गैस प्रवाह मापक यंत्रों पर अनुसंधान

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औद्योगिक स्थलों पर कई ऐसी जगहें होती हैं, जहाँ गैस के प्रवाह को मापना आवश्यक होता है। इसके व्यावहारिक उपयोगों में वायु, कोयला-गैस, प्राकृतिक गैस, क्लोरीन गैस, ऑक्सीजन, ऑटोमोबाइलों से निकलने वाली गैस आदि शामिल हैं। उन स्थितियों में, जहाँ दहन प्रक्रिया को नियंत्रित करने की आवश्यकता होती है, गैस के प्रवाह को मापना वायु/ईंधन अनुपात को बेहतर ढंग से नियंत्रित करने हेतु बहुत ही महत्वपूर्ण है। दहन प्रक्रिया में आवश्यक हवा की मात्रा, दहन की स्थिरता एवं दक्षता पर सीधा प्रभाव डालती है। पेट्रोकेमिकल उद्योग में हाइड्रोजनीकरण प्रक्रिया में हाइड्रोजन गैस के प्रवाह को मापना एवं उसे नियंत्रित करना, दक्षता में सुधार हेतु बहुत ही महत्वपूर्ण है। हमारे देश में उद्योगों के तेज़ विकास, एवं पर्यावरण संरक्षण संबंधी आवश्यकताओं के कारण नवीन ऊर्जा स्रोतों को बढ़ावा दिया जा रहा है; इस कारण गैसों के मापन पर ध्यान दिया जा रहा है। लेकिन वर्तमान में गैस के प्रवाह को मापने संबंधी समस्याएँ काफी गंभीर हैं। उदाहरण के लिए, बड़े आकार एवं उच्च प्रवाह-दर वाले गैस-मापक उपकरणों में कई समस्याएँ होती हैं। ； तापमान, दबाव, घटक आदि पैरामीटरों में बड़े परिवर्तन वाली मिश्रित गैसों के मापन भी एक प्रमुख समस्या है जिसका समाधान आवश्यक है। 1.1 मिश्रित गैसों की विशेषताएँ: मिश्रित गैसें, औद्योगिक क्षेत्रों में अक्सर उपयोग में आने वाले पदार्थ हैं। उदाहरण के लिए, प्राकृतिक गैस, गैसोलीन, टॉर्च गैस, बॉयलर से निकलने वाली धुआँ आदि सभी मिश्रित गैसें ही हैं। मिश्रित गैसों में आमतौर पर निम्नलिखित विशेषताएँ होती हैं: अ. ये बहुत ही गंदी होती हैं। मिश्रित गैसों में आमतौर पर कुछ अशुद्ध पदार्थ होते हैं; उदाहरण के लिए, गैस में कोयला-टार, धूल एवं पानी जैसे अशुद्ध पदार्थ होते हैं। ； धुएँ में फ्लाई ऐश भी होता है। ख. घटकों में परिवर्तन। मिश्र गैसों के घटकों में कुछ परिवर्तन होते हैं, जिससे उनमें समय-ानुसार परिवर्तन देखने को मिलता है। उदाहरण के लिए, गैस में CO2, O2, H2, CO, CH4 जैसे कई घटक होते हैं। उत्पादन प्रक्रिया में परिवर्तन होने या कच्चे माल की संरचना में अंतर होने के कारण, गैस में मौजूद घटकों में भी परिवर्तन हो जाता है। उदाहरण के लिए, टॉर्च गैस में हाइड्रोकार्बन, हाइड्रोजन, हाइड्रोजन सल्फाइड, कार्बन डाइऑक्साइड, नाइट्रोजन आदि घटक होते हैं। रिफाइनरी में होने वाले परिवर्तनों या वाल्वों से होने वाले लीकेज जैसे कारणों से भी टॉर्च गैस में मौजूद विभिन्न गैसों का सापेक्ष प्रतिशत बदल सकता है। ग. तापमान एवं दबाव में परिवर्तन। उदाहरण के लिए: टॉर्�्च की गैस का तापमान बहुत अधिक परिवर्तित होता है; यह शून्य से कई डिग्री नीचे के तापमान से लेकर 300-400 डिग्री तक हो सकता है। परीक्षण की जा रही मिश्रित गैस के तापमान एवं दबाव में परिवर्तन से मापन में काफी त्रुटियाँ आ सकती हैं। अतः, मिश्रित गैस के द्रव्यमान-प्रवाह को मापना, उसके आयतन-प्रवाह को मापने की तुलना में कहीं अधिक उचित होगा। डी. प्रवाह में परिवर्तन की सीमा बहुत अधिक है। प्राकृतिक गैस, कोयला-गैस, टॉर्�्च गैस आदि मिश्रित गैसों में प्रवाह दर में काफी भिन्नता होती है। उदाहरण के लिए, सामान्य रूप से संचालित रिफाइनरियों में टॉर्च गैस का प्रवाह-वेग आमतौर पर कम होता है; कम प्रवाह-दर की स्थिति में इसका वेग 0.01 से 15 मीटर/सेकंड के बीच होता है। लेकिन आपदा की स्थिति में, थोड़े ही समय में टॉर्च गैस का प्रवाह-वेग 60 मीटर/सेकंड तक पहुँच जाता है। प्राकृतिक गैस एवं गैसोलीन के मामले में भी ऐसी ही स्थिति होती है; गैस के उपयोग के चरम समय में गैस का प्रवाह-वेग, उपयोग के कम समय में होने वाले प्रवाह-वेग से 20 गुना अधिक हो सकता है। 1.2 गैस प्रवाह मापन की विधियों पर चर्चा: वर्तमान में उपलब्ध अधिकांश गैस प्रवाह मापन विधियों में, गैस के प्रवाह को मापते समय कुछ न कुछ कमियाँ होती हैं; इस कारण गैस प्रवाह मापन संबंधी समस्याओं का पूर्ण रूप से समाधान करना कठिन है। गैस के प्रवाह दर को मापने हेतु, विशेष प्रकार के फ्लोमीटरों का उपयोग आवश्यक है। नीचे, उपयोग में आने वाले सामान्य गैस फ्लो मीटरों, एवं गैस फ्लो मापन संबंधी समस्याओं का विश्लेषण किया गया है। 1.2.1 वॉर्टेक्स फ्लो मीटर – वॉर्टेक्स फ्लो मीटर, 20वीं शताब्दी के 70 के दशक में विकसित किया गया एक नया प्रकार का फ्लो मीटर है। अब यह सामान्य रूप से उपयोग में आने वाले फ्लो मीटरों में से एक माना जाता है। इसका उपयोग गैस, तरल पदार्थों एवं भाप के प्रवाह को मापने हेतु व्यापक रूप से किया जाता है। वॉर्टेक्स फ्लो मीटरों का विकास तेजी से हो रहा है; खासकर सिग्नल पहचानने की विधियों एवं सिग्नल प्रसंस्करण के क्षेत्र में। वॉर्टेक्स फ्लो मीटरों का उपयोग करने से कुछ लाभ होते हैं – जैसे कि इन्हें आसानी से स्थापित किया जा सकता है, एवं इनसे होने वाला दबाव-नुकसान भी कम होता है। ； इसका उपयोग कई प्रकार के तरल पदार्थों के मापन हेतु किया जा सकता है; जैसे कि तरल, गैस, भाप आदि। ； सटीकता अधिक है ； मापन की सीमा बहुत व्यापक है; यह 10:1 से 20:1 तक हो सकती है। ； निश्चित रेनॉल्ड्स संख्या की सीमा के भीतर, आउटपुट सिग्नल पर तरल पदार्थ के गुणों (घनत्व, चिपचिपाहट) एवं घटकों का कोई प्रभाव नहीं पड़ता; अर्थात् मापन गुणांक केवल वर्टेक्स उत्पन्न करने वाले उपकरण एवं पाइपलाइन के आकार/आकृति से ही संबंधित होता है। ； केवल एक सामान्य माध्यम में ही कैलिब्रेशन करने की आवश्यकता है; इससे यह विभिन्न माध्यमों में भी उपयोग में आ सकता ह लेकिन वॉर्टेक्स फ्लो मीटर के व्यावहारिक उपयोग में भी कुछ कमियाँ हैं: वॉर्टेक्स फ्लो मीटर, कम रेनॉल्ड्स संख्या वाले तरल पदार्थों के मापन हेतु उपयुक्त नहीं है। ； शरीर-चक्रवाती अलगाव की स्थिरता, प्रवाह-गति के वितरण में होने वाले विकृतियों एवं घूर्णनशील प्रवाह से संबंधित है; इसलिए ऊपरी भाग में मौजूद विभिन्न प्रकार के प्रतिरोधक तत्वों के कारण पर्याप्त लंबाई वाले सीधे ट्यूब खंड लगाने आवश्यक हैं, या फिर रेक्टिफायर लगाना आवश्यक है ； फोर्स-सेंसिटिव डिटेक्शन विधि का उपयोग करने वाले वॉर्टेक्स-स्ट्रीट फ्लो मीटर, पाइपलाइनों में होने वाले यांत्रिक कंपनों के प्रति संवेदनशील होते हैं; इसलिए ऐसे माहौल में इनका ； टर्बाइन फ्लो मीटर की तुलना में, इसका मापन गुणांक कम होता है, एवं इसकी रिज़ॉल्यूशन भी कम होती है। जब वॉर्टेक्स फ्लो मीटर का उपयोग गैसों के मापन हेतु किया जाता है, तो दबाव उत्पन्न करने वाले उपकरणों के कारण पाइपलाइनों में होने वाला कंपन, पाइपलाइनों में मौजूद गैसों का दबाव, एवं गैसों के यादृच्छिक दबाव-परिवर्तन आदि, सभी फ्लो मापन प्रक्रिया को प्रभावित करते हैं। इसके अलावा, व्यावहारिक उपयोग में, गैसों में 5 मी/सेकंड से अधिक की गति बनाए रखना आम तौर पर कठिन होता है; इस कारण कम गति पर वॉर्टेक्स फ्लो मीटर में मापन में त्रुटियाँ देखने को मिलती हैं। 1.2.2 डिफरेंशियल प्रेशर फ्लो मीटर – डिफरेंशियल प्रेशर फ्लो मीटर, पाइपलाइन में स्थित थ्रोटल घटकों के कारण उत्पन्न होने वाले दबाव-अंतर, तरल पदार्थ संबंधी जानकारियाँ, थ्रोटल घटकों की विशेषताएँ, एवं पाइपलाइन के ज्यामितीय आकार जैसे मापदंडों के आधार पर प्रवाह दर की गणना करता है। डेटा ट्रैफिक मापन हेतु उपयोग होने वाले उपकरणों में इसका उपयोग सबसे हाल के वर्षों में, विभिन्न प्रकार के नए फ्लो मीटरों के उपयोग में वृद्धि के कारण, डिफरेंशियल प्रेशर फ्लो मीटरों का बाजार हिस्सा धीरे-धीरे कम होता जा रहा है। लेकिन फिर भी, ये अभी भी सबसे महत्वपूर्ण प्रकार के फ्लो मीटर ही हैं। डिफरेंशियल प्रेशर फ्लो मीटर का उपयोग गैसों के प्रवाह को मापने हेतु व्यापक रूप से किया जाता है; यह वर्तमान में गैस एवं प्राकृतिक गैस के मापन हेतु प्रचलित फ्लो मीटर प्रकार है। हाल के सर्वेक्षणों के अनुसार, प्राकृतिक गैस के प्रवाह मापन हेतु उपयोग में आने वाले उपकरणों में, अंतरराष्ट्रीय स्तर पर मानक छिद्रप्लेटों का उपयोग लगभग 55% मामलों में होता है, जबकि घरेलू स्तर पर यह आंकड़ा लगभग 80% है। डिफरेंशियल प्रेशर फ्लो मीटर, एक प्राथमिक उपकरण एवं एक द्वितीयक उपकरण से मिलकर बना होता है। आमतौर पर, डिफरेंशियल प्रेशर फ्लोमीटरों को थ्रॉटलिंग उपकरणों के आधार पर वर्गीकृत किया जाता है; जैसे कि ओरिफिस फ्लोमीटर, वेंचुरी ट्यूब फ्लोमीटर, इक्विवेलोसिटी ट्यूब फ्लोमीटर आदि। डिफरेंशियल प्रेशर फ्लो मीटरों में प्रयोग होने वाले थ्रोटल घटक (विशेष रूप से मानक थ्रोटल घटक), काफी सामान्य रूप से उपयोग में आते हैं, एवं अंतरराष्ट्रीय मानक संगठनों द्वारा भी इन्हें मान्यता दी ग डिफरेंशियल प्रेशर फ्लो मीटरों में उपयोग होने वाले मानक स्ट्रिमिंग घटकों पर प्रयोगात्मक अध्ययन अंतरराष्ट्रीय स्तर पर किए जाते हैं; अन्य प्रकार के फ्लो मीटरों में ऐसी गहराई एवं व्यापकता हासिल करना कठिन है। स्टैंडर्ड डिफरेंशियल प्रेशर फ्लोमीटर, एकमात्र ऐसा फ्लोमीटर है जिसे बिना किसी वास्तविक प्रवाह कैलिब्रेशन के ही उपयोग में लाया जा सकता है। डिफरेंशियल प्रेशर फ्लो मीटर के उपयोग में भी कुछ सीमाएँ हैं: मापन की पुनरावृत्ति एवं सटीकता मध्यम स्तर की होती है, एवं इसे और बेहतर बनाना कठिन है। ； मापन की सीमा काफी संकीर्ण होती है; आम तौर पर यह केवल 3:1 से 4:1 ही होती है। ； कुछ ऐसे स्थानों पर इसका उपयोग नहीं किया जा सकता, जहाँ प्रवाह में अधिक परिवर्तन होते हैं। कुछ साहित्यों में डिफरेंशियल प्रेशर फ्लोमीटर के मापन दायरे को बढ़ाने के तरीके भी बताए गए हैं। हालाँकि, इसकी स्थापना हेतु कठोर आवश्यकताएँ हैं। ； प्रेशर ट्यूबों में लीकेज, अवरोध, जमाव, एवं सिग्नलों में विकृति जैसी समस्याएँ आसानी से हो सकती हैं। ； दबाव हानि अधिक है। डिफरेंशियल प्रेशर फ्लो मीटर, गैस, प्राकृतिक गैस, धुएँ जैसी गंदी गैसों के मापन हेतु उपयुक्त नहीं हैं। इसके मुख्य कारण हैं:
a. गैस/प्राकृतिक गैस के उपयोग में चरम स्तर एवं न्यूनतम स्तर होते हैं; इसलिए फ्लो रेट में बहुत अधिक भिन्नता होती है। डिफरेंशियल प्रेशर फ्लो मीटर की मापन क्षमता सीमित होती है, जिसके कारण उपयोग के दौरान बड़ी त्रुटियाँ हो जाती हैं। व्यावहारिक उपयोग में, डिफरेंशियल प्रेशर फ्लो मीटर की मापन क्षमता को बढ़ाने हेतु आमतौर पर मुख्य पाइपलाइनों से सहायक पाइपलाइनों को जोड़ा जाता है। लेकिन ऐसा करने से मापन प्रणाली जटिल हो जाती है, निवेश लागत भी बढ़ जाती है, एवं रखरखाव की आवश्यकताएँ भी बढ़ जाती हैं। ख. गैस, प्राकृतिक गैस, धुएँ आदि जैसी मिश्रित गैसों में अशुद्धियाँ होती हैं; इस कारण दबाव-नियंत्रण वाली नलियाँ अवरुद्ध हो जाती हैं, एवं थ्रोटल घटकों के गुण भी बदल जाते हैं। इसके लिए, कुछ कंपनियों ने साफ करने में आसान ऐसे छिद्रप्लेट विकसित किए हैं; उपकरणों के सही ढंग से काम करने एवं सटीक मापन हेतु इन्हें नियमित या अनियमित रूप से साफ किया जाता है। लेकिन वास्तविक उपयोग में गंदगी के कारण उत्पन्न होने वाली समस्याओं को दूर करना अभी भी कठिन है। ग. दबाव हानि अधिक होती है; इस कारण गैसों का पाइपलाइन के माध्यम से परिवहन कठिन हो जाता है। इसके अलावा, डिफरेंशियल प्रेशर फ्लो मीटर का उपयोग ऑक्सीजन जैसे गैसों एवं कम दबाव वाले वातावरणों में नहीं किया जा सकता। 1.2.3. रोटर फ्लो मीटर – रोटर फ्लो मीटर को “फ्लोटर फ्लो मीटर” भी कहा जाता है। यह एक “परिवर्तनशील क्षेत्र वाला फ्लो मीटर” है। रोटरी फ्लो मीटर की संरचना सरल होती है; इसका उपयोग डिफरेंशियल प्रेशर फ्लो मीटर के बाद ही होता है। कम मात्रा में प्रवाह मापने हेतु यह बहुत ही महत्वपूर्ण उपकरण है। सिंगल रोटर फ्लो मीटर में पाइप का व्यास छोटा होना, स्थापना संबंधी कई प्रतिबंध होना आदि जैसी कमियाँ हैं। रोटरी फ्लो मीटर की मापन सटीकता कम होती है; इसके लिए वास्तविक गैसों का उपयोग करके कैलिब्रेशन करना आवश्यक है। इसे केवल उन्हीं मामलों में उपयोग में लाया जा सकता है, जहाँ सटीकता की आवश्यकता कम हो (2.5 ग्रेड से कम)। वहीं, गैस एवं प्राकृतिक गैस जैसी गैसों के लेन-देन संबंधी मुद्दे अक्सर उत्पन्न होते हैं; इसलिए ऐसी गैसों के मापन हेतु उच्च सटीकता आवश्यक होती है। इसके अलावा, मिश्रित गैसों में घटकों में होने वाले परिवर्तनों से फ्लोमीटर के आउटपुट सिग्नल पर प्रभाव पड़ता है। इसलिए, रोटरी फ्लोमीटर, मिश्रित गैसों, बड़े व्यास वाली पाइपलाइनों, एवं उच्च सटीकता की आवश्यकता वाले मामलों में उपयोग हेतु उपयुक्त नहीं है। 1.2.4 टर्बाइन फ्लो मीटर – टर्बाइन फ्लो मीटर, सेंसर एवं डिस्प्ले उपकरणों से मिलकर बना होता है। इसमें प्रयोग में आने वाले सेंसर में कई पंखुड़ियाँ होती हैं; ये पंखुड़ियाँ तरल पदार्थ की औसत गति को मापती हैं, जिससे फ्लो रेट निर्धारित किया जा सकता है। रोटर की गति को चुंबकीय संवेदकों, प्रकाश-आधारित संवेदकों आदि के माध्यम से मापा जा सकता है; एवं इसे पीछे स्थित उपकरणों द्वारा प्रदर्शित, प्रसारित एवं रिकॉर्ड किया जा सकता है। टर्बाइन फ्लो मीटर का उपयोग तेल, कार्बनिक तरल पदार्थ, अकार्बनिक तरल पदार्थ, तरलीकृत गैस, प्राकृतिक गैस, गैस एवं निम्न तापमान वाले तरल पदार्थों जैसी वस्तुओं के मापन हेतु व्यापक रूप से किया जाता है। विदेशों में, तरलीकृत पेट्रोलियम गैस, तैयार ईंधन एवं हल्के कच्चे तेल आदि के परिवहन हेतु उपयोग में आने वाले स्टेशनों, तथा बड़ी कच्चे तेल पाइपलाइनों के प्रारंभिक/अंतिम स्टेशनों पर व्यापारिक लेन-देन हेतु टर्बाइन फ्लोमीटरों का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। यूरोप एवं संयुक्त राज्य अमेरिका में, टर्बाइन फ्लो मीटर, छिद्र-प्लेट फ्लो मीटर के बाद, प्राकृतिक गैस के मापन हेतु सबसे अधिक उपयोग में आने वाले उपकरण हैं। टर्बाइन फ्लो मीटर में निम्नलिखित विशेषताएँ होती हैं: इसकी सटीकता उच्च होती है; आम तौर पर यह 0.5% से 0.2% तक होती है। ； मापन की सीमा सामान्य होती है; अधिकतम एवं न्यूनतम प्रवाह दरों का अनुपात आमतौर पर 6:1 से 10:1 होता है। ； पुनरावृत्ति की गुणवत्ता अ ； दबाव हानि कम है। ； डिजिटल सिग्नल आउटपुट ； स्थापना एवं मरम्मत आसान है। टर्बाइन फ्लो मीटर की सीमाएँ इस बात में हैं कि यह लंबे समय तक अपनी कैलिब्रेशन विशेषताओं को बनाए नहीं रख पाता, इसलिए इसे नियमित रूप से कैलिब्रेट करने की आवश ； आम तौर पर, यह उच्च चिपचिपाहट वाले माध्यमों में प्रवाह-मापन हेतु उपयुक्त नह ； तरल पदार्थों के गुणधर्म (घनत्व, चिपचिपाहट) प्रवाह दर पर बहुत ही प्रभाव डालते हैं। ； प्रवाह गति का वितरण एवं विकृतियाँ, प्रवाह मात्रा पर बहुत बड़ा प्रभ ； जिस माध्यम की जाँच की जा रही है, उसकी स्वच्छता संबंधी मांगें जैसा कि देखा जा सकता है, टर्बाइन फ्लो मीटर भले ही उच्च सटीकता वाले होते हैं, लेकिन इनकी मापन क्षमता सामान्य ही होती है। ये प्रदूषण एवं क्षय के प्रभाव के अधीन आसानी से आ जाते हैं। इसके अलावा, बड़े आकार के टर्बाइन फ्लो मीटरों की निर्माण लागत भी क इसलिए, यह DN300 से कम व्यास वाली पाइपलाइनों में स्वच्छ गैसों के प्रवाह को मापने हेतु उपयोगी है; लेकिन गैसोलीन, प्राकृतिक गैस जैसी गंदी गैसों के मामलों में यह उपयोगी नहीं है। 1.2.5. अल्ट्रासोनिक फ्लोमीटर – अल्ट्रासोनिक फ्लोमीटर, तरल पदार्थ के प्रवाह के दौरान अल्ट्रासोनिक तरंगों पर होने वाले प्रभावों का विश्लेषण करके तरल पदार्थ के आयतनीय प्रवाह की मात्रा मापने वाला उपकरण है। इसमें कोई दबाव-हानि नहीं होती; यह हाल के वर्षों में तेजी से विकसित हुए फ्लोमीटरों में से एक है। बड़े व्यास वाली पाइपलाइनों में फ्लो मापने हेतु इसके उत्कृष्ट गुण हैं। बंद पाइपलाइनों में उपयोग होने वाले अल्ट्रासोनिक फ्लोमीटरों को उनके मापन सिद्धांतों के आधार पर निम्नलिखित श्रेणियों में विभाजित किया जा सकता है – प्रसार-समय विधि, डॉपलर प्रभाव विधि, बीम-विचलन विधि, संबंध विधि, एवं शोर विधि। अल्ट्रासोनिक फ्लोमीटरों का उपयोग 1990 के दशक से शुरू हुआ। इनके कुछ प्रमुख लाभों (जैसे – उच्च मापन सटीकता, व्यापक मापन रेंज, कोई दबाव-हानि न होना, कोई गतिशील भाग न होना आदि) के कारण ये उपयोगकर्ताओं के बीच लोकप्रिय हुए। इनका उपयोग गैसों के प्रवाह मापन हेतु भी किया जाता है। अब तक अमेरिका, नीदरलैंड, यूके सहित 12 देशों की संस्थाओं ने अल्ट्रासोनिक फ्लोमीटरों को व्यापारिक उद्देश्यों हेतु वैध मापन उपकरणों के रूप में मान्यता दी है। लेकिन यह केवल मध्यम से बड़े आकार के लिए ही उपयुक्त है, एवं इसकी कीमत भी बहुत अधिक है वर्तमान में, देश में कुछ ही उपयोगकर्ता आयातित अल्ट्रासोनिक फ्लो मीटरों का उपयोग प्रवाह-मापन हेतु कर रहे हैं। 1.2.6. गैस वायब्रेशन मीटर – गैस वायब्रेशन मीटर, एक आयतन-आधारित फ्लो मीटर है। इसकी मापन सटीकता एवं विश्वसनीयता बहुत अधिक होती है। इसे इंस्टॉल करने हेतु सामने/पीछे किसी सीधी नली की आवश्यकता नहीं होती। इसकी मापन सीमा काफी व्यापक होती है; यह 10:1 तक हो सकती है। लेकिन संरचनात्मक कारणों के कारण, गैस वाले फ्लो मीटर को इंस्टॉल करते समय उसका केस पाइपलाइनों से आने वाले विभिन्न तनावों को सहन नहीं कर पाता; साथ ही, माध्यम का बहुत ही शुद्ध होना आवश्यक है (अन्यथा घूमने वाले भाग अटक सकते हैं)। इसलिए, मिश्रित गैसों के प्रवाह-मापन हेतु इसका उपयोग करने में कुछ सीमाएँ हैं। इसके अलावा, चूँकि बड़े व्यास वाले रोटरी फ्लोमीटर बहुत भारी होते हैं, इसलिए इनका उपयोग बड़े व्यास वाली पाइपलाइनों में शायद ही किया जाता है। वास्तव में, इनका उपयोग मुख्य रूप से छोटे व्यास वाली पाइपलाइनों में गैस प्रवाह के मापन हेतु किया जाता है। अन्य कुछ वॉल्यूमेट्रिक फ्लो मीटर, जैसे कि वेट टाइप फ्लो मीटर, रोटरी फ्लो मीटर आदि, स्थापना संबंधी प्रतिबंधों के कारण मिश्रित गैसों के लिए उपयोग में नहीं आ सकते। 1.2.7. थर्मल गैस मास फ्लो मीटर – थर्मल गैस मास फ्लो मीटर, ऊष्मा-विनिमय के सिद्धांत का उपयोग करके गैस के प्रवाह की मात्रा को मापने वाला उपकरण है; अर्थात्, प्रवाहित हो रही गैस एवं ऊष्मा-स्रोत के बीच होने वाले ऊष्मा-विनिमय के आधार पर ही प्रवाह-मात्रा को मापा जाता है। 1960 के दशक में, संयुक्त राज्य अमेरिका ने सबसे पहले अंतरिक्ष उद्योग के लिए थर्मल गैस फ्लो मीटर विकसित किए; इसके बाद इनका उपयोग अर्धचालक उद्योग में भी किया गया। थर्मल गैस मास फ्लो मीटर में निम्नलिखित विशेषताएँ हैं: यह अत्यंत कम प्रवाह दर वाले छोटे-छोटे प्रवाहों को भी माप सकता है। ； कोई गतिशील भाग नहीं, उच्च विश्वसनीयता ； दबाव हानि बहुत कम है; लगभग नगण्य ही है। ； द्रव्यमान-प्रवाह को सीधे ही मापा जा सकता है; दबाव/तापमान संशोधनों की कोई आवश्यकता नहीं है ； विद्युत संकेतों का आउटपुट, आउटपुट मान बहुत अध ； रेंज अनुपात बहुत उच्च है (1000:1) ； कीमत एवं पाइप के व्यास के बीच कोई खास संबंध नहीं है; इसे आसानी से इंस्ट ； पुनरुत्पादन क्षमता अच्छी है। वर्तमान में, थर्मल गैस मास फ्लो मीटर का उपयोग विभिन्न औद्योगिक क्षेत्रों में गैसों के प्रवाह को मापने हेतु किया जा रहा है। इनमें प्राकृतिक गैस का प्रवाह मापना, गैसोलीन का प्रवाह मापना, वायु का प्रवाह मापना, टॉर्च गैस का प्रवाह मापना, हाइड्रोजन का प्रवाह मापना, ऑक्सीजन का प्रवाह मापना, ऑटोमोबाइल उद्योग में वाहनों से निकलने वाली गैसों का मापन, CEMS, स्वास्थ्य एवं चिकित्सा क्षेत्र में ऑक्सीजन एवं अन्य दवाओं के प्रवाह का मापन, ऊर्जा उद्योग में दहन हेतु आवश्यक गैसों का मापन, हीटिंग एवं वेंटिलेशन प्रणालियों में गैसों का मापन, एवं सार्वजनिक क्षेत्रों में क्लोरीन, ओजोन आदि गैसों का मापन शामिल है। 1.3. गैस के द्रव्यमान-प्रवाह का मापन
प्रवाह-मापन उपकरणों संबंधी पिछले विश्लेषण से यह स्पष्ट है कि अधिकांश प्रवाह-मापक उपकरण, आयतन-प्रवाह को ही मापते हैं। औद्योगिक मापन में, माध्यम का तापमान, दबाव एवं संरचना लगातार बदलते रहते हैं; इसके कारण आयतनीय प्रवाह के मापन में अधिक त्रुटियाँ आ जाती हैं, और मापन का कोई अर्थ ही नहीं रह जाता। इन अनुप्रयोगों में, माध्यम के द्रव-प्रवाह-दर को मापना, उसके आयतन-प्रवाह-दर को मापने की तुलना में कहीं अधिक उपयोगी होता है। इन परिस्थितियों में औद्योगिक उत्पादन में सामग्रियों का अनुपात एवं गुणवत्ता नियंत्रण, सामग्रियों एवं ऊर्जा का संतुलन, तथा व्यापारिक लेन-देन आदि शामिल हैं। 20 साल से अधिक के अनुसंधान एवं प्रयोगों के बाद, लोगों ने ऐसे गुणवत्ता-प्रवाह मापक उपकरण विकसित कर लिए हैं, जिनका व्यावहारिक उपयोग संभव है। गुणवत्तापूर्ण द्रव-प्रवाह मापन हेतु आमतौर पर उपयोग की जाने वाली विधियों में अप्रत्यक्ष विधि एवं प्रत्यक्ष विधि 1.3.1. अप्रत्यक्ष विधि से द्रव्यमान प्रवाह का मापन
अप्रत्यक्ष विधि से द्रव्यमान प्रवाह का मापन, औद्योगिक क्षेत्र में पहले से ही उपयोग में आने वाली एक द्रव्यमान प्रवाह मापन विधि है। उन अनुप्रयोगों में, जहाँ मापन की सटीकता की आवश्यकता कम होती है, तापमान/दबाव में परिवर्तन की मात्रा कम होती है, या जहाँ माध्यम के तापमान एवं घनत्व के बीच रैखिक संबंध होता है, वहाँ अप्रत्यक्ष द्रव-प्रवाह मापन विधि का अधिक उपयोग किया जाता है। लेकिन, उन माध्यमों में, जहाँ तापमान, दबाव एवं घनत्व के बीच संबंध काफी जटिल होता है, स्वचालित एवं सटीक सुधार करना कठिन हो जाता है। साथ ही, इस मापन विधि में कई मध्यवर्ती पैरामीटरों का मापन भी शामिल है; मापन की प्रक्रिया बहुत जटिल हो जाती है, जिसके कारण द्रव-प्रवाह दर के मापन की सटीकता सुनिश्चित एवं बेहतर बनाना कठिन हो जाता है। 1.3.2. प्रत्यक्ष विधि से द्रव्यमान-प्रवाह मापन
प्रत्यक्ष विधि से द्रव्यमान-प्रवाह मापन की तकनीकों के विकास के कारण, आज कई प्रकार के द्रव्यमान-प्रवाह मापक उपकरण उपलब्ध हैं। इनमें से, कुछ गुणवत्ता-प्रवाह-मापक उपकरण, आयतन-प्रवाह-मापक उपकरणों के आधार पर ही विकसित किए गए हैं। उदाहरण के लिए, पोर-प्लेट एवं निश्चित प्रवाह-दर वाले पंप के संयोजन से बना डिफरेंशियल-प्रेशर आधारित द्रव-प्रवाह मापक; दो टर्बाइनों के संयोजन से बना डबल-टर्बाइन आधारित द्रव-प्रवाह मापक आदि। संरचनात्मक कारणों के चलते, इन फ्लोमीटरों का व्यापक रूप से उपयोग करना कठिन है। वर्तमान में, व्यावहारिक उपयोगों में तरल अवस्था वाले या तरल-प्रधान मिश्रित द्रवों के द्रव-प्रवाह-दर को मापने हेतु मुख्य रूप से कोरियोलिस द्रव-प्रवाह-मापकों का ही उपयोग किया जाता है; जबकि गैसों के द्रव-प्रवाह-दर को मापने हेतु आमतौर पर थर्मल गैस-प्रवाह-मापकों का ही उपयोग किया जाता है। वर्तमान में, कोरियोलिस द्रव-प्रवाह मापक उपकरणों में कुछ समस्याएँ एवं कमियाँ हैं; इनका उपयोग मुख्य रूप से एकल-चरणीय तरल पदार्थों के मापन हेतु किया जाता है। कुछ अध्ययनों से पता चला है कि इसका उपयोग घनत्व वाली वायुमंडलीय गैसों के प्रवाह मापन हेतु किया जा सकता है; लेकिन अभी तक इन अध्ययनों के परिणाम व्यावहारिक उद्देश्यों हेतु पर्याप्त नहीं हैं। थर्मल गैस मास फ्लो मीटर की उत्पत्ति “हीट वेव एन्वायरनमेंटल स्पीड मीटर” से हुई है। जैसे-जैसे थर्मल मापन तकनीकों के फायदों को समझा गया, थर्मल गैस फ्लो मीटरों में तेजी से विकास हुआ। थर्मल गैस फ्लो मीटर, ऊर्जा-संतुलन प्रकार एवं संवहन प्रकार, इन दो प्रकारों में विभाजित होते हैं। ऊर्जा-संतुलन आधारित थर्मल फ्लो मीटर को “थर्मल डिस्ट्रिब्यूटेड फ्लो मीटर” या “थर्मोमेट्रिक फ्लो मीटर” भी कहा जाता है। प्रवाह-आधारित फ्लो मीटर, ऊष्मा-निर्वहन (शीतलन) प्रभाव से संबंधित किंग के नियम पर आधारित होते हैं; इन्हें “इनवेसिव फ्लो मीटर” या “इनसर्टेड फ्लो मीटर” भी कहा जाता है। ऊर्जा-संतुलन आधारित थर्मल फ्लो मीटर का उपयोग कम प्रवाह दरों को मापने हेतु अधिक किया जाता है; जबकि उच्च प्रवाह दरों को मापने हेतु आमतौर पर कंवेक्शन आधारित थर्मल गैस फ्लो मीटर का उपयोग किया जाता है। कन्वेक्टिव थर्मल फ्लो मीटर को दो प्रकारों में विभाजित किया जाता है – ऊर्जा-स्थिर प्रकार (स्थिर प्रवाह) एवं तापमान-स्थिर प्रकार (स्थिर तापमान)। तापमान-स्थिर थर्मल गैस फ्लो मीटरों में, ऊर्जा-स्थिर प्रकार की तुलना में डेटा प्राप्त करने की गति अधिक होती है; इसलिए यही वर्तमान में थर्मल गैस फ्लो मीटरों का मुख्य विकास दिशा है। पारंपरिक थर्मल गैस मास फ्लो मीटरों में, मापे जाने वाली गैस का घटक एकल होना आवश्यक है; साथ ही, प्रक्रिया संबंधी शर्तें भी काफी कठोर होती हैं। लेकिन अमेरिका की SIERRA जैसी अंतरराष्ट्रीय स्तर पर प्रसिद्ध थर्मल गैस मापन उपकरण निर्माता कंपनियों द्वारा विकसित थर्मल गैस मापन उपकरण, इस क्षेत्र में अग्रणी तकनीकों का उपयोग करते हैं; इनका उपयोग ऐसी परिस्थितियों में भी किया जा सकता है, जहाँ गैस में कई घटक मिश्रित होते हैं। इसके अलावा, इस उत्पाद की उपयोग अवधि 10 साल तक हो सकती है, एवं इसका प्रदर्शन भी बेहतरीन बना रहता है। 1.4. मिश्रित गैसों के प्रवाह दर को मापने हेतु विधियों की व्यवहार्यता का विश्लेषण: पिछले विश्लेषण से पता चलता है कि अल्ट्रासोनिक फ्लोमीटर एवं थर्मल फ्लोमीटर, मिश्रित गैसों के प्रवाह दर को मापने हेतु उपयुक्त हैं। लेकिन अल्ट्रासोनिक फ्लोमीटरों की कीमत बहुत अधिक है; इसलिए इनका व्यापक रूप से उपयोग करना कठिन है। थर्मल गैस फ्लो मीटर की कीमत उचित है, इसका उपयोग आसान है, एवं मिश्रित गैसों के मापन में यह कुछ विशेष लाभ प्रदान करता है। इसलिए, थर्मल गैस फ्लो मीटर संबंधी अनुसंधान के लिए अच्छे अवसर हैं। थर्मल गैस फ्लो मीटर के सेंसर का, गैस के संपर्क में आने वाला हिस्सा, विभिन्न प्रकार की धातुओं या मिश्र धातुओं से बना होता है; यह जंग-प्रतिरोधी होता है, उच्च तापमान को सहन कर सकता है, एवं इसकी सतह को आसानी से साफ किया जा सकता है। इसे आमतौर पर बॉल वाल्व वाले इनसर्टेबल डिज़ाइन में बनाया जाता है; इसकी वजह से गैस को रोके बिना ही प्रोब को अंदर डालना, वापस निकालना एवं उसे साफ करना संभव हो जाता है। इससे मिश्रित गैसों के कारण होने वाली गंदगी के प्रभाव दूर हो जाते हैं। थर्मल गैस फ्लो मीटर, गैस के द्रव्यमान-प्रवाह को सीधे ही मापता है; इससे गैस के तापमान एवं दबाव में होने वाले परिवर्तनों का प्रभाव काफी हद तक कम हो जाता है। थर्मल गैस फ्लो मीटर में तरल पदार्थ के प्रवाह में बहुत कम प्रतिरोध होता है; लगभग कोई दबाव-हानि ही नहीं होती। थर्मल फ्लो मीटर की मापन सीमा बहुत व्यापक है; इसलिए यह ऐसी परिस्थितियों के लिए उपयुक्त है, जहाँ मिश्रित गैसों के प्रवाह में बड़े परिवर्तन होते हैं।