کاربردها و انتخاب جریان‌سنج جرم گازی حرارتی

Thread Content

آخرین بار، این پست توسط *aojiaoya0546 در تاریخ ۲۸-۶-۲۰۱۶ ساعت ۱۹:۳۱ ویرایش شد. جریان‌سنج‌های جرمی گازی، به دلیل ویژگی‌های برتر منحصربه‌فرد خود، مورد توجه و استفاده کاربران بیشتری قرار گرفته‌اند و اکنون در بسیاری از موارد اندازه‌گیری جریان گازها مورد استفاده قرار می‌گیرند. اما در این کاربردها نیز مشکلات و سوءتفاهمات زیادی وجود دارد؛ تبلیغات غیرمسئولانه توسط بسیاری از تولیدکنندگان و نقص‌های کیفی محصولات، باعث ایجاد موانع و مشکلاتی در استفاده از این محصولات شده است. این امر منجر به سوءتفاهمات زیادی در میان کاربران درباره جریان‌سنج‌های گازی حرارتی شده است؛ برخی به طور خام‌اندیشانه فکر می‌کنند که این جریان‌سنج‌ها می‌توانند جریان گاز را در تمام شرایط مختلف اندازه‌گیری کنند، در حالی که برخی دیگر از آن‌ها اجتناب می‌کنند یا مخالف آن‌ها هستند. در چند سال گذشته، من به ترویج و معرفی سنسورهای جریان گاز نوع حرارتی پرداخته‌ام؛ با برندهای مختلفی از داخل و خارج کشور در زمینه سنسورهای جریان آشنا شده‌ام. همچنین در فرآیند ترویج این محصولات، با مشکلات متعددی در زمینه کاربرد آن‌ها روبرو شدم و تجربیات زیادی کسب کردم. با تجمیع این تجربیات، به برخی درک‌های شخصی رسیدم که مایلم آن‌ها را با دوستانم در میان بگذارم. ۱. پیشینه تاریخی جریان‌سنج جرمی حرارتی: در دهه شصت قرن گذشته، در ایالات متحده دو دانشمند مشهور به نام‌های دکتر جان اولین و دکتر جری کوز وجود داشتند. هر دو از دانشگاه استنفورد فارغ‌التحصیل شدند و در شرکت TSI در ایالت مینه‌سوتا مشغول به کار شدند. از سال ۱۹۶۸ تا اوایل دهه ۷۰، هر دو در بخش توسعه شرکت TSI کار کردند و عمدتاً روی سنج‌های سرعت باد در زمینه HAVC تحقیق می‌کردند. بعداً، آن‌ها شرکت TSI را ترک کردند و شروع به تحقیق درباره سنج‌های جریان جرم گازی نوع حرارتی خود کردند؛ زیرا می‌دانستند که سنج‌های سرعت باد نوع سیم حرارتی برای استفاده در محیط‌های صنعتی مناسب نیستند. محصولات اولیه، سرعت‌سنج‌های باد و حسگرهای سرعت باد، همچنین دستگاه‌های نمونه‌برداری از هوا بودند؛ این‌ها پایه محصولات اولیه شرکت Sierra Instruments بودند. شرکت سیرا اینسترومنتس در سال ۱۹۷۳ در ایالت مینه‌سوتا تأسیس شد. در سال ۱۹۷۵، شرکت Sierra Instruments از ایالت مینه‌سوتا به کالیفرنیا نقل مکان کرد. پس از چند سال همکاری، در سال ۱۹۷۷ آن دو از هم جدا شدند؛ دکتر جان اولین شرکت Sierra Instruments و محصولات مربوط به نمونه‌برداری از هوا را نگه داشت، در حالی که دکتر جری کورتز شرکت Kurz Instrument را تأسیس کرد و محصولات مربوط به سنج‌های سرعت باد و حسگرهای سرعت باد متعلق به شرکت قبلی را در اختیار گرفت. شرکت سیرا، ابزارهای اندازه‌گیری جریان حرارتی برای هوا و گاز را توسعه داده است، که شامل کاربرد در گازهای چندجزئی نیز می‌شود. ساعت‌های حرارتی سیرا نیز در زمینه‌های صنعتی به وفور مورد استفاده قرار می‌گیرند، از جمله صنعت داروسازی، فناوری زیستی، صنایع پتروشیمی و فولادسازی ； همچنین در اندازه‌گیری جریان گاز در حال سوختن، اندازه‌گیری مقدار گاز طبیعی و نظارت بر گازهای خروجی از دودکش‌ها کاربرد دارد. سیرا تنها شرکتی است که کل حوزه اندازه‌گیری جریان گاز را پوشش می‌دهد، از ۰٫۱ میلی‌لیتر در دقیقه تا جریان‌های با سرعت بالا به اندازه چند صد متر بر ثانیه. پس از کالیبراسیون دقیق هر دستگاه به صورت جداگانه، از کارخانه خارج می‌شود. برجسته‌ترین کاربرد دستگاه Kurz، در نیروگاه‌ها است. شرکت کورتز مجموعه‌ای از شمارنده‌های جریان حرارتی تک‌نقطه‌ای و چندنقطه‌ای قابل نصب را برای اندازه‌گیری و نظارت بر گازهای زباله‌ای و گازهای احتراقی توسعه داده است. ساعت‌های کورتز همچنین در صنایع تصفیه، سیمان، کاغذسازی و سایر صنایع فرآوری مورد استفاده قرار می‌گیرند. در همان دوره‌ای که سیرا و کورتز ظهور کردند، شرکت مشهور دیگری در آمریکا به نام FCI نیز وجود داشت. شرکت FCI در سال ۱۹۶۴ تأسیس شد و در ابتدا در کالیفرنیا کلیدهای حرارتی برای سنجش اینکه آیا نفت منتقل‌شده در میدان‌های نفتی در حال جریان است یا ساکن، تولید می‌کرد؛ این دستگاه‌ها برای اندازه‌گیری دبی نفت استفاده نمی‌شدند. تا سال ۱۹۸۱ بود که اولین دستگاه اندازه‌گیری دبی واقعی معرفی شد ； در آن سال، FCI شروع به نصب تعداد زیادی از قطعات الکترونیکی بر روی دستگاه‌های اندازه‌گیری کرد؛ این امر باعث شد تا اولین دستگاه اندازه‌گیری جریان گاز به روش حرارتی ساخته شود. بعدها، برخی از کارمندان شرکت‌های سیرا، کورتز و FCI، شرکت‌های دیگری برای تولید و توسعه جریان‌سنج‌های جرمی گازی نوع حرارتی تأسیس کردند و به تدریج تأثیر خود را به سایر مناطق جهان گسترش دادند. ۲. اصول و ساختار جریان‌سنج جرم گازی حرارتی
جریان‌سنج جرم گازی حرارتی از اصل انتشار حرارتی استفاده می‌کند؛ تکنولوژی انتشار حرارتی، تکنولوژی‌ای با عملکرد خوب و قابلیت اطمینان بالا در شرایط دشوار است. اجزای حسگری معمول آن شامل دو مقاومت حرارتی (سیم‌های مقاومتی از جنس پلاتین) هستند؛ یکی از آن‌ها حسگر سرعت و دیگری حسگر اندازه‌گیری دمای لوله است. هنگامی که این دو حسگر در محیط گازی قرار می‌گیرند، حسگر دما دمای گاز موجود در لوله را اندازه‌گیری می‌کند؛ در حالی که در حسگر سرعت، یک سیم الکتریکی وجود دارد که باعث گرم شدن آن تا دمایی بالاتر از دمای اندازه‌گیری‌شده توسط حسگر دما می‌شود (که همان دمای گاز در لوله است)، و این دما در حالت ثابت نگه داشته می‌شود. جریان هوا گرمای روی حسگر سرعت را می‌برد و باعث کاهش تفاوت دما می‌شود. برای حفظ ثابت ماندن تفاوت دما، نیاز به توان الکتریکی اضافی برای جبران گرمای تولید شده وجود دارد؛ مقدار این توان الکتریکی جبرانی، متناسب با جریان جرمی گاز است. سنسورهای جریان حرارتی که در لوله‌های صنعتی استفاده می‌شوند، دارای سوندهای سرعت و دما هستند که هر کدام از مقاومت‌های پلاتینی تشکیل شده‌اند. این سنسورها دارای پوشش محافظ محکمی هستند؛ سیم پلاتینی نیز مستقیماً با مایع در تماس نیست، به همین دلیل کاربرد گسترده‌ای دارند. پوشش محافظ این سنسورها عموماً از جنس ماده ۳۱۶L ساخته می‌شود؛ برای محیط‌های حاوی گازهای خورنده نیز از آلیاژهای هاردی یا ماده تانتال استفاده می‌شود. در ادامه، اصل اندازه‌گیری در دستگاه‌های حرارتی را با استفاده از فرمول‌ها به طور مشخص توضیح خواهیم داد و همچنین مشخص خواهیم کرد که چرا دستگاه‌های جریان‌سنج حرارتی، جریان‌سنج‌های جرمی هستند. فرمول: H = M × Cp × ΔT؛ با اندازه‌گیری مقدار گرما H و در عین حال ثابت نگه داشتن تفاوت دما ΔT، برای گازهایی که ظرفیت گرمایی ثابتی دارند، می‌توان جریان جرمی گاز را مستقیماً محاسبه کرد. اکنون از سطح میکروسکوپی بررسی کنیم که چرا اندازه‌گیری جریان جرم گاز ضروری است؛ مولکول‌های گاز با دیواره گرم شده در تماس قرار گرفته و از طریق انتقال حرارت، گرمای سنسور را با خود می‌برند. از آنجایی که توانایی مولکول‌های گازهای مختلف در برداشتن گرما متفاوت است، با دانستن توانایی رسانایی حرارتی مولکول‌های گاز (یعنی مقدار Cp)، می‌توان با اندازه‌گیری توان الکتریکی مصرفی، تعداد مولکول‌های گاز عبوری را مستقیماً به دست آورد. تعداد مولکول‌ها همانند تعداد جرم، نشان‌دهنده جریان جرم گاز خواهد بود. برای حل مشکلات مربوط به عمر فیلامنت الکتریکی و مقاومت آن در برابر خوردگی، یک لوله فولاد ضدزنگ دور فیلامنت پلاتینی قرار داده می‌شود؛ این کار باعث **گسترش حوزه کاربردهای روش حرارتی می‌شود، اما این فرآیند بسیار دشوار است.** سیم حرارتی پلاتینیوم رسانای الکتریسیته است و غلاف فولاد ضدزنگ نیز رسانای الکتریسیته می‌باشد؛ بنابراین ماده پرکننده فضای بین آن‌ها باید دارای خواص رسانایی حرارتی بسیار خوبی باشد، اما در عین حال رسانای الکتریسیته نباشد. این موضوع منجر به مطرح شدن ماده پرکننده و فرآیند بسته‌بندی سوند گرمایشی، که هسته تمام جریان‌سنج‌های حرارتی محسوب می‌شود، شده است. با نگاهی به تمام تولیدکنندگان مترهای جریان حرارتی در جهان، برندهایی که واقعاً این مشکل را حل کنند، بسیار کم هستند. تولیدکنندگان داخلی از مواد آلی مانند رزین اپوکسی، سیمان سفالی، ژل‌های مقاوم در برابر حرارت، پودر آلومینیوم اکسید و پودر منیزیم اکسید استفاده می‌کنند. استفاده از چنین موادی باعث بروز برخی نقص‌ها در سنسورها می‌شود؛ به عنوان مثال، مقاومت حرارتی سطح سنسور با گذشت زمان افزایش می‌یابد که منجر به کاهش منحنی خروجی و در نتیجه کاهش حساسیت سنسور می‌شود و در نهایت بر دقت آن تأثیر می‌گذارد. استفاده از این مواد منجر به کاهش عمر سنسور و افزایش نرخ خرابی آن می‌شود. در کشور ما نیز تعداد زیادی تولیدکننده وجود دارد که محصولات بسیاری از برندهای خارجی را تجزیه و تحلیل کرده‌اند و فعالیت‌های زیادی در زمینه تحقیق و توسعه انجام داده‌اند؛ اما به دلیل کمبود سرمایه علمی، نیروی انسانی متخصص و منابع مالی، هنوز نتوانسته‌اند مشکلات را به طور مؤثر حل کنند. این امر باعث شده است که کیفیت محصولات ما با سطح پیشرفته کشورهای خارجی فاصله زیادی داشته باشد و استفاده از این محصولات محدود شود. دکتر جان اولین از شرکت آمریکایی SIERRA، با رهبری تیم خود و پس از دهه‌ها تلاش دقیق و پیگیری بی‌وقفه، سرانجام در سال ۱۹۹۹ موفق شد فناوری انقلابی و با حق اختراع برای اندازه‌گیری سرعت جریان جرم گازها را — یعنی «سنسور خشک» بدون انحراف — بهبود بخشد. فناوری پتنت‌شده سنسور خشک، از مواد غیرآلی با ویژگی‌های عایق‌بندی منحصربه‌فرد در مقیاس نانو استفاده می‌کند؛ سپس از طریق فرآیند فرم‌دهی تحت فشار بالا، این مواد پرکننده در مقیاس نانو به حالتی فشرده‌تر درمی‌آیند که از بروز هرگونه انحراف در عملکرد سنسور در طول ده سال جلوگیری شود. در مورد جریان‌سنج‌های جرمی گازی حرارتی، اگرچه اصول اندازه‌گیری بسیار پیشرفته‌ای وجود دارد و تولیدکنندگان نیز روش‌های علمی و استانداردی برای کنترل کیفیت دارند، اما برای رسیدن به شاخص‌های فنی عالی، نیاز به تکنیک‌های دقیق و علمی برای کالیبراسیون جریان واقعی نیز وجود دارد. ما اصل حرارتی را می‌دانیم؛ جرم سیال با توان الکتریکی مورد استفاده برای گرم کردن، در رابطه متناسبی قرار دارد و همچنین ارتباط مهمی با ظرفیت گرمایی نسبی محیط سیالی که قرار است اندازه‌گیری شود، دارد. ظرفیت گرمایی هر محیط گازی در دماهای مختلف مقادیر متفاوتی دارد و این تفاوت در برخی از محیط‌های گازی حتی بیشتر نیز است. اگر برای به دست آوردن یک متر جریان با عملکرد بالا، تنها به استانداردسازی با هوای فشار معمولی و سپس اعمال اصلاحات تکیه شود، این روش علمی نیست. علاوه بر این، واقعیت این است که دستگاه‌های اندازه‌گیری جریان که فاقد تنظیمات دقیق هستند، در اندازه‌گیری محیط‌های غیرهوایی، خطاهای زیادی دارند. در این زمینه، هیچ شرکت داخلی‌ای فناوری تنظیم جریان واقعی ندارد و همگی از روش تنظیم با هوای کم‌فشار در حلقه باز استفاده می‌کنند. بنابراین، هنگام استفاده در محیط‌های غیرهوایی و در صورتی که نیاز به دقت بالایی وجود دارد، تا حد امکان از محصولات استانداردشده بر اساس هوا استفاده نکنید. سه. کاربردها و انتخاب مناسب: ویژگی‌های کاربردی سنجش جریان جرمی گازی حرارتی:
الف. نسبت دامنه اندازه‌گیری بسیار گسترده: سنجش جریان جرمی گازی حرارتی دارای مزیتی برتر نسبت به سایر سنج‌های جریان است؛ یعنی دامنه اندازه‌گیری بسیار گسترده‌ای دارد که امکان اندازه‌گیری سرعت جریان را از مقادیر پایین ۰.۰۵ Nm/s تا مقادیر بالای ۱۰۰ Nm/s فراهم می‌کند (برخی از برندها حتی می‌توانند سرعت جریان را بالاتر از ۲۰۰ Nm/s نیز اندازه‌گیری کنند). ب. سنجش‌کننده واقعی جریان جرم: سنجش‌کننده جریان جرم گازی نوع حرارتی، برخلاف سایر سنجش‌کننده‌های جریان گاز، نیازی به اصلاحات مربوط به فشار و دما ندارد؛ بلکه به طور مستقیم جریان جرم گاز را اندازه‌گیری می‌کند. این دستگاه، یک سنجش‌کننده واقعی جریان جرم به صورت مستقیم است. ج. فاقد دستگاه جبران فشار: سنج‌های جریان گازی حرارتی، هنگام اندازه‌گیری جریان گاز، برخلاف سایر سنج‌های جریان، نیازی به تجهیزات اندازه‌گیری فشار و دما ندارند. **پیکربندی تجهیزات محلی ساده‌تر شده و فراوانی خرابی‌ها و تعمیرات کاهش یافته است. د. اتلاف فشار کم: جریان‌سنج جرمی گازی نوع حرارتی، به دلیل طراحی ویژه سنسورهایش، **اتلاف فشار ناشی از سنسورهای مربوط به جریان سیال را کاهش می‌دهد و برای لوله‌هایی با هر شکلی که مساحت مقطع آن‌ها مشخص باشد، مناسب است.** هـ. نصب آسان: میزان کار لازم برای نصب جریان‌سنج جرم گازی حرارتی بسیار کم است؛ به دلیل ساختار درون‌فرو رفتنی، امکان نصب و تعمیر آن در حین کار وجود دارد، که **هزینه‌های نصب و تعمیر را کاهش می‌دهد. و. روش‌های اندازه‌گیری متنوع: جریان‌سنج جرم گازی نوع حرارتی می‌تواند بسته به شرایط عملیاتی والدین و الزامات اندازه‌گیری، راه‌حل‌هایی مانند اندازه‌گیری در یک نقطه یا چند نقطه ارائه دهد. اندازه‌گیری نقطه‌ای به معنای استفاده مستقیم از یک شمارنده جریان برای اندازه‌گیری جریان واقعی گاز در لوله است. اندازه‌گیری چندنقطه‌ای عمدتاً برای اندازه‌گیری دبی لوله‌های بزرگ استفاده می‌شود؛ در این روش، سیگنال‌های مربوط به چندین دستگاه اندازه‌گیری دبی که در مقطع لوله قرار دارند، به کنترل‌کننده دبی وصل شده و با پردازش آن‌ها، مقدار دقیقی از دبی به دست می‌آید. این روش، کاربرد بسیار خوبی برای اندازه‌گیری سیالات با قطر بزرگ است؛ زیرا باعث تغییرات فنی در شرکت‌ها و محدودیت‌های مربوط به فرآیندها می‌شود و در نتیجه باعث عدم پایداری جریان سیال می‌گردد. بر اساس تحقیقات فراوان در طول سال‌ها، مشخص شده است که جریان‌سنج‌های گازی نوع حرارتی دارای ویژگی‌های خروجی خوبی هستند؛ به‌ویژه در مقادیر جریان کم، حساسیت بسیار بالایی دارند. محدوده اندازه‌گیری جریان نیز ۱۰۰:۱ یا حتی بیشتر است. در زمینه اندازه‌گیری جریان گاز، کاربردهای ویژه‌ای وجود دارد، اما مسائل بسیاری نیز هنوز حل نشده‌اند. مشکل مصرف انرژی پایین: از آنجایی که سنسورهای حرارتی نیاز به جریان الکتریکی برای گرم شدن دارند، کارکرد با مصرف انرژی پایین و با استفاده از باتری، دشوار است. مسئله تأثیر رطوبت و اصلاح آن، به دلیل دشواری‌های موجود در کنترل و اندازه‌گیری محیط رطوبتی، هنوز روش مؤثری برای داده‌های آزمایشی مربوط به تأثیر رطوبت بر جریان‌سنج‌های حرارتی و روش‌های اصلاح آن وجود ندارد. مشکل تأثیر گرد و غبار این است که اگر سنسورهای حرارتی برای مدت طولانی در محیط‌هایی با جریان هوای حاوی گرد و غبار کار کنند (به‌ویژه گرد و غبار مرطوب؛ چرا که گرد و غبار خشک به سختی روی سنسور می‌چسبد)، سطح سنسور آلوده خواهد شد و عملکرد تخلیه حرارت آن نیز تغییر خواهد کرد؛ در نتیجه ویژگی‌های خروجی دستگاه اندازه‌گیری جریان نیز تغییر می‌کند. اما میزان دقیق این تأثیرات در حال حاضر قابل توصیف با داده‌ها نیست. نکته دیگر این است که نمی‌توان از آن در موقعیت‌هایی با تغییرات مختلف در محیط‌ها استفاده کرد؛ در شرایطی که چندین محیط با یکدیگر مخلوط می‌شوند، اگر نسبت مواد مختلف ثابت بماند، همچنان می‌توان با استفاده از ضرایب تصحیحی، الزامات را برآورده کرد. علاوه بر این، اگر تغییرات دمای شرایط محیطی بسیار زیاد باشد، مثلاً تغییراتی بالاتر از ۱۰۰ درجه، استفاده از جریان‌سنج گازی حرارتی منجر به کاهش دقت می‌شود؛ بنابراین باید با احتیاط در انتخاب آن تصمیم گرفت. چگونه یک جریان‌سنج جرمی گازی حرارتی انتخاب کنیم؟ داده‌ها نشان می‌دهند که در میزان خطاهای رخ‌داده در دستگاه‌های اندازه‌گیری جریان، انتخاب نامناسب دستگاه اندازه‌گیری حدود ۷۰ درصد از این خطاها را تشکیل می‌دهد. مشخص است که انتخاب مناسب، چقدر بر اندازه‌گیری جریان اهمیت دارد. کاربران سنجش جریان جرم گازی نوع حرارتی باید به‌ویژه مراقب باشند که خودشان مدل خاصی از سنج جریان را انتخاب نکنند، مگر اینکه قصد تعویض سنج جریان فعلی را داشته باشند؛ بهتر است این کار را به فروشنده واگذار کنند، زیرا آن‌ها متخصص هستند. شما فقط باید داده‌های تا حد امکان کامل مربوط به شرایط کاری و چند الزام فنی را ارائه دهید. به عنوان مثال، محدوده جریان (توصیه می‌شود از واحد مکعب بر ثانیه برای اندازه‌گیری جریان استفاده شود)، محیطی که در آن اندازه‌گیری انجام می‌شود، قطر لوله، جنس لوله، فشار کاری، دمای کاری، آیا نیاز به مقاومت در برابر انفجار وجود دارد یا خیر، دمای محیط کاری دستگاه اندازه‌گیری جریان، الزامات مربوط به منبع تغذیه سیگنال، درجه دقت، کاربرد آن در کدام فرآیند (کنترل فرآیند یا اندازه‌گیری تجاری)، میزان خشکی و پاکیزگی محیط اندازه‌گیری، و در صورت اندازه‌گیری جریان گازهای مخلوط، لازم است درصد هر یک از گازها نیز ارائه شود. در پایان یادآوری می‌کنیم: اگر در محل شرایط لازم وجود دارد، از سنجش جریان یکپارچه استفاده کنید. در صورتی که سیستم جداگانه باشد، از آنجایی که کابل‌های انتقال سیگنال بخشی از مدار اندازه‌گیری هستند و خود دارای مقاومت هستند، صرف‌نظر از اینکه چقدر عالی ساخته شده باشند، به دلیل مقاومت بسیار کم سنسورهای اندازه‌گیری، مقاومت این کابل‌ها قطعاً بر محاسبات و پردازش‌های مدار الکترونیکی تأثیر خواهد گذاشت؛ علاوه بر این، تحت تأثیر شرایط محیطی نیز، مقاومت این کابل‌ها ممکن است تغییر کند. اگر مجبور به انتخاب نوع جداگانه هستید، توصیه می‌شود فاصله بین این بخش‌های جداگانه هرچه کمتر باشد، بهتر است. مطالب بالا، برخی از تجربیات من در این چند سال است؛ امیدوارم بتواند به همگی کمک کند. اگر سؤالی برای مشورت وجود دارد، می‌توانید به صورت خصوصی درباره‌اش صحبت کنید.