी स्थापना भी आसान है। इसके दो प्रकार हैं – इनसर्टेबल एवं पाइप-आधारित। स्थापना करते समय यह ध्यान रखना आवश्यक है कि तरल पदार्थ का प्रवाह दिशा, फ्लो मीटर द्वारा दर्शाई गई दिशा के समान ही होनी चाहिए। 　　▲ वॉर्टेक्स फ्लो मीटरों के नुकसान: इनकी मापन सीमा, थर्मल गैस फ्लो मीटरों की तुलना में कम होती है (अधिकांश में यह अनुपात 10:1 ही होता है); ये कंपनों के प्रभाव से बहुत प्रभावित होते हैं; पाइपलाइनों का आकार एवं कीमत आपस में समानुपाती होती है; मापन हेतु तापमान एवं दबाव समायोजन आवश्यक है; छोटी मापन सीमाओं पर ये असंवेदनशील एवं अस्थिर रहते हैं; ऐसी स्थितियों में इनका उपयोग लगभग असंभव हो जाता है। अल्ट्रासोनिक फ्लो मीटर (गैस के लिए)
▲ अल्ट्रासोनिक फ्लो मीटर की विशेषताएँ: कोई दबाव-हानि नहीं; स्थापना आसान है; तरल पदार्थ के तापमान, दबाव, चिपचिपाहट आदि गुणों से इसका कोई संबंध नहीं है; इसमें कोई गतिशील भाग नहीं है; गंदी, अभिक्रियाशील गैसों एवं बहुघटकीय गैसों को भी मापा जा सकता है। 　　▲अल्ट्रासोनिक फ्लो मीटर का सिद्धांत: पाइपलाइन में, धारा की दिशा में एवं विपरीत दिशा में अल्ट्रासोनिक तरंगों के यात्रा समय को मापा जाता है; इसके बाद गणना करके तरल पदार्थ की गति ज्ञात की जाती है। तरल पदार्थ का प्रवाह-दर, माध्यम की गति, पाइप के व्यास, एवं रेनॉल्ड्स संख्या के उपयोग से तरल पदार्थ की गतिकीय विशेषताओं को ध्यान में रखकर ज्ञात किया जा सकता है। 　　विस्तार से कहें तो: पाइपलाइन में “Z” आकार में दो अल्ट्रासोनिक सेंसर लगाए जाते हैं; इन दोनों सेंसरों के बीच की दूरी ‘L’ होती है, और यही दूरी अल्ट्रासोनिक तरंगों के यात्रा मार्ग के रूप में कार्य करती है। दो सेंसरों के बीच अल्ट्रासाउंड तरंगों के प्रवाह एवं विप्रवाह के समय को निम्नलिखित सूत्रों द्वारा व्यक्त किया जाता है:
Ts = L / (C + Vcosθ); Tn = L / (C – Vcosθ)
यहाँ, C, स्थिर वायु में ध्वनि तरंगों की गति है; यह गैस के गुणों पर निर्भर है। इसकी इकाई मीटर/सेकंड है। V, गैसीय माध्यम में प्रवाह वेग है; इकाई: मीटर/सेकंड। θ, ध्वनि तरंगों के प्रसार मार्ग एवं पाइपलाइन की अक्ष के बीच का कोण है। 　　▲अल्ट्रासोनिक फ्लो मीटर का उपयोग भी काफी आसान है। पाइप की सतह पर इसे “Z” आकार में लगाना होता है। ध्यान देने योग्य बात यह है कि सेंसर को लगाने से पहले उस स्थान को चिकना कर देना चाहिए, एवं वहाँ मक्खन लगाना आवश्यक है। इसके बाद सेंसर को पाइप से ठीक से जोड़ देना चाहिए। 　　▲अल्ट्रासोनिक फ्लो मीटर के नुकसान: इसकी मापन सीमा, थर्मल गैस फ्लो मीटर की तुलना में थोड़ी कम होती है; साथ ही, इसकी देखभाल में भी कुछ परेशानियाँ होती हैं। उच्च सटीकता वाले गैस मीटरों की कीमत अधिक होती है; मापन हेतु तापमान एवं दबाव का समायोजन आवश्यक होता है, एवं उपकरणों की स्थापना भी जटिल होती है। रोटरी फ्लो मीटर (गैस)
▲ रोटरी फ्लो मीटर की विशेषताएँ: डेटा सीधे ही प्रदर्शित होता है, बिजली की आवश्यकता नहीं होती; कीमत अपेक्षाकृत कम होती है।
इसके दो प्रकार हैं – सामान्यतः उपयोग में आने वाला काँच की नली वाला रोटरी फ्लो मीटर, एवं धातु की नली वाला रोटरी फ्लो मीटर। डेटा को वहीं पर दिखाया जा सकता है, या दूर से भी देखा जा सकता है। इंटरफ़ेस के रूप में HART, मानक धारा संकेत, PROFIBUS आदि उपलब्ध हैं। 　　▲रोटर फ्लो मीटर का सिद्धांत: रोटर फ्लो मीटर भी एक गति-आधारित फ्लो मीटर है। इसकी दो संरचनाएँ हैं – एक तो ऊपर से बड़ा एवं नीचे से छोटा होने वाली शंक्वाकार नली है; दूसरी संरचना वह रोटर है, जो उस शंक्वाकार नली के अंदर स्थित होता है (इसे “फ्लोटर” भी कहा जाता है)। रोटर के वजन को संतुलित करने हेतु, तरल पदार्थ के रोटर एवं शंक्वाकार ट्यूब की दीवारों के बीच के अंतराल (थ्रोटल क्षेत्र) से गुजरने पर उत्पन्न होने वाले दबाव-अंतर △P का उपयोग किया जाता है। कार्य करते समय, मापन हेतु उपयोग में आने वाला तरल पदार्थ शंक्वाकार ट्यूब के निचले छोर से अंदर आता है, एवं ऊपरी छोर से बाहर तरल पदार्थ द्वारा रोटर पर लगने वाला ऊपर की ओर का बल F, हमेशा रोटर के वजन G के बराबर होता है। अर्थात्,
F = ΔP × A;
G = V × (ρt – ρf)g.
चूँकि F = G, इसलिए ΔP × A = V × (ρt – ρf)g.
अतः,
ΔP = V × (ρt – ρf)g / A (1)
जहाँ,
V – रोटर का आयतन;
A – रोटर का अधिकतम क्षेत्रफल;
g – स्थानीय गुरुत्वाकर्षण त्वरण;
ρt एवं ρf – क्रमशः रोटर की सामग्री एवं मापे जा रहे तरल पदार्थ का घनत्व;
ΔP – रोटर के ऊपर एवं नीचे के तरल पदार्थों के बीच का दबाव अंतर है. समीकरण (1) से पता चलता है कि, पूरी कार्यप्रक्रिया के दौरान दबाव-ांतर स्थिर रहता है। जब धारा में वृद्धि होती है, तो स्वाभाविक रूप से थ्रोटल क्षेत्र से गुजरने वाली धारा की गति भी बढ़ जाती है। दबाव-ांतर △P को स्थिर रखने हेतु, थ्रोटल क्षेत्र को बढ़ाकर ही धारा की गति को कम किया जा सकता है। अतः, रोटर की संतुलन स्थिति के आधार पर ही प्रवाह-दर का मापन किया जा सकता है। इसे समीकरण (2) के द्वारा व्यक्त किया जा सकता है:
Q = k * h * (2△P/ρf)^(1/2) (2)
जहाँ, k – मापन उपकरण संबंधी स्थिरांक है; h – रोटर के ऊपर उठने की ऊँचाई है। समीकरण (1) को लागू करने पर हमें मिलता है:
Q = k·h·√[2gV(ρt – ρf)/(ρf·A)]
▲ रोटर फ्लो मीटर का उपयोग करना काफी आसान है; इसे इंस्टॉल करते समय बस संबंधित बोल्टों को अच्छी तरह बंद कर देना ही पर्याप्त है। लेकिन ध्यान रखने योग्य बात यह है कि तरल पदार्थ का प्रवाह हमेशा ऊपर की ओर ही होना चाहिए। 　　▲रोटर फ्लो मीटर के नुकसान: इसका रेंज अनुपात केवल 10:1 है; दबाव हानि अपेक्षाकृत अधिक होती है; गंदगी के कारण यह आसानी से अवरुद्ध हो जाता है; इसकी स्थापना एवं रखरखाव प्रक्रिया जटिल होती है; कंपनों का इस पर बहुत प्रभाव पड़ता है; तापमान एवं दबाव के लिए समायोजन आवश्यक है; पाइप का आकार एवं कीमत आपस में सीधे आनुपातिक होते हैं, आमतौर पर यह DN200 से कम ही होता है। थर्मल गैस मास फ्लो मीटर
▲ थर्मल मास फ्लो मीटर की विशेषताएँ: इसकी मापन सीमा 1000:1 तक हो सकती है; कम मात्रा के मापन हेतु यह अत्यंत संवेदनशील है; तापमान एवं दबाव के प्रभाव से इसका कोई प्रभाव नहीं पड़ता, इसलिए गैस का द्रव्यमान सीधे ही मापा जा सकता है; दबाव हानि नगण्य होती है; बड़े व्यास वाली पाइपलाइनों में भी उच्च सटीकता के साथ मापन संभव है; इसकी कीमत, पाइपलाइन के आकार के आधार पर ज्यादा नहीं होती; उच्च सटीकता 1% तक हो सकती है; तापमान सीमा -40℃ से 400℃ तक है; यह धूल एवं कणों के प्रति संवेदनशील नहीं है। 　　▲थर्मल मास फ्लो मीटर का सिद्धांत: यह तापीय विसरण सिद्धांत पर आधारित एक फ्लो मीटर है। सरल शब्दों में, जब कोई ताप स्रोत किसी तरल पदार्थ के भीतर होता है, तो जब वह तरल पदार्थ उस ताप स्रोत से गुजरता है, तो ताप स्रोत से ऊष्मा नष्ट हो जाती है। जितना अधिक तरल पदार्थ का प्रवाह होता है, उतनी ही अधिक ऊष्मा ताप स्रोत से नष्ट होती है। आदर्श स्थिति में, तरल पदार्थ का प्रवाह-दर, ऊष्मा-स्रोत द्वारा निकलने वाली ऊष्मा की मात्रा के बराबर होनी चाहिए। अतः, ऊष्मा की मात्रा जानने के बाद, हम तरल पदार्थ के प्रवाह-दर का निर्धारण कर सकते हैं। 　　वास्तव में, थर्मल गैस फ्लो मीटर (जिसे संक्षेप में “थर्मल फ्लोमीटर” कहा जाता है) को कार्यान्वित करने हेतु, इसके प्रोब में दो सेंसर होते हैं। इनमें से एक सेंसर संदर्भ बिंदु के रूप में कार्य करता है, जिसका उपयोग तरल पदार्थ के तापमान को मापने हेतु किया जाता है; जबकि दूसरा सेंसर ऊष्मा स्रोत के रूप में कार्य करता है। उपरोक्त विवरणों के आधार पर, हमें निम्नलिखित समीकरण (3) प्राप्त होता है:
P/△T = A + B × Qᵐ (3)
जहाँ,
P – इलेक्ट्रॉनिक मॉड्यूल द्वारा ऊष्मा स्रोत के रूप में प्रदान की जाने वाली शक्ति है;
△T – ऊष्मा स्रोत एवं संदर्भ बिंदु के बीच का तापमान अंतर है;
A, B – तरल पदार्थ के गुणों से संबंधित स्थिरांक हैं;
m – तरल पदार्थ के गुणों से संबंधित घातांक है;
Q – तरल पदार्थ का द्रव-प्रवाह दर है। समीकरण (3) से हम देख सकते हैं कि प्रवाह-मापन हेतु दो विधियाँ हैं – P को स्थिर रखना, अर्थात् स्थिर-शक्ति विधि; एवं △T को स्थिर रखना, अर्थात् स्थिर-तापमान-ांतर विधि। आमतौर पर हम “स्थिर तापमान अंतर विधि” का उपयोग मापन हेतु करते हैं। इस विधि की विशेषताएँ यह हैं कि यह कम मापन सीमा में बहुत ही संवेदनशील होती है, एवं प्रतिक्रिया देने की गति भी तेज होती है। वर्तमान में बाजार में उपलब्ध सभी उत्पादों में भी यही विधि ही उपयोग में आ रही है। 　　▲थर्मल मास फ्लो मीटर का उपयोग एवं स्थापना आसान है; इसके दो रूप हैं – इनसर्टेबल एवं पाइपलाइन टाइप। चाहे वह इनसर्टेबल प्रकार का हो या पाइपलाइन प्रकार का, इसकी देखभाल एवं संचालन बहुत ही आसान है। इंस्टॉल करते समय ध्यान रखना आवश्यक है कि तरल पदार्थ की दिशा, थर्मल फ्लो मीटर द्वारा दर्शाई गई दिशा के अनुरूप हो। 　　▲थर्मल मास फ्लो मीटर के नुकसान: इसे उच्च चिपचिपाहट वाले वातावरण में स्थापित करना उपयुक्त नहीं है; इसे ऐसे स्थानों पर भी स्थापित नहीं किया जा सकता, जहाँ पानी की मात्रा 40% से अधिक हो। कई उद्योगों में हुए व्यावहारिक उपयोगों से पता चलता है कि गर्मी-आधारित गैस फ्लो मीटर, गैसों के मापन में विशेष रूप से उपयोगी है; खासकर तब, जब दबाव कम हो एवं गैसों की संरचना जटिल हो। थर्मल गैस मास फ्लो मीटर, अन्य फ्लो मीटरों की तुलना में, कम दबाव हानि, विस्तृत मापन सीमा, एवं कम मापन सीमा पर भी उच्च संवेदनशीलता जैसे लाभों के कारण ऊर्जा बचाने में सहायक होता है। इसके सफल उपयोग से, भविष्य में बायोगैस के प्रवाह को मापने हेतु सटीक मापन हेतु आवश्यक उपकरण उपलब्ध हो गए।