مشکلات رایج در اندازه‌گیری جریان سیال و راهکارها

مهندسان فرآیند و کارشناسان ابزار دقیق به دقت فلومترها متکی هستند تا جریان سیالات را در فرایندهای صنعتی به‌درستی اندازه‌گیری کنند. با این حال، عوامل متعددی می‌توانند باعث ایجاد خطا در اندازه‌گیری جریان سیال شوند. در این مقاله، با توجه به پروژه های کنترل با ما و خطاهای رایجی که درپروژه‌ها اتفاق می افتند ابتدا انواع خطاهای رایج مانند رسوب‌گرفتگی، کاویتاسیون، نویز سیگنال و خطاهای نصب توضیح داده شده‌اند. سپس خطاهای متداول در هر یک از انواع فلومترها الکترومغناطیسی، آلتراسونیک، جرمی کوریولیس، ورتکس، توربینی بررسی می‌گردند.

انواع خطاهای رایج در اندازه‌گیری جریان سیال

در این بخش چهار نوع خطای شایع در سنجش جریان سیال معرفی می‌شود. این خطاها عبارتند از رسوب‌گرفتگی و انسداد در مسیر جریان یا حسگر، کاویتاسیون (حفره‌زایی در سیال)، نویز و ناپایداری سیگنال اندازه‌گیری، و اشتباهات نصب تجهیز. هر یک از این موارد می‌تواند به عدم دقت یا خرابی اندازه‌گیری منجر شود و لازم است به‌طور مجزا ریشه‌یابی و برطرف گردد.

رسوب‌گرفتگی و گرفتگی حسگر

یکی از مشکلات بسیار رایج، رسوب‌گرفتگی یا تجمع ذرات و لایه‌ها روی قسمت‌های داخلی فلومتر یا لوله مرتبط است. منظور از رسوب‌گرفتگی تجمع موادی مانند رسوبات معدنی مانند کربنات کلسیم و منیزیم، لجن و ذرات معلق، زنگ‌آهن و محصولات خوردگی، یا حتی لایه‌های زیستی روی جدار داخلی سنسور یا لوله می‌باشد. وجود این رسوبات باعث تنگ‌شدن مقطع مؤثر جریان و ایجاد انسداد جزیی می‌شود و می‌تواند سرعت جریان را کاهش دهد یا الگوی جریان را تغییر دهد. علاوه بر این، رسوبات به‌تدریج سطح حسگرهای جریان مثلاً الکترودهای یک فلومتر مغناطیسی یا سطح ترانسدیوسر آلتراسونیک را می‌پوشانند و عملاً جلوی عملکرد صحیح آنها را می‌گیرند. به بیان دیگر، رسوب‌گرفتگی می‌تواند جریان مایع یا گاز را غلیظ‌تر و کندتر کند و در بلندمدت سطوح حسگر یا دهانه‌های برداشت سیگنال را بپوشاند. هرچه طراحی فلومتر تهاجمی‌تر در مسیر جریان دارای قطعاتی در تماس با سیال و دارای قطعات متحرک بیشتری باشد، ریسک رسوب‌گرفتگی آن بالاتر است. در مقابل، فلومترهایی که قطعات فلزی آنها در تماس با سیال هستند نیز در معرض خوردگی و تشکیل رسوبات حاصل از خوردگی قرار می‌گیرند. تحقیقات نشان داده که خوردگی و رسوب‌گرفتگی از عوامل عمده کاهش کارایی فلومتر در شرایط عملیاتی واقعی هستند و این مشکل مختص یک نوع خاص نیست، بلکه تمام انواع فلومترها را متاثر می‌کند.

رسوب‌ها بر حسب ماهیت فرآیند می‌توانند اشکال گوناگونی داشته باشند. برای مثال، در کاربردهای آب و فاضلاب رسوبات آهکی یا لجن و گل‌ولای ایجاد می‌شود، در صنایع نفت و حفاری ممکن است پارافین یا ذرات گل حفاری رسوب کنند، در سیستم‌های حاوی آب دریا رشد ارگانیک مانند خزه و میکروب لایه‌های لزج تشکیل می‌دهد، و در لوله‌های فلزی قدیمی پوسته‌های زنگ‌آهن جدا شده و ته‌نشین می‌شوند. هر یک از این موارد می‌تواند موجب کاهش دقت اندازه‌گیری و حتی از کار افتادن سنسور شود. به عنوان نمونه، در فلومترهای با قطعات مکانیکی مانند توربینی یا چرخ‌پره‌ای، رسوبات ممکن است حرکت قطعات را کند یا قفل کنند که نتیجه آن انحراف شدید یا صفر شدن قرائت است. حتی اگر رسوبات به صورت تکه‌ای جدا شوند، می‌توانند در مسیر جریان گیر کرده و سبب انسداد کامل یا آسیب به پره‌ها شوند. در فلومترهای اختلاف فشار (اوریفیس، ونتوری و غیره) نیز گرفتگی خطوط پرژ (Impulse lines) یا انباشته‌شدن رسوب در گلوگاه، افت فشار متفاوتی از شرایط کالیبره ایجاد کرده و دبی را اشتباه نشان می‌دهد.

در فلومترهای بدون قطعه متحرک مانند الکترومغناطیسی، شاید تصور شود که رسوب مشکلی ایجاد نمی‌کند، اما اگر لایه ضخیمی از رسوب عایق روی دیواره داخلی و به‌ویژه بر روی الکترودهای اندازه‌گیری بنشیند، سیگنال ولتاژ القایی به درستی حس نمی‌شود و دستگاه نیاز به سرویس پیدا خواهد کرد.

پس می توان گفت که، رسوب‌گیری موجب رانش تدریجی و کاهش دقت فلومتر می‌شود. نشانه‌های آن می‌تواند افت تدریجی جریان قرائت‌شده نسبت به مقدار واقعی یا نیاز به افزایش بیش از حد سیگنال خروجی برای حفظ همان دبی باشد. اگر رسوب به انسداد شدید منجر گردد، ممکن است خروجی فلومتر کاملاً ناپایدار یا صفر شود. راهکار اصلی در مواجهه با رسوب‌گرفتگی، تعمیر و نگهداری منظم است. باید دوره‌های تمیزکاری برای سنسورها و لوله‌های مرتبط تعریف شود مثلاً شستشوی دوره‌ای با اسید رقیق برای رسوبات کربناتی یا استفاده از حلال‌های شوینده برای چربی‌ها. ما در کنترل با ما توصیه می کنیم حسگرهای فلومتر اولتراسونیک در محیط‌های با ناخالصی زیاد، حداقل سالیانه یک بار تمیز شوند تا از ایجاد آلارم‌های خطا جلوگیری شود. همچنین می‌توان صافی‌ها و فیلترها را در خط جریان تعبیه کرد تا ذرات بزرگ و لجن قبل از رسیدن به فلومتر گرفته شوند. البته حتی با وجود صافی، مقداری از رسوبات بسیار ریز یا محلول ممکن است عبور کرده و در طول زمان تجمع کنند، لذا بازرسی و سرویس دوره‌ای هم ضروری است. یک راهکار مهندسی دیگر، انتخاب نوع فلومتر مناسب برای سیال خام است. برای سیالات ناخالص یا حاوی ذرات، بهتر است از فلومترهایی با طراحی ساده و بدون قطعه متحرک استفاده شود که مسیر عبور سیال در آنها بازتر باشد. به طور مثال، فلومترهای حرارتی یا التراسونیک تهاجم کمتری در خط ایجاد می‌کنند و خطر گرفتگی در آنها کمتر است، در حالی‌که فلومترهای توربینی یا چرخان در چنین شرایطی به سرعت دچار مشکل می‌شوند. حتی پوشش‌دهی سطح داخلی فلومتر مثلاً با تفلون یا مواد ضد رسوب می‌تواند رسوب گرفتن را به تاخیر بیندازد. در نهایت، باید توجه داشت که هیچ سیستم اندازه‌گیری در برابر رسوب مصون نیست و هر تجهیزی با گذشت زمان در محیط‌های صنعتی نیاز به کالیبراسیون و تمیزکاری مجدد خواهد داشت.

کاویتاسیون (حفره‌زایی در جریان)

کاویتاسیون به پدیده شکل‌گیری حباب‌های بخار در یک مایع به دلیل کاهش فشار موضعی و سپس فروپاشی انفجاری این حباب‌ها گفته می‌شود. این پدیده بیشتر در جریان‌های مایع مشاهده می‌شود و زمانی رخ می‌دهد که فشار سیال در یک نقطه از سیستم، از فشار بخار مایع پایین‌تر بیافتد. برای مثال در یک فلومتر ورتکس، در ناحیه پشت جسم شیار‌ساز سرعت جریان بالا می‌رود و مطابق معادله برنولی فشار ساکن کاهش می‌یابد. اگر این فشار به زیر فشار تبخیر مایع برسد، مایع شروع به جوشش موضعی کرده و حباب‌های بخار تشکیل می‌شوند. به همین دلیل این پدیده به حفره‌زایی نیز موسوم است، زیرا حباب‌های بخار مانند حفرات کوچکی در دل مایع ظاهر می‌شوند. به عنوان نمونه، در فلومتر ورتکس آب داغ، فشار در نزدیک گلوگاه جریان ممکن است آن‌قدر افت کند که آب که به نقطه جوش نزدیک است تبدیل به بخار شود.

مشکل اصلی زمانی به‌وجود می‌آید که این حباب‌های بخار دوباره در بخش‌های پایین‌دست، که فشار بازیابی می‌شود، می‌چسبند و با شدت می‌ترکند. هنگام خروج سیال از ناحیه کم‌فشار فلومتر و افزایش مجدد فشار، حباب‌های ایجادشده ناگهان میعان کرده و فرو می‌ریزند. این فروپاشی حباب‌ها موج‌های فشاری شدیدی ایجاد می‌کند که به صورت ریزجت‌های پرانرژی به دیواره‌ها و اجزای فلومتر برخورد می‌کنند. نتیجه این امر، ایجاد سروصدا (صدایی شبیه تق تق یا نوفه شدید)، ارتعاش شدید و وارد آمدن ضربات مخرب به قطعات داخلی است. آثار آن حتی می‌تواند با صدای کوبش آب اشتباه گرفته شود، در حالی که منشأ آن تشکیل و انفجار حباب‌های بخار است. کاویتاسیون به شدت به فلومتر آسیب می‌زند؛ برخورد مکرر ریزجت‌های حاصل از انفجار حباب‌ها، موجب خوردگی و حفره‌دار شدن سطوح فلومتر مثلاً پره‌های فلومتر توربینی یا لبه‌های تیز اوریفیس می‌شود و در مدت کوتاهی می‌تواند یک دستگاه را از بین ببرد. حتی اگر آسیب فیزیکی آنی روی ندهد، دقت اندازه‌گیری به شدت افت می‌کند زیرا جریان مایع دیگر حالت یکنواخت ندارد (آمیخته با بخار است) و حسگر ممکن است سیگنال صحیحی را دریافت نکند. برای مثال، در یک لوله آب داغ با فلومتر ورتکس، حضور کاویتاسیون باعث شد که فلومتر قرائت‌های بسیار ناپایداری نشان دهد و عملاً غیرقابل اعتماد شود؛ همچنین صدای شدید و لرزش در خط مشاهده گردید که ابتدا تصور شد ناشی از چکش آبی است.

برای جلوگیری از کاویتاسیون باید شرایط طراحی و نصب را به‌گونه‌ای تعیین کرد که فشار سیال در محل اندازه‌گیری، همواره بالاتر از فشار بخار آن باشد.

مهم‌ترین اقدامات پیشگیرانه عبارتند از:

1. حفظ فشار کافی در پایین‌دست فلومتر (ایجاد Back Pressure). به عنوان نمونه، دستورالعمل سازندگان ورتکس مترها این است که در خروجی دستگاه یک فشار حداقلی (معمولاً چند بار) برقرار باشد تا از تبخیر سیال جلوگیری شود.
2. در صورت امکان، انتقال محل اندازه‌گیری به نقطه‌ای با دمای کمتر یا فشار بالاتر. برای مثال، اگر فلومتر در خط خروجی پمپ آب داغ نصب شده و دچار کاویتاسیون می‌شود، بهتر است به ورودی پمپ یا نقطه سردتری منتقل شود.
3. انتخاب سایز بزرگ‌تر فلومتر برای همان خط. هرچه قطر فلومتر بزرگتر باشد، سرعت سیال در آن کمتر شده و افت فشار موضعی عبور سیال نیز کاهش می‌یابد؛ بنابراین احتمال رسیدن فشار به زیر فشار بخار کمتر می‌شود. البته بزرگ کردن سایز ممکن است دقت را در جریان‌های کم کاهش دهد، ولی راهکاری برای جلوگیری از کاویتاسیون است.
4. استفاده از فلومتر نوع دیگر که افت فشار کمتری ایجاد کند. به طور مثال، اگر یک فلومتر ورتکس در سیال نزدیک به نقطه جوش مشکل‌ساز شده، می‌توان از یک فلومتر مغناطیسی (در صورتی که سیال رسانا باشد) یا اولتراسونیک استفاده کرد که تقریباً افت فشار صفر دارند. یا در مواردی که چاره‌ای جز اندازه‌گیری در شرایط نزدیک نقطه جوش نیست، شاید ابزار ویژه‌ای با طراحی مقاوم به کاویتاسیون لازم باشد. برخی مراجع اشاره کرده‌اند که هیچ راه‌حل ارزان یا ساده‌ای برای مشکل کاویتاسیون وجود ندارد و در واقع اگر آب در حال اندازه‌گیری بیش از حد به نقطه جوش نزدیک است، مکان و شرایط نصب فلومتر اساساً اشتباه انتخاب شده است. در چنین شرایطی بهترین کار جابجایی فلومتر به یک نقطه مناسب‌تر (با فشار بالاتر یا دمای کمتر) یا تعویض با فلومتر بزرگ‌تر است.

بنابراین، کاویتاسیون یک خطای بسیار مخرب است که علاوه بر دادن قرائت اشتباه به علت وجود بخارات در سیال، می‌تواند به صدا و لرزش شدید و تخریب فلومتر منجر شود. به محض مشاهده نشانه‌های کاویتاسیون صدای غیرعادی شبیه تق‌تق یا خش‌خش در فلومتر، نوسان شدید در قرائت جریان و احتمالاً آسیب فیزیکی قابل مشاهده، باید اقداماتی نظیر افزایش فشار پایین‌دست مثلاً بستن نسبی یک شیر تخلیه، کاهش دمای سیال اگر ممکن است، یا تغییر نوع یا محل فلومتر انجام گیرد. در غیر این صورت، ادامه کاویتاسیون می‌تواند حتی به شکسته‌شدن قطعات داخلی و از کار افتادن کامل تجهیز منجر شود. در یک مطالعه موردی در کنترل با ما، پس از وقوع کاویتاسیون در فلومتر ورتکس نصب‌شده در خط بخار داغ، کارشناسان با افزایش سایز لوله و همچنین نصب فلومتر جدید در بالادست یک شیر فشارشکن که فشار بالاتری داشت توانستند مجدداً اندازه‌گیری دقیق را برقرار کنند. مثال‌های عملی از صنعت نشان می‌دهد که رعایت حاشیه ایمنی فشار برای جلوگیری از کاویتاسیون، شرط اساسی اطمینان از عملکرد درست فلومتر در مایعات نزدیک نقطه جوش است.

نویز سیگنال و ناپایداری

سومین دسته مشکلات رایج، مربوط به نویزها، تداخل‌ها و ناپایداری‌های سیگنال اندازه‌گیری است. در حالت ایدئال، خروجی فلومتر باید متناسب با دبی واقعی و به صورت پیوسته و پایدار تغییر کند. اما در عمل گاهی سیگنال دبی دچار نوسانات تصادفی، پیک‌های ناگهانی یا خوانش‌های غیرمعقول می‌شود که ناشی از نویز و اختلالات خارجی یا داخلی است و منطبق بر تغییرات واقعی جریان نیست. این نویزها می‌توانند منشأ الکتریکی-الکترونیکی یا مکانیکی-هیدرولیکی داشته باشند.

از منظر الکتریکی، هر فلومتری که سیگنال الکتریکی تولید می‌کند چه آنالوگ ۴-۲۰ mA چه پالس یا دیجیتال، ممکن است تحت تاثیر تداخلات الکترومغناطیسی محیط قرار گیرد. برای مثال قرار گرفتن کابل‌های سیگنال فلومتر در کنار کابل‌های قدرت یا فرکانس بالا می‌تواند نویز القایی ایجاد کند و سیگنال جریان را آلوده نماید. یک نمونه متداول، اثر اینورترها و درایوهای موتور (VFD) است که فرکانس‌های متغیری را در شبکه منتشر می‌کنند. اگر کابل ترانسمیتر جریان به خوبی شیلد و زمین نشده باشد، نویز EMI می‌تواند وارد حلقه سیگنال شده و قرائت جریان را دچار پرش یا نویز کند. همچنین هم‌بندی نامناسب زمین میان سنسور و سیستم کنترلی ممکن است باعث به‌وجود آمدن حلقه‌های زمین و جریان‌های ناخواسته در مدار اندازه‌گیری شود که خود را به صورت یک آفست یا نوسان در سیگنال نشان می‌دهد. از این رو توصیه می‌شود همواره کابل‌های سیگنال شیلددار و زوج سیم به‌هم‌تابیده برای فلومترها استفاده شود و شیلد کابل تنها در یک نقطه زمین شود تا جریان‌های سرگردان ایجاد نشود. طبق راهنمایی‌های عمومی، برای حداقل‌کردن نویز الکتریکی باید از کابل‌های حفاظ‌دار و زمین‌شده استفاده کرد و در صورت امکان تغذیه‌ی تجهیزات اندازه‌گیری را از تجهیزات قدرت ایزوله نمود.

از منظر مکانیکی-هیدرولیکی نیز عوامل مختلفی می‌توانند سیگنال خروجی فلومتر را ناپایدار کنند. یکی از این عوامل، ارتعاشات مکانیکی خطوط لوله یا تجهیزاتی است که به فلومتر متصل هستند. برای مثال، ارتعاشات ناشی از پمپ‌ها یا کمپرسورها می‌تواند به لوله منتقل شود و سنسور برخی فلومترها مثل ورتکس یا کوریولیس را تحت تاثیر قرار دهد. در فلومتر ورتکس، سنسور معمولاً یک قطعه پیزوالکتریک است که ارتعاشات گردابه‌های سیال را حس می‌کند؛ چنانچه لوله خود دچار لرزش باشد، این لرزش می‌تواند با فرکانس گردابه‌ها تداخل کرده و سیگنال کاذب ایجاد نماید. گزارش شده که تداخل ارتعاشی یا الکتریکی می‌تواند سیگنال ورتکس را شبیه‌سازی کند و فلومتر حتی در شرایط جریان صفر نیز عددی را نشان دهد یا تغییرات واقعی را ثبت نکند. همین مسئله درباره فلومتر کوریولیس صادق است؛ اگر دستگاه در نزدیکی ماشین‌آلات پر‌لرزش نصب شود، لرزش خارجی می‌تواند با فرکانس طبیعی ارتعاش تیوب‌های کوریولیس تداخل نموده و دقت را مختل کند. مورد دیگر، جریان‌های ناپایدار و ضربانی است. برخی پمپ‌ها مانند پمپ‌های رفت و برگشتی جریان را به صورت ضربانی (پالسی) می‌فرستند که این امر باعث نوسان لحظه‌ای در دبی می‌شود. اگر سیستم دمپر یا تضعیف‌کننده نوسان نداشته باشد، فلومتر عیناً این تغییرات را حس کرده و خروجی آن دائماً نوسان خواهد داشت. چنین نوسانی شاید بازتاب واقعیت باشد ولی اگر هدف اندازه‌گیری دبی متوسط است، نیاز است که نویز پالسی فیلتر شود. وجود حباب‌های هوا یا دو فازی شدن جریان نیز عامل دیگری برای ناپایداری سیگنال است. خصوصاً در فلومترهایی مثل مغناطیسی یا ورتکس که حضور فاز گاز در مایع می‌تواند سیگنال را دچار جامپ‌های لحظه‌ای کند برای مثال عبور حباب هوا از میان فلومتر مغناطیسی مثل یک وقفه در ستون مایع عمل کرده و ولتاژ القایی را مختل می‌کند، یا در فلومتر ورتکس حضور حباب موجب تغییر الگوی گردابه‌ها می‌شود. نشانه این وضعیت، پرش‌های ناگهانی در خواندن جریان یا افت و خیزهای پیاپی است.

برای رفع مشکلات نویز و اختلال سیگنال، ابتدا باید منشاء آن شناسایی شود. اگر شواهدی از نویز الکتریکی است مثلاً تداخل با روشن و خاموش شدن یک تجهیز برقی دیگر همزمان است، اقدامات مناسب شامل سیم‌کشی مجدد کابل‌ها به دور از منابع نویز، استفاده از فیلترها و ماژول‌های ایزولاتور سیگنال، بهبود ارتینگ سیستم و استفاده از منبع تغذیه ایزوله می‌باشد. طبق توصیه‌ها، نصب ماژول ایزوله‌کننده سیگنال در مسیر خروجی فلومتر می‌تواند نویزهای القایی را حذف کند و سیگنال تمیزتری ارائه دهد. همچنین کاهش حساسیت سنسور در صورت امکان تنظیم می‌تواند اثر نویز را کم کند، هرچند ممکن است برخی جریان‌های واقعی کوچک نیز از دست بروند. اگر مشکل از ارتعاشات مکانیکی است، راهکار می‌تواند ایزوله‌کردن مکانیکی فلومتر از خط باشد؛ برای مثال با استفاده از لرزه‌گیرها یا نصب فلومتر روی پایه‌هایی با ضربه‌گیر، می‌توان ارتعاش منتقل‌شده را کاهش داد. برخی شرکت‌ها توصیه می‌کنند در صورت وجود ارتعاشات قوی محیطی، فلومتر ورتکس روی لاین‌های فرعی با لرزش کمتر نصب گردد یا کلاً از فناوری دیگری استفاده شود که به ارتعاش حساس نباشد. برای نویز ناشی از جریان ضربانی، استفاده از یک دمپر هیدرولیکی مثلاً یک آکومولاتور یا مخزن ضربه‌گیر در بالادست فلومتر می‌تواند جریان را تلطیف کند. همچنین تنظیم فیلتر زمانی در ترانسمیتر فلومتر سودمند است. بسیاری از فلومترهای الکترونیکی امکان تنظیم زمان پاسخ‌دهی دارند و با افزایش آن، نوسانات سریع میانگین‌گیری شده و خروجی نرم‌تری ارائه می‌شود. در مجموع، پایدارسازی سیگنال فلومتر مستلزم توجه به هر دو بُعد الکتریکی و مکانیکی است. محافظت الکتریکی (شیلد، ارت، فیلتر) و ایزولاسیون ارتعاشی نصب صحیح و استفاده از وسایل کاهنده نوسان. در یک تجربه در کارخانه، سیگنال یک فلومتر ورتکس به دلیل نزدیکی به یک کمپرسور بزرگ دچار نوسان بود و حتی در حالت بسته بودن جریان نیز مقادیر غیرواقعی نشان می‌داد؛ با دور کردن مسیر کابل‌کشی از موتورهای قدرت و نصب یک کابل جدید شیلددار با ارت صحیح، نویز کاملاً برطرف شد و فلومتر تنها در هنگام جریان واقعی سیگنال می‌داد.

نکته مهم دیگر نویز ذاتی فرآیند است. گاهی نوسانات دیده‌شده واقعا وجود دارند مثلاً لرزش فشار یا دبی ناشی از جوشش سیال یا عملکرد یک شیر کنترل. در این حالت نمی‌توان این نوسان را حذف کرد اما می‌توان تاثیر آن را بر اندازه‌گیری کاهش داد مثلاً با متوسط‌گیری زمانی یا استفاده از روش‌های پردازش سیگنال پیشرفته. در فلومترهای مدرن، فیلترهای دیجیتالی تعبیه شده که نویزهای فرکانس بالا را حذف می‌کنند. همچنین روش تحلیل فرکانسی سیگنال می‌تواند به تمایز نویز از سیگنال اصلی کمک کند. اگرچه این موارد از بحث ما خارج است، ولی در سیستم‌های حساس می‌توان با کمک ابزارهای نرم‌افزاری، قرائت‌های نادرست را فیلتر کرد.

برخورد نظام‌مند با مشکل نویز شامل مراحل عیب‌یابی زیر است:

1. بررسی منبع احتمالی (برق یا مکانیک)
2. اعمال اصلاحات فیزیکی (سیم‌کشی، ارت، لرزه‌گیری)
3. تنظیم پارامترهای دستگاه (دمپینگ، فیلتر دیجیتال)
4. در صورت لزوم، تغییر محل نصب یا فناوری اندازه‌گیری به نوعی که کمتر تحت تاثیر آن نوع نویز خاص باشد.

خطاهای نصب و شرایط بهره‌برداری

بسیاری از مشکلات عملکرد فلومترها نه به طراحی خود دستگاه، بلکه به نحوه نصب و به‌کارگیری آن برمی‌گردد. حتی بهترین فلومتر اگر درست نصب نشود یا در شرایط نامناسب به کار گرفته شود، نتایج نادرستی خواهد داشت. خطاهای نصب شامل طیف وسیعی از موارد است. انتخاب نادرست نوع یا اندازه فلومتر برای کاربرد مورد نظر، رعایت نکردن جهت صحیح یا وضعیت مکانیکی مناسب در لوله، نادیده گرفتن فاصله‌های مستقیم لازم در بالادست و پایین‌دست، نصب در مکانی که لوله نیمه‌پر می‌شود یا حباب هوا جمع می‌کند، عدم تطبیق با شرایط فرآیند مانند دما، فشار، ویسکوزیته خارج از محدوده کالیبره و حتی خطاهای آشکاری مانند نصب وارونه دستگاه در جهت خلاف فلش جریان. هر یک از این اشتباهات می‌تواند باعث انحراف سیستماتیک یا تصادفی در اندازه‌گیری دبی شود.

یکی از اشتباهات متداول نصب، فشرده کردن تجهیزات در خط و ندادن فضای کافی به فلومتر است. وجود طول‌های کافی لوله مستقیم در بالادست و پایین‌دست دستگاه بسیار اهمیت دارد. پس از هر عنصری که باعث آشفتگی جریان می‌شود، نظیر زانویی ۹۰ درجه، شیر کنترل، پمپ، تغییر قطر لوله و … الگوی سرعت در مقطع لوله به‌هم می‌ریزد و نیاز به طولی از لوله مستقیم دارد تا جریان دوباره آرام و پروفیل سرعت متقارن شود. اگر فلومتر خیلی نزدیک به یک زانویی یا شیر نصب شود، جریان در آن مقطع توسعه نیافته و سنسور دبی ممکن است خطای قابل ملاحظه‌ای نشان دهد. به طور کلی، تولیدکنندگان برای هر نوع فلومتر، حداقل فاصله‌ی مستقیم بر حسب قطر لوله در ورودی و خروجی را پیشنهاد می‌کنند. برای نمونه، برای بیشتر فلومترهای الکترومغناطیسی توصیه رایج ۵ برابر قطر لوله در بالادست و ۳ برابر قطر در پایین‌دست است. هرچند مغناطیسی‌ها نسبت به برخی دیگر از کجی پروفیل سرعت کمتر حساسیت دارند، ولی آزمایش‌های مستقل نشان داده در صورتی که لوله‌ی مستقیم کمتر از ۳ قطر باشد، حتی مگ‌مترها هم دچار خطا می‌شوند. به طوری که خطای ناشی از شرایط لوله‌کشی می‌تواند بین ۰٫۱ تا ۱٫۵ درصد متغیر باشد که مقدار قابل توجهی است. در مورد فلومترهای ورتکس که به آشفتگی ورودی بسیار حساس هستند، معمولاً فاصله‌های طولانی‌تری مثلاً ۲۵D یا حتی ۴۰D در شرایط دشوار در بالادست نیاز است. فلومترهای توربینی نیز حتماً نیاز به صاف‌کننده جریان یا طول مستقیم زیاد دارند تا جریان چرخشی به وجود نیاید.

اشتباه رایج دیگر، نصب فلومتر در مکانی است که لوله پر از سیال نیست. این مورد به‌خصوص در فلومترهای مایع مهم است. برای مثال، نصب فلومتر مغناطیسی یا اولتراسونیک در نقطه بالایی یک لوله که به صورت U شکل است می‌تواند باعث تجمع هوا در آن نقطه و نیمه‌پر شدن مقطع لوله شود. در نتیجه فلومتر عملاً هوای بالای لوله را می‌بیند و دچار خطا می‌شود. یا نصب فلومتر در یک خط رو به پایین که به تخلیه اتمسفری می‌رسد، اگر فاقد پشت‌فشار باشد لوله را نیمه‌پر می‌کند. بسیاری از دستورالعمل‌ها تاکید می‌کنند که فلومترها در پایین‌ترین نقاط یا خطوط عمودی رو به بالا نصب شوند تا همیشه از مایع پر بمانند. برای فلومترهای اختلاف فشار نیز حتما باید شیرهای هواگیری پیش‌بینی شود تا حباب در ترانسمیتر تجمع نکند.

نکته بعدی، جهت و وضعیت نصب است. هر فلومتر جهت جریان مشخصی دارد که معمولاً با فلش روی بدنه نشان داده شده است. نصب برعکس فلومتر باعث می‌شود سنسورها به ترتیب معکوس در معرض جریان قرار گیرند و کالیبراسیون برعکس عمل کند، در نتیجه خوانش‌ها کاملاً نادرست خواهد شد. این خطا بعضاً در پروژه های مختلف رخ می‌دهد مثلا در یکی از پروژه‌های مشتریان اشتباه در جهت نصب یا ترتیب سنسور علت انحراف بود که با مشاوره با کنترل با ما برطرف شد. علاوه بر جهت، زاویه نصب نیز مهم است. برای مثال در فلومترهای مغناطیسی توصیه می‌شود در لوله‌های افقی، الکترودها در جهت افقی (ساعت ۳ و ۹) قرار گیرند تا تماس یکسانی با سیال داشته باشند و از جمع شدن حباب در بالای لوله یا رسوب در پایین آن بر روی الکترود جلوگیری شود. یا در فلومترهای توربینی، معمولاً نصب افقی ترجیح داده می‌شود تا اثر گرانش بر چرخش روتور حداقل باشد مگر موارد خاص.

مورد دیگر، انتخاب اشتباه نوع یا سایز فلومتر است که خود را به صورت خطا نشان می‌دهد. اگر فلومتر با تکنولوژی نامناسب برای یک سیال انتخاب شود، گویا همیشه خطا دارد. مثلاً استفاده از فلومتر مغناطیسی برای اندازه‌گیری یک مایع غیررسانا مثل روغن یا حلال‌ها از ابتدا اشتباه است، زیرا این دستگاه کلاً برای آن سیال کار نمی‌کند. یا استفاده از فلومتر جابه‌جایی مثبت کوچک برای سیالی که حاوی جامدات است، منجر به گیرکردن و خطا خواهد شد. همچنین سایز نامناسب موجب خطا در دو سر طیف اندازه‌گیری می‌شود:

• اگر فلومتر خیلی بزرگ باشد، در دبی‌های پایین قادر به تشخیص جریان نخواهد بود و سیگنال آن به صفر میل می‌کند چرا که سرعت درون فلومتر ناچیز است و شاید زیر آستانه حسگر قرار گیرد.
• اگر فلومتر خیلی کوچک باشد، در دبی‌های بالا از محدوده خود خارج شده و اشباع یا تخریب می‌شود. بنابراین باید سایز بهینه متناسب با محدوده عملیاتی انتخاب گردد تا رنج جریان در محدوده کالیبره باشد.

خطاهای نصب شامل موارد متفرقه دیگری نیز هستند. مانند عدم سفت‌بستن صحیح فلومتر در فلنج‌ها که می‌تواند لرزش و نشتی ایجاد کند یا اعمال تنش مکانیکی ناشی از لوله‌کشی بر بدنه فلومتر که در مورد کوریولیس باعث شیفت صفر می‌شود ویا عدم کالیبره‌کردن و تنظیم صفر پس از نصب و مواردی از این قبیل. حتی نصب فلومتر روی اتصالات نامناسب می‌تواند مشکل‌ساز شود مثلاً یک مورد از پروژه های مشتریان که نصب فلومتر مغناطیسی روی یک شلنگ انعطاف‌پذیر باعث عدم دقت شدید شده بود به آن‌ها توصیه شد که حتما فلومتر روی لوله صلب با حمایت و فاصله مستقیم کافی نصب شود.

برای جلوگیری از خطاهای نصب، پیروی دقیق از دستورالعمل سازنده حرف اول را می‌زند. هر تجهیزی راهنمای نصب مخصوص به خود دارد که الزاماتی مانند جهت، وضعیت، طول مستقیم، نیازمندی‌های پایپینگ و غیره را مشخص کرده است. هیچ‌گاه نباید برای صرفه‌جویی در فضا یا هزینه، این الزامات را نادیده گرفت، زیرا در نهایت هزینه خطا و اصلاح چندین برابر خواهد بود. اگر محدودیت فضا وجود دارد، می‌توان از صاف‌کننده‌های جریان استفاده کرد. این وسایل مانند صفحات مشبک یا پره‌های شعاعی در فاصله کوتاه‌تر، آشفتگی جریان را کاهش می‌دهند. به عنوان مثال، نصب پره‌های مستقیم‌کننده جریان به طول حدود ۲ تا ۳ برابر قطر لوله در بالادست فلومتر می‌تواند به کاهش فاصله مستقیم مورد نیاز کمک کند. همچنین برخی طراحی‌های جدید فلومتر مثل بعضی مدل‌های التراسونیک تا حدی نسبت به جریان‌های آشفته مقاومت نشان می‌دهند و با چندمسیره بودن، اثر پروفیل سرعت را خنثی می‌کنند. در هر حال، اگر شرایط نصب از حالت استاندارد خارج است مثلاً فلومتر باید نزدیک یک زانویی نصب شود، باید انتظار کاهش دقت را داشت و این موضوع را در محاسبات در نظر گرفت یا به فکر اصلاح طراحی بود. علاوه بر نصب، شرایط بهره‌برداری نیز مهم است. هر تغییر عمده در فرآیند (دما، فشار، ترکیب سیال) ممکن است به کالیبراسیون مجدد یا تنظیم فلومتر نیاز داشته باشد. برای مثال اگر فلومتر جرمی کوریولیس برای یک مایع تک‌فاز کالیبره شده ولی در عمل گاهاً حباب هوا وارد سیال می‌شود، باید از قابلیت‌های تنظیم Cutoff جریان کم یا جبران دو فازی آن استفاده کرد تا خطا کاهش یابد.

به طور خلاصه، نصب نادرست می‌تواند منجر به خطای ثابت یا متغیر در خروجی فلومتر شود و گاهی اپراتور ممکن است تصور کند دستگاه خراب است، در حالی که مشکل از شرایط نصب است. رعایت اصول پایه مانند لوله‌کشی صحیح، موقعیت‌یابی مناسب، سایزینگ دقیق، هواگیری و پر نگه‌داشتن لوله، و تنظیمات اولیه درست برای هر فلومتری حیاتی است. اگر همه این موارد لحاظ شوند، احتمال بروز خطا به حداقل رسیده و عملکرد دستگاه مطابق مشخصات کارخانه خواهد بود.

خطاهای متداول در فلومترهای مختلف

در این بخش، به تفکیک انواع رایج فلومتر، مشکلات و خطاهایی که بیشتر در هر کدام مشاهده می‌شود مرور می‌گردد. هر نوع فلومتر بر اساس اصل فیزیکی خاصی کار می‌کند و بنابراین مستعد بعضی خطاهای معین است. آشنایی با این موارد به ما کمک می‌کند هنگام انتخاب و بهره‌برداری از هر نوع دبی‌سنج، نکات بحرانی را در نظر داشته باشیم.

فلومترهای الکترومغناطیسی (Magnetic Flow Meters)

فلومترهای الکترومغناطیسی یا به اختصار مگ‌متر‌ها از قانون القای فاراده برای اندازه‌گیری سرعت و حجم سیال رسانا استفاده می‌کنند. این دستگاه‌ها هیچ قطعه متحرکی ندارند و افت فشار اضافه‌ای ایجاد نمی‌کنند. رایج‌ترین خطاها و چالش‌ها در فلومترهای مغناطیسی به شرح زیر است:

1-پر نبودن لوله

مگ‌مترها باید در لوله‌ای نصب شوند که کاملاً از مایع رسانا پر باشد. اگر لوله نیمه‌پر باشد مثلاً به علت حضور حباب هوا در بالای لوله یا تخلیه آزاد در پایین‌دست، قرائت شدیداً ناپایدار و غلط خواهد بود. بنابراین هرگز نباید مگ‌متر را در بالاترین نقطه یک مسیر که می‌تواند هوا جمع کند یا در خط عمودی رو به پایین بدون پشت‌فشار نصب کرد. بسیاری از مگ‌مترها دارای آلارم تشخیص لوله خالی هستند که در صورت چنین شرایطی اخطار می‌دهند.

2-پایین بودن رسانایی سیال

اصولاً مگ‌متر فقط برای سیالات با حداقل رسانایی الکتریکی (~۵ میکروزیمنس بر سانتیمتر یا بیشتر) کاربرد دارد. اگر سیال کاملاً نارسانا یا با رسانایی خیلی کم باشد (مانند آب مقطر، روغن‌های خالص)، فلومتر عملاً ولتاژ قابل‌اندازه‌گیری القا نمی‌کند و دستگاه دبی را نزدیک صفر یا نادرست نشان می‌دهد. این یک محدودیت ذاتی است و با انتخاب نوع دیگری از فلومتر مثلاً اولتراسونیک برطرف می‌شود.

3-رسوب و پوشش الکترودها

همان‌طور که در بخش رسوب‌گرفتگی بیان شد، تشکیل لایه‌های رسوب عایق روی جداره داخلی و به ویژه روی الکترودهای فلومتر مغناطیسی، عملکرد آن را مختل می‌کند. کالیبراسیون فلومتر به‌هم می‌خورد و دقت آن به شدت کاهش می‌یابد. در بسیاری از مگ‌مترهای هوشمند، قابلیت تشخیص پوشش الکترود وجود دارد که با اندازه‌گیری مقاومت بین الکترودها یا امپدانس مدار، هشدار می‌دهد که رسوب گرفته است. در هر حال، کاربران باید سیالاتی را که مستعد رسوب‌گذاری هستند شناسایی کنند و برنامه نظافت دوره‌ای برای فلومتر داشته باشند. برای مثال، در اندازه‌گیری آب خام یا پساب با سختی بالا، هر چند ماه یک بار بایستی فلومتر را باز کرده و الکترودها و جداره آن را از رسوبات پاک کرد.

4-وجود ذرات جامد یا حباب در سیال

اگر سیال حاوی مقادیر قابل توجهی جامد معلق مثلاً دوغاب باشد، گرچه مگ‌متر مکانیکی‌وار دچار گرفتگی نمی‌شود، اما برخورد ذرات با الکترودهای حسگر می‌تواند ایجاد پالس‌های نویز کند. حتی در طراحی‌های جدید، الکترودهای «غیرتماسی» ارائه شده تا این اثر کاهش یابد. در مورد حباب‌های گاز، حضور حباب‌های بزرگ در مایع سبب می‌شود که لحظاتی سیال در تماس با الکترود غیر رسانا شود و ولتاژ القایی قطع گردد و سیگنال فلومتر نوسان شدیدی پیدا کند. بنابراین توصیه می‌شود در خطوطی که احتمال وجود هوا یا گاز همراه مایع هست مثلاً خروجی برج‌های خلاء، خطوط محلول‌های شیمیایی گازدار و غیره، دیگازور یا تله هوا نصب شود یا از فلومتر دیگری که نسبت به دو فازی حساس نیست استفاده گردد. حباب‌های کوچک و پراکنده معمولاً مشکل جدی ایجاد نمی‌کنند، اما حباب‌های درشت می‌توانند خوانش را برای لحظه‌ای به صفر برسانند.

5-خوردگی و فرسایش

الکترودهای مگ‌متر معمولاً از آلیاژهای مقاوم ساخته می‌شوند (مانند استیل ۳۱۶، هاستلوی، تانتالم و…)، اما در محیط‌های بسیار خورنده یا ساینده به مرور دچار آسیب می‌شوند. خوردگی الکترود باعث می‌شود که اتصال الکتریکی آن با سیال دچار مشکل شود یا نویز الکتروشیمیایی وارد سیگنال گردد. همچنین ساییده شدن پوشش داخلی لاینر به دلیل ذرات جامد می‌تواند باعث نشت سیال به پشت لاینر و خرابی سنسور شود. علائم این مشکلات کاهش تدریجی دقت و پایداری سیگنال است. راهکار، استفاده از جنس مناسب (مثلاً الکترود تانتالم برای اسید HF) و بازرسی دوره‌ای وضعیت الکترود و لاینر و تعویض آنها در صورت لزوم است.

6-نویز الکتریکی و اتصال زمین

فلومتر مغناطیسی برای دقت بالا نیاز به ارت مناسب دارد. خود لوله مخصوصاً اگر پلاستیکی باشد، باید از طریق حلقه‌های ارت به سیال اتصال یکنواخت داشته باشد. اگر ارت دستگاه به‌درستی وصل نشود، نویز محیط می‌تواند به سیگنال القا شود و قرائت را ناپایدار کند. دستورالعمل‌ها تاکید می‌کنند که فلومتر باید زمین شده باشد، به‌ویژه در خطوط با لوله‌ غیرفلزی. همچنین کابل خروجی به اتاق کنترل حتما شیلددار و دو سر شیلد یک طرفه زمین شود. وجود میدان‌های قوی الکتریکی یا مغناطیسی مجاور فلومتر نیز می‌تواند ایجاد اختلال کند. برای مثال عبور کابل‌های فشار قوی از کنار ترانسمیتر مگ‌متر یا نصب دستگاه نزدیک یک ترانسفورماتور بزرگ توصیه نمی‌شود. در صورت اجبار، باید تا حد ممکن فاصله داد و از پوشش‌های حفاظتی استفاده کرد.

7-انتخاب نامناسب قطر و بازه جریان

اگر مگ‌متر خیلی بزرگ نسبت به دبی مورد نظر باشد، سرعت سیال در آن خیلی کم شده و درصد خطای دستگاه افزایش می‌یابد. معمولاً توصیه می‌شود سایز مگ‌متر طوری انتخاب شود که سرعت سیال در آن در محدوده ۱ تا ۱۰ متر بر ثانیه باشد تا بهترین دقت حاصل شود. در سرعت‌های بسیار پایین (زیر ۰٫۱ m/s) ممکن است نویز سیگنال با سیگنال دبی قابل مقایسه شود و ناپایداری دیده شود. بسیاری از ترانسمیترهای مگ‌متر دارای فیلتری به نام Low Flow Cutoff هستند که زیر یک آستانه مشخص (مثلاً ۰٫۵٪ محدوده) خروجی را صفر می‌کنند تا پرش بی‌مورد دیده نشود. استفاده صحیح از این تنظیمات به پایدارسازی قرائت کمک می‌کند.

فلومترهای آلتراسونیک (Ultrasonic Flow Meters)

فلومترهای آلتراسونیک با ارسال و دریافت موج‌های صوتی فرکانس‌بالا در سیال، سرعت جریان را اندازه می‌گیرند. دو نوع اصلی آنها ترانزیت‌تایم (زمان گذر) و دوپلری است. نوع ترانزیت‌تایم زمان عبور صوت در جهت موافق و مخالف جریان را مقایسه کرده و سرعت را محاسبه می‌کند؛ نوع دوپلری از شیفت فرکانس ناشی از بازتاب صوت از ذرات یا حباب‌های درون سیال بهره می‌برد.

خطاهای رایج این فلومترها عبارتند از:

1- وجود گاز یا حباب در سیال مایع (برای نوع زمان گذر)

امواج اولتراسونیک برای عبور از سیال نیازمند محیط مایع پیوسته هستند. اگر تعداد زیادی حباب بخار یا گاز در مایع باشد، این حباب‌ها عملا مانند سد یا جاذب امواج صوتی عمل می‌کنند و سیگنال به شدت تضعیف یا مختل می‌شود. نتیجه این است که ترانزیوسر گیرنده صدای فرستاده‌شده را دریافت نمی‌کند یا با تاخیر و خطای زیاد دریافت می‌کند و محاسبه سرعت دچار اشتباه می‌شود. در چنین شرایطی فلومتر ممکن است قرائت‌های کاملاً غلط یا نوسانی داشته باشد یا حتی اصلاً نتواند دبی را اندازه بگیرد. بنابراین در خطوطی که جریان دو فازی (مایع-گاز) دارند، فلومتر ترانزیت‌تایم انتخاب مناسبی نیست مگر آنکه نسبت فاز گاز بسیار جزئی باشد. در مقابل، برای این شرایط می‌توان از فلومتر دوپلری استفاده کرد که وجود ذرات و حباب برایش ضروری است تا بازتاب ایجاد شود. البته دوپلری نیز اگر چگالی حباب بسیار زیاد شود (مثلاً فوم) آنگاه دیگر قادر به نفوذ صوت نیست. پس، شرط اصلی کار فلومتر آلتراسونیک ترانزیت‌تایم، تکفاز بودن سیال یا شفافیت آکوستیکی آن است. یک قانون تجربی اینست که اگر میزان هوا در لوله بیش از ۱-۲٪ حجمی باشد، نباید انتظار عملکرد قابل قبول از این نوع فلومتر داشت. در صورت مشاهده چنین وضعیتی، باید یا هوا‌زدا نصب کرد یا از فناوری دیگری بهره گرفت.

2-ناخالصی‌های جامد و رسوب روی ترانسدیوسر

هرچند فلومترهای آلتراسونیک عموماً بدون تماس مستقیم (در نوع کلمپی) یا با حداقل تماس هستند، وجود لایه‌های رسوب یا پوشش بر سطح سنسور می‌تواند شدت سیگنال صوتی را کاهش دهد. مثلا اگر در یک فلومتر آلتراسونیک کلمپی قطر بزرگ، در طول زمان لایه‌های رسوب مانند آهک یا مواد آلی داخل لوله تشکیل شود، مسیر صوت تضعیف می‌شود و فلومتر سیگنال Low Signal می‌دهد. در چنین حالتی غالبا دستگاه از محدوده اندازه‌گیری خارج می‌شود یا عدد اشتباه می‌دهد. راهکار، تمیز کردن دیواره لوله در محل نصب سنسورها است. در کاتالوگ بیشتر تولیدکنندگان توصیه می‌کنند که برای قطرهای بزرگ یا لوله‌های قدیمی با رسوب زیاد، از سنسورهای کلمپی با توان بالاتر استفاده شود و حتماً پیش از نصب، سطح بیرونی لوله را تمیز و پرداخت نمود و از ژل کوپلانت مناسب استفاده کرد. به طور کلی، سرویس دوره‌ای شامل برداشتن سنسورهای کلمپی، تمیزکردن سطح تماس و تعویض کوپلانت به حفظ سیگنال قوی کمک می‌کند. در نوع فلومترهای آلتراسونیک درون‌خط (Inline)، تجمع رسوب روی پنجره‌های صوتی یا حسگرها نیز همین اثر را دارد و باید دوره‌ای بازرسی و شستشو شوند مثلاً سالانه یک بار طبق تجربه، در سیالات با ناخالصی زیاد.

3-نویز صوتی محیط و لوله

فلومترهای آلتراسونیک نسبت به صداهای مکانیکی پیرامون تا حدودی حساس‌اند. نویز آکوستیک شدید در خط لوله مثلاً صدای ضربه یا ارتعاشات مکانیکی می‌تواند در دریافت سیگنال اختلال ایجاد کند. در دستورالعمل‌ها آمده است که خط لوله مورد نظر باید فاقد نویز غیرعادی باشد وگرنه خطای اندازه‌گیری بالا خواهد رفت. این نویز می‌تواند ناشی از کار یک شیر کنترل نزدیک، تلاطم سیال یا ضربه‌های هیدرولیکی باشد. راهکار کاهش اثر نویز، افزایش تنظیم زمان دروازه‌ی سیگنال یا استفاده از فیلتر فرکانسی است که بعضی دستگاه‌های پیشرفته دارند. همچنین می‌توان از مواد جاذب صدا در اطراف سنسورها استفاده کرد یا چنانچه نویز از یک ماشین نزدیک می‌آید، فاصله دستگاه را زیاد کرد. در کل، این مشکل کمتر شایع از نویز الکتریکی است، ولی در محیط‌های بسیار پرسروصدا مثلاً نزدیک شیر فشارشکن بخار که صدای فراصوت تولید می‌کند باید در نظر گرفته شود.

4-عدم نصب صحیح سنسور کلمپی

در نوع کلمپی که سنسورها بیرون لوله بسته می‌شوند، مکان‌یابی صحیح و فشار تماس کافی اهمیت زیادی دارد. اگر سنسورها دقیقا در فاصله محاسبه‌شده، فاصله‌ای که وابسته به ضخامت لوله و جنس آن و نوع کوپلینگ است قرار نگیرند یا زاویه آنها نسبت به محور لوله اشتباه باشد، سیگنال به‌درستی منتقل نمی‌شود. اشتباه در نصب ممکن است منجر به ضعیف بودن سیگنال یا انحراف ثابت در اندازه‌گیری شود. معمولاً دستگاه‌های کلمپی میزان سیگنال و درصد تطابق را نشان می‌دهند که باید طبق استاندارد سازنده (مثلاً بالای ۵۰٪) باشد. نصاب باید اطمینان حاصل کند که سنسورها محکم چفت شده‌اند، هیچ هوایی بین سنسور و دیواره لوله باقی نمانده استفاده درست از خمیر کوپلنت و هر دو سنسور در یک صفحه قطر لوله قرار گرفته‌اند. اگر لوله عایق دارد، باید بخشی از عایق برداشته شود و سنسور مستقیم روی فلز یا پلاستیک لوله نصب گردد. هرگونه فاصله یا لرزش سنسور کلمپی باعث اختلال در قرائت خواهد شد.

5-دقت در کالیبراسیون سرعت صوت

فلومترهای التراسونیک زمان گذر، برای محاسبه دبی نیاز به دانستن دقیق طول مسیر صوت در لوله و سرعت صوت در سیال دارند. سرعت صوت در سیال تابعی از دما و ترکیب آن است. اگر دستگاه برای یک سرعت صوت فرضی تنظیم شود ولی سیال واقعی سرعت صوت متفاوتی داشته باشد مثلاً به دلیل تفاوت دما یا ترکیب یک خطای فاکتور ثابت در اندازه‌گیری رخ می‌دهد. خوشبختانه اغلب دستگاه‌ها سنسور دمایی دارند یا امکان وارد کردن پارامترهای سیال را می‌دهند تا سرعت صوت را جبران کنند. با این وجود، کاربر باید توجه کند که تغییرات زیاد در دمای سیال یا ترکیب مثلاً غلظت مواد حل‌شده ممکن است نیازمند کالیبراسیون دوباره باشد. در نوع پیشرفته فلومترهای التراسونیک مثلاً چندمسیره با قابلیت تشخیص صوت، تغییرات سرعت صوت حتی می‌تواند برای شناسایی شرایط غیرعادی مثل حضور گاز به کار رود. در هر صورت، اگر دمای فرآیند به شکل دینامیک تغییر می‌کند، باید از جبران دمایی استفاده شود تا تاثیر آن حذف گردد.

6-محدودیت اندازه لوله

در لوله‌های بسیار بزرگ مثلا قطر بیش از ۱ متر یا بسیار کوچک (کمتر از ۱ اینچ)، فلومترهای التراسونیک ممکن است چالش داشته باشند. در لوله‌های بزرگ، تضعیف مسیر زیاد است و شاید نیاز به چندمسیره یا سنسورهای قوی باشد. در لوله‌های خیلی کوچک، جایگذاری سنسور مشکل است و خطا بیشتر می‌شود. این موارد ویژه معمولا با راهکارهای خاص چند سنسوره یا استفاده از موج‌های هدایت‌شونده حل می‌شوند و خارج از بحث عمومی ما هستند.

فلومترهای جرمی کوریولیس (Coriolis Mass Flow Meters)

فلومترهای جرمی کوریولیس از اثر نیروی کوریولیس بر سیال جاری در لوله‌های ارتعاشی استفاده می‌کنند تا جرم سیال عبوری را مستقیماً اندازه‌گیری کنند. این دستگاه‌ها عموماً بسیار دقیق هستند (خطای معمول ±۰٫۱٪) و علاوه بر دبی جرمی، چگالی سیال را نیز می‌توانند گزارش دهند.

فلومترهای کوریولیس نیز در عمل با چالش‌ها و خطاهایی مواجه می‌شوند که به چند مورد اشاره می‌شود:

1-حضور حباب یا دو فازی شدن سیال

فلومتر کوریولیس فرض را بر جریان تک‌فاز می‌گذارد. ورود هوا یا گاز در مایع یا برعکس، باعث ایجاد اختلال در ارتعاش لوله‌ها می‌شود. حباب‌های گاز هنگام عبور از لوله ارتعاش‌کننده، همانند ضربه‌گیر عمل کرده و الگوی ارتعاش را نامنظم می‌کنند. نتیجه این است که سنسورهای تشخیص فاز که اختلاف فاز ارتعاش را اندازه می‌گیرند، سیگنال‌های نوسانی و پر خطا می‌دهند. در قرائت، ممکن است نویز صفر یا ناپایداری شدید دیده شود. کارشناسان امر اشاره کرده‌اند که وجود حباب در مایع می‌تواند با نشانه‌هایی مثل نویز صفر یا offset غیرعادی خود را نشان دهد. به بیان دیگر اگر فلومتر کوریولیس در حالت سکون جریان مقداری غیر صفر نشان می‌دهد یا لرزش سیگنال دارد، احتمال وجود حباب یا مشکل مکانیکی مطرح است. راهکار، حذف حباب و دو فازی است؛ می‌توان از degasser، هوابند کردن اتصالات مکش پمپ، و یا عملیات دقیق‌تر پر کردن خط بهره گرفت. در برخی موارد، استفاده از نرم‌افزارهای مخصوص دو فاز در ترانسمیتر کوریولیس نیز ممکن است کمک کند، هرچند دقت به هر حال افت می‌کند. در خطوط مایع مهم، نصب یک آشکارساز حباب قبل از فلومتر می‌تواند در صورت ورود هوا، هشدار دهد تا اقدامات لازم انجام شود.

2-رسوب و گرفتگی داخل لوله‌های اندازه‌گیر

فلومتر کوریولیس معمولاً دارای دو لوله U شکل یا خمیده یا در بعضی طرح‌ها یک لوله مستقیم است که جریان از آنها می‌گذرد. اگر سیال حاوی ذرات یا ترکیباتی باشد که می‌توانند در دیواره این لوله‌ها رسوب یا گیر کنند، مشکل‌زا خواهد شد. تجمع جرم در لوله کوریولیس باعث تغییر جرم و سختی موثر لوله می‌شود و فرکانس طبیعی ارتعاش آن را عوض می‌کند؛ در نتیجه فاکتور کالیبره دستگاه تغییر کرده و خطا ایجاد می‌شود. به عنوان مثال، تشکیل رسوب کلسیمی به ضخامت تنها ~۰٫۸ میلیمتر در یک لوله ۶ اینچی کوریولیس می‌تواند سرعت صوت کالیبره را چند ft/s تغییر دهد و منجر به انحراف قابل ملاحظه شود. همچنین اگر رسوب کاملاً یک لوله را مسدود کند، فلومتر عملاً از کار خواهد افتاد. برای جلوگیری از این مساله، باید سیال ورودی به کوریولیس تا حد امکان تمیز باشد یا صافی نصب شود و در صورت امکان به‌صورت دوره‌ای فلومتر خارج شده و تمیز یا شستشو شود. بعضی کوریولیس‌ها امکان تمیزکاری درجا دارند که با عبور یک محلول شوینده، رسوبات را حل می‌کنند. در غیر این صورت، باید بازرسی منظم مثلاً سالانه با دوربین بازرسی یا تست وزن-فرکانس انجام شود تا هرگونه جرم‌گرفتگی شناسایی و رفع گردد.جهت دریافت این خدمات از کنترل با ما تماس بگیرید.

3-سایش و خوردگی لوله‌ها

گذر سیالات ساینده حاوی ذرات شن، کاتالیست و… یا بسیار خورنده می‌تواند در طولانی‌مدت باعث نازک‌شدن یا سوراخ‌شدن لوله‌های ارتعاشی کوریولیس شود. هرگونه تغییر در ضخامت لوله، فرکانس آن را عوض کرده و کالیبراسیون را متاثر می‌کند. همچنین خوردگی غیر یکنواخت می‌تواند منجر به عدم تقارن ارتعاش و نویز سیگنال شود. اگر فلومتر کوریولیس در محیطی با احتمال خوردگی به‌کار می‌رود، باید جنس لوله‌ها با دقت انتخاب شود مثلاً مونل، اینکونل، تیتانیوم و … برای مقاومت بهتر. همچنین پس از چند سال، بهتر است دستگاه مجدداً کالیبره یا تست هیدرواستاتیک شود تا اطمینان از سلامت مکانیکی آن حاصل گردد.

4-اثرات دما و تنش‌های مکانیکی

لوله‌های کوریولیس معمولاً با طراحی مهندسی دقیق ایزوله شده‌اند که انبساط حرارتی یا تنش‌های خارجی کمترین اثر را بگذارد. با این حال، اگر هنگام نصب، فلومتر تحت تنش مکانیکی باشد مثلاً دو فلنج لوله هم‌راستا نبوده و هنگام سفت کردن باعث اعمال نیرو به دستگاه شود، شکل لوله‌ها کمی تغییر کرده و حساسیت سنسور را تغییر می‌دهد. این امر ممکن است یک افست در خروجی ایجاد کند یا صفر دستگاه بعد از نصب به هم بخورد. به همین دلیل توصیه می‌شود پس از نصب کوریولیس و فشار دادن خط، حتماً فرآیند صفرکردن (Zero Calibration) در شرایط بدون جریان انجام شود تا هرگونه تنش یا اثر گرانش جبران گردد. بسیاری از خطاهای کوریولیس در میدان با یک صفر مجدد رفع می‌شوند. به طور مشابه، تغییرات دمایی شدید اگر خارج از محدوده جبران دستگاه باشد، می‌تواند عدم تطابق انبساط قطعات و خطا ایجاد کند. البته ترانسمیترهای جدید جبران دمایی گسترده‌ای دارند ولی در کاربردهای فوق دقیق، توصیه می‌شود دستگاه در دمای نزدیک به عملیات کالیبره اولیه شود.

5-ارتعاشات محیطی

این مورد را می‌توان یکی از مهم‌ترین چالش‌های کوریولیس دانست. لوله‌های ارتعاش‌کننده کوریولیس ممکن است با فرکانس‌های ارتعاشی دیگر تجهیزان هم‌فرکانس شوند یا سیگنال‌های مزاحمی از لرزش خط دریافت کنند. اگر نزدیکی فلومتر کوریولیس یک آسیاب صنعتی، موتور بزرگ یا توربین گاز وجود دارد که لرزش ایجاد می‌کنند، باید فلومتر را تا حد امکان از آن منبع لرزش جدا کرد یا روی پایه‌های لرزه‌گیر نصب نمود. هرچند تولیدکنندگان در طراحی Sensor به طرق مختلف مثلاً استفاده از سنسورهای اضافی لرزش سعی در حذف اثر نویز خارجی دارند، در عمل ارتعاش شدید می‌تواند رفتار دستگاه را مختل کند. علامت بارز این حالت، نویز زیاد سیگنال و ناپایداری خروجی حتی در جریان ثابت است. در یکی از انجمن‌ها اشاره شده بود که اگر فلومتر کوریولیس بدون جریان همچنان فلو نشان می‌دهد و همه تنظیمات درست است، ممکن است ارتعاشات محیطی یا پدیده نامطلوبی در سنسور رخ داده باشد. جدا از بحث نویز، ارتعاش خارجی اگر شدید باشد ممکن است به مرور به سنسور آسیب مکانیکی نیز وارد کند.

6-ظرفیت اندازه‌گیری خارج از محدوده

فلومترهای کوریولیس معمولا رنج نسبتا محدودی به لحاظ فشار و دبی دارند (نسبت به مثلاً DP ترانسمیترها). اگر از آنها در شرایطی فراتر از مشخصات‌شان استفاده شود مثلاً جریان بیش از حد یا چگالی بسیار متفاوت، خطا افزایش می‌یابد. مخصوصاً اگر جریان از ماکزیمم تعیین‌شده فراتر رود، لوله‌ها ممکن است به نقطه choking برسند که عملاً بعد از آن دیگر افزایش دبی ثبت نمی‌شود. در کاربردهای گاز، چنانچه فشار مطلق کم باشد و دبی زیاد، احتمال رسیدن به جریان صوتی و choke در گذرگاه کوریولیس هست. بنابراین همواره باید مشخصات فرآیند با data sheet دستگاه تطابق داده شود.

با رعایت این نکات، فلومتر کوریولیس از پایدارترین و دقیق‌ترین روش‌ها برای سنجش جریان جرمی است. در صنایع نفت و گاز، شیمیایی و غذایی به طور گسترده استفاده می‌شود. اگر سیال تمیز و تک‌فاز باشد و نصب درست انجام گیرد، معمولاً مشکل خاصی پیش نمی‌آید. اما برای اطمینان: ۱) همیشه پس از نصب صفر را تنظیم کنید، ۲) مراقب ورود هوا و دو فازی شدن باشید (در صورت نیاز از air eliminator یا تجهیزات مشابه استفاده کنید)، ۳) اگر سیال رسوب‌دهنده است، برنامه CIP یا شستشو داشته باشید، ۴) از وارد شدن ضربه و تنش به فلومتر بپرهیزید هم در نصب، هم در بهره‌برداری مثلاً با جلوگیری از ضربات قوچ. همچنین بررسی‌های دوره‌ای نظیر چک‌کردن چگالی اندازه‌گیری‌شده در شرایط شناخته‌شده می‌تواند هشدار زودهنگام از هرگونه رانش یا گرفتگی به ما بدهد.

فلومترهای ورتکس (Vortex Flow Meters)

فلومترهای ورتکس یا گردابه‌نگار با قرار دادن یک مانع در مسیر سیال و شمارش تعداد گردابه‌های جداشده از آن، سرعت جریان را اندازه می‌گیرند. این فلومترها قطعه متحرک ندارند و برای مایعات، گازها و بخار استفاده می‌شوند. خطاها و مشکلات معمول آنها به شرح زیر است:

1-حساسیت به جریان کم (Cut-off در دبی‌های پایین)

هر ورتکس‌متر یک حداقل سرعت نیاز دارد تا بتواند گردابه‌های پایدار تولید کند. در سرعت‌های خیلی کم (عدد رینولدز پایین)، جریان آرام شده و گردابه منظم تشکیل نمی‌شود. بنابراین دستگاه عملاً از یک نقطه به پایین‌تر دیگر سیگنال معتبری نخواهد داشت. بسیاری از برندها در کاتالوگ دستگاه اشاره می‌کنند که مثلاً زیر ۵٪ رنج، ممکن است خطا زیاد شود. همچنین ترانسمیترها معمولا آستانه‌ای دارند که جریان‌های کمتر از آن را صفر گزارش می‌کنند. اگر ورتکس‌متر بیش از حد بزرگ برای کاربرد انتخاب شود، ممکن است در اکثر محدوده عملیاتی جریان زیر آستانه عمل کند و تقریباً همیشه صفر نشان دهد. این وضعیت در عمل مشاهده شده و راه‌حل آن استفاده از فلومتر با قطر کوچکتر بوده است تا گردابه‌ها در محدوده دبی مورد نظر به اندازه کافی ایجاد شوند. پس باید به رنج جریان و سایز سنسور توجه ویژه داشت.

2-بالاتر رفتن جریان از محدوده (Overshooting)

در دبی‌های خیلی زیاد نیز ورتکس‌مترها دچار مشکل می‌شوند. با افزایش سرعت سیال، در یک نقطه دچار پدیده‌ای به نام wave loss می‌شوند، یعنی حسگر ممکن است نتواند تمام گردابه‌های با فرکانس بسیار بالا را تشخیص دهد. همچنین نیروی توربولانس می‌تواند آنقدر زیاد شود که سنسور مثلاً سنسور پیزو اشباع گردد یا حتی بشکند. بنابراین اگر جریان فراتر از ظرفیت ماکزیمم دستگاه برود، احتمال دارد قرائت کمتر از واقع (از دست رفتن برخی پالس‌ها) یا نوسان‌دار شود. در موارد حاد، شکستن پراب حسگر یا خود بلوکه نیز ممکن است رخ دهد اگر سیال چگال و سرعت خیلی زیاد باشد. راهکار این وضعیت، استفاده از دستگاه بزرگ‌تر یا موازی کردن دو دستگاه است. معمولا ورتکس‌مترها حاشیه خوبی دارند اما در سرویس‌هایی مثل بخار سوپرهیت با جریان‌های نوسانی باید مراقب بود از حدود مکانیکی دستگاه تجاوز نشود.

3-کاویتاسیون و flashing

همان‌گونه که قبلا در بخش کاویتاسیون ذکر شد، ورتکس‌مترها در سیالات نزدیک نقطه جوش مستعد کاویتاسیون هستند. مخصوصا در اندازه‌گیری بخار مرطوب یا مایعات داغ اگر فشار پایین‌دست کم باشد، کاویتاسیون به راحتی رخ می‌دهد. آثار آن روی ورتکس‌متر بسیار منفی است و علاوه بر ایجاد نویز و خطا، می‌تواند سنسور و بلوکه را تخریب کند.

نشانه کاویتاسیون در ورتکس‌متر، نویز شدید و لرزش و نیز قرائت‌های پرت است. جلوگیری از آن با همان روش‌های گفته‌شده (حفظ فشار، کاهش دما، سایز بزرگ‌تر یا نوع متفاوت فلومتر) انجام می‌شود. Flashing هم حالتی از کاویتاسیون است که سیال کاملا به بخار تبدیل شود (عبور از سرعت صوت و ایجاد shockwave). این حالت هم ممکن است اگر فشار خیلی افت کند رخ دهد و مثل مورد قبلی، فلومتر را ناکارآمد می‌کند. بنابراین برای ورتکس‌متری که مایع داغ را اندازه می‌گیرد، همیشه باید حاشیه کافی از نظر فشار نسبت به فشار بخار حفظ کرد.

4-ارتعاشات خارجی و نویز مکانیکی

ورتکس‌مترها نسبت به لرزش خط حساس‌اند. اگر خط لوله در حال لرزش باشد مثلاً به خاطر یک کمپرسور، سنسور ممکن است این لرزش را به عنوان فرکانس گردابه تعبیر کند و فلو کاذب نشان دهد. مواردی گزارش شده که ورتکس‌متر در جریان صفر، مقدار ثابتی مثلاً ۱۰٪ نشان می‌داده و علت، ارتعاش موتور مجاور با همان فرکانس بوده است. خوشبختانه اغلب ترانسمیترهای ورتکس دارای فیلترهای ارتعاش هستند که فرکانس غیرطبیعی ثابت را نادیده می‌گیرند. با این حال، پیشگیری بهتر است. برخی مانند دور کردن فلومتر از منابع لرزش، یا نصب آن بر روی بخش‌هایی از لوله که مهار لرزشی شده‌اند. استفاده از پدهای لرزه‌گیر برای لوله می‌تواند ارتعاش منتقل شده را کم کند. همچنین میدان‌های مغناطیسی قوی نزدیک سنسور پیزوالکتریک می‌تواند ایجاد تداخل کند البته نه به اندازه اثر ارتعاش. ما توصیه می‌کنیم ورتکس‌متر را در معرض میدانهای RF قوی یا نزدیک کابل‌های برق قرار ندهید.

5-عدم وجود طول مستقیم کافی

ورتکس‌متر برای صحت، نیاز به جریان تقریبا متقارن و بدون چرخش در محل بلوکه دارد. اگر نزدیک به دستگاه یک زانویی یا خصوصا دو زانویی غیر هم صفحه وجود داشته باشد، جریان چرخشی وارد فلومتر می‌شود و باعث تغییر فرکانس گردابه‌ها یا آشفتگی نامنظم آنها می‌گردد. نتیجه، خطای گاها چند درصدی در ضریب K دستگاه است. بنابراین باید حتما لوله مستقیم بر اساس توصیه معمولاً ۱۵ تا ۲۰ برابر قطر لوله در بالادست حداقل نصب شود. در صورت محدودیت فضا، می‌توان از صاف‌کن جریان مثل لوله‌های پره‌ای VORTAB استفاده کرد که طول لازم را کاهش می‌دهد. عدم رعایت این موضوع یکی از دلایل رایج اختلاف کالیبراسیون بین سایت و آزمایشگاه است. اگر دیدیم ورتکس‌متری سیستماتیک مثلا ۵٪ اختلاف دارد، یکی از مظنونین وضعیت نصب است. ناهم‌محوری یا نصب کج فلومتر نیز ممکن است اثر بگذارد اگر فلومتر نسبت به راستای لوله tilt شده باشد، جریان یک طرف بلوکه بیشتر از طرف دیگر خواهد بود و احتمال خطا هست.

6-وجود جسم خارجی یا رسوب روی بلوکه یا سنسور

اگر ذرات خارجی در خط وجود داشته باشد که بر روی بلوف‌بادی صفحه ایجاد کننده ورتکس گیر کنند یا رسوبی آن را زخمی کند، فرکانس رهایی گردابه تغییر می‌کند. به عنوان مثال، رسوب پلیمر یا پارافین روی بلوکه ممکن است موثر عرض آن را افزایش دهد و Strouhal number را کمی تغییر دهد و باعث نشان دادن دبی کمتر از واقعی شود. یا بالعکس، ساییدگی بلوکه مثلاً به علت ذرات ساینده لبه‌های آن را گرد کرده و ممکن است حساسیت را پایین آورد. این اثرات معمولا کوچک‌اند چند درصد اما در کاربردهای دقیق باید توجه شود. تمیز نگه داشتن سنسور و بلوکه بازرسی دوره‌ای لازم دارد. خوشبختانه دسترسی به سنسور ورتکس اغلب ساده است و می‌توان وضعیت آن را چک کرد. طبق توصیه‌ها، بازرسی و تمیزکاری دوره‌ای منجر به حفظ صحت درازمدت ورتکس‌متر می‌شود.

7-دوفازی بودن (مایع و گاز)

ورتکس‌متر در شرایط دوفازی اصولا طراحی نشده، با این حال گاهی در بخار مرطوب یا مایعات حاوی حباب استفاده می‌شود. وجود فاز دوم باعث می‌شود چگالی موثر سیال مرتب تغییر کند و فرکانس گردابه به نسبت سرعت سیال دیگر ثابت نماند. در نتیجه رابطه کالیبراسیون به هم می‌خورد. ممکن است دستگاه فرکانس را درست شمارش کند اما پردازنده آن این فرکانس را به جریان اشتباه تبدیل نماید چون فرض چگالی ثابت نقض شده. اگر مجبور به استفاده ورتکس در جریان دوفازی باشیم، باید یا چگالی لحظه‌ای را جداگانه اندازه بگیریم. در نتیجه رابطه کالیبراسیون به هم می‌خورد. ممکن است دستگاه فرکانس را درست شمارش کند اما پردازنده آن این فرکانس را به جریان اشتباه تبدیل نماید چون فرض چگالی ثابت نقض شده. اگر مجبور به استفاده از ورتکس‌متر در جریان دوفازی باشیم، باید یا چگالی لحظه‌ای را جداگانه اندازه بگیریم و تصحیح کنیم یا پیش از فلومتر، فازها را جدا کنیم تا سیال تک‌فاز وارد شود. در غیر این صورت اندازه‌گیری قابل اعتماد نخواهد بود.

فلومترهای توربینی (Turbine Flow Meters)

فلومتر توربینی یکی از قدیمی‌ترین انواع فلومترها است که در آن یک روتور پره‌دار در مسیر جریان می‌چرخد و سرعت چرخش آن متناسب با سرعت سیال است. یک سنسور چرخش پره‌ها را حس کرده و پالس‌هایی تولید می‌کند که نرخ آن نشان‌دهنده جریان است. فلومترهای توربینی دقت خوبی دارند اما تنها برای سیالات تمیز و با ویسکوزیته پایین مناسب‌اند.

رایج‌ترین مشکلات این فلومترها عبارتند از:

1-رسوب و آلودگی

فلومتر توربینی نسبت به حضور ذرات معلق بسیار حساس است. وجود شن، پلیسه، زنگ لوله یا هر جسم خارجی می‌تواند میان پره‌های توربین گیر کند و آن را قفل یا کند نماید. حتی یک تکه کوچک نخاله ممکن است توربین را از چرخش بازدارد و جریان عبوری را کمتر از مقدار واقعی نشان دهد. به همین دلیل تقریباً همیشه در ورودی فلومتر توربینی یک صافی نصب می‌کنند. اگر سیال دارای خاصیت رسوب‌دهی است مثلا تشکیل کریستال یا پارافین، این رسوبات می‌توانند روی پره‌ها بنشینند و مانند اینکه قطر پره را ضخیم‌تر کنند، فاکتور کالیبره (K-factor) دستگاه را تغییر دهند. نتیجه، انحراف تدریجی در اندازه‌گیری است. راهکار، باز کردن و تمیزکردن دوره‌ای روتور و یاتاقان‌های توربین است. خوشبختانه ساختمان توربین ساده است و این کار سخت نیست، ولی اگر دوره‌های آن به‌موقع انجام نشود رسوبات می‌توانند منجر به گیرپاژ کامل توربین شوند.

2-سایش و خرابی مکانیکی

توربین دارای یاتاقان‌ها و محور مکانیکی است که در تماس مداوم با سیال در حال چرخش‌اند. سیالات ساینده باعث سائیدگی تیغه‌ها و محور می‌شوند. همچنین سرعت‌های بسیار بالا یا ارتعاشات می‌توانند به تدریج موجب لقی یاتاقان یا شکستگی پره‌ها شوند. این پدیده به‌خصوص در اندازه‌گیری گاز با توربین‌های بلبرینگی یا مایعات با محتوای ذرات سخت دیده می‌شود. علائم آن کاهش تدریجی خروجی نسبت به مقدار واقعی به دلیل اصطکاک بالاتر یا ایجاد نویز اضافه در سیگنال پالس به خاطر لرزش روتور است. تعمیر و نگهداری دوره‌ای توربین‌ها شامل تعویض یاتاقان‌ها و بازبینی سلامت پره‌ها ضروری است. هرچند خیلی از صنایع امروزه به سمت فلومترهای بدون قطعه متحرک رفته‌اند، ولی هنوز در کاربردهایی مثل اندازه‌گیری سوخت‌های مایع تمیز یا گازهای تمیز پرفشار از توربین استفاده می‌شود و در این صنایع معمولا برنامه مدون کالیبراسیون-اورهال برای آنها وجود دارد مثلا هر ۶ ماه یک بار کالیبره در آزمایشگاه جریان.

3-تغییر خواص فیزیکی سیال (خصوصا ویسکوزیته)

فلومتر توربینی برای ویسکوزیته معینی بهینه می‌شود. اگر سیال خیلی رقیق‌تر یا غلیظ‌تر از مقدار طراحی باشد، نسبت سرعت چرخش توربین به دبی خطی نخواهد بود. در ویسکوزیته‌های بالاتر، توربین تمایل دارد سرعتش کمتر از تناسب خطی باشد چون نیروی اصطکاک سیال با تیغه‌ها بیشتر است و این باعث خطای منفی می‌شود. از این رو در کاربردهای دقیق، فلومتر توربینی باید برای ویسکوزیته عملیاتی کالیبره مخصوص شود یا نمودار تصحیح داشته باشد. اگر دمای سیال تغییر کند و در نتیجه ویسکوزیته آن عوض شود، ممکن است لازم باشد ضریب K بر اساس جداول اصلاح گردد. عدم توجه به این موضوع می‌تواند چند درصد خطا وارد کند.

4-کاویتاسیون و شوک‌های هیدرولیکی

توربین‌ها نیز از کاویتاسیون در امان نیستند. اگر در بالادست توربین فشار افت کند و حفره‌زایی رخ دهد، حباب‌های بخار در برخورد با پره‌های توربین منفجر می‌شوند و می‌توانند لبه پره‌ها را بشکنند یا بپوشانند. این وضعیت به سرعت کالیبراسیون دستگاه را خراب می‌کند و گاه سبب شکست کامل روتور می‌شود. همچنین ضربه قوچ (Water Hammer) یا نوسانات شدید جریان می‌تواند به توربین آسیب بزند مثلا اگر ناگهان شیر سریعی بسته شود، موج فشاری ایجاد شده ممکن است پره‌ها را خم کند. بنابراین در خطوطی که این مخاطرات وجود دارد مثل خروجی پمپ‌ها، باید وسایلی چون ضربه‌گیر و شیر یکطرفه نصب شود.

5-خطاهای نصب (عدم وجود طول مستقیم)

توربین برای دقت مناسب، نیاز به جریان یکنواخت دارد. استاندارداً حداقل ~۱۰D بالادست و ۵D پایین‌دست لوله مستقیم نیاز است. اگر این شرایط رعایت نشود، پروفیل سرعت نامتقارن وارد توربین شده و کالیبراسیون دچار خطا می‌شود (چون توربین اکثراً سرعت‌های مرکزی لوله را می‌بیند). یک مطالعه نشان داده که خطای ناشی از شرایط لوله‌کشی در توربین می‌تواند تا ~۲٪ هم برسد بسته به نوع اختلال جریان. برای کاهش این اثر، توربین‌ها معمولاً به یک راست‌کننده جریان داخلی (مانند پره مستقیم‌کننده یا screen) مجهزند که جریان چرخشی را قبل از روتور می‌گیرد. با این وجود، نصب نزدیک به شیر یا زانویی شدیداً منع می‌شود. همچنین توربین باید تا حد ممکن در وسط خط (هم‌محور) قرار گیرد؛ هرگونه ناهم‌راستایی یا خمیدگی لوله که باعث برآمدگی در مسیر شود، روی عملکرد آن اثر سوء دارد.

6-پدیده Over-run در تغییرات ناگهانی جریان

وقتی دبی خیلی سریع کاهش می‌یابد (مثلاً بسته شدن ناگهانی شیر)، توربین به علت اینرسی همچنان می‌چرخد و ممکن است چند لحظه جریان بیشتر از واقع را گزارش کند. بالعکس، در افزایش ناگهانی جریان، توربین کمی تاخیر دارد تا به سرعت برسد و ابتدا کمتر نشان می‌دهد. این موضوع در اندازه‌گیری‌های steady-state اهمیت ندارد، ولی اگر دبی متغیر پُر نوسان داشته باشیم، توربین نمی‌تواند روندهای بسیار سریع را درست فالو کند. اضافه کردن یک مکانیزم ترمزکننده مغناطیسی یا تنظیم نرم‌افزاری دمپینگ می‌تواند این اثر را کم کند.

پرسش‌های پرتکرار و پاسخ‌های کارشناسی

در این بخش چند پرسش مهم پیرامون مشکلات فلومترها مطرح شده و بر اساس منابع معتبر به آنها پاسخ داده می‌شود:

چگونه می‌توان خطاهای ناشی از نصب نادرست فلومتر را کاهش داد؟

مهم‌ترین اقدام، رعایت توصیه‌های سازنده در مورد نصب است: فاصله‌های مستقیم کافی قبل و بعد از فلومتر فراهم کنید تا جریان آرام داشته باشید. مثلاً برای بیشتر فلومترها حداقل ۱۰ قطر لوله در بالادست و ۵ قطر در پایین‌دست پیشنهاد می‌شود و عدم رعایت آن می‌تواند تا ۱٫۵٪ خطا ایجاد کند. همچنین جهت جریان را طبق فلش روی دستگاه نصب کنید و از نصب وارونه بپرهیزید. اطمینان حاصل کنید که لوله در محل نصب کاملاً پر باشد (برای مایعات) و هوا یا گاز جمع نشود. اگر ناچارید فلومتر را نزدیک زانویی یا شیر نصب کنید، استفاده از صاف‌کننده‌های جریان (مثل صفحات مشبک یا پره‌ای) می‌تواند به کاهش اثرات پروفیل سرعت کمک کند. در صورت نصب روی خطوط عمودی، برای مایعات جهت جریان به سمت بالا باشد تا حباب‌ها بالا بروند و از سنسور دور شوند. به طور خلاصه، نصب صحیح مستلزم پیروی کامل از دستورالعمل‌های فنی و در نظر گرفتن شرایط ویژه هر سایت است.

در صورت مشاهده نوسان و پریدن مداوم سیگنال دبی، چه عواملی را باید بررسی کرد؟

نوسان مداوم می‌تواند علل مختلفی داشته باشد. ابتدا خواص سیال را بررسی کنید – تغییرات چگالی یا ویسکوزیته می‌تواند خروجی را ناپایدار کند. سپس وجود هوا یا گاز در سیال را چک کنید؛ حباب‌های هوا یکی از دلایل شایع پرش در قرائت هستند. ارتعاشات مکانیکی لوله نیز می‌توانند روی سنسور اثر بگذارند و خوانش را دچار نوسان کنند. پالس داشتن جریان (مثلاً در پمپ‌های پیستونی) عامل دیگر است. علاوه بر این‌ها، خطای نصب (مثلاً نزدیک بودن به خم یا شیر) موجب آشفتگی جریان و نوسان در قرائت می‌شود. نویز الکتریکی و تداخل فرکانسی از موتورها و تجهیزات مجاور هم می‌تواند سیگنال را نویزی کند. بنابراین راهکار این است که به ترتیب این موارد را وارسی و رفع کنید: هواگیری خط، نصب لرزه‌گیر یا دور کردن منبع ارتعاش، افزایش دمپینگ سیگنال در ترانسمیتر، جداسازی کابل‌های سیگنال و زمین کردن صحیح آنها. با یک رویکرد سیستماتیک معمولاً می‌توان علت نوسان را یافت و برطرف کرد.

آیا رسوب‌گرفتگی سنسور توسط خود فلومتر قابل تشخیص است و چه باید کرد؟

برخی فلومترهای پیشرفته (خصوصاً التراسونیک‌های چند مسیره و فلومترهای مغناطیسی اسمارت) دارای امکانات تشخیص رسوب هستند. مثلاً فلومتر التراسونیک با اندازه‌گیری تغییر سرعت صوت در چند مسیر می‌تواند تشخیص دهد که دیواره لوله رسوب گرفته است. فلومتر مغناطیسی هم با اندازه‌گیری امپدانس الکترودهایش می‌تواند پوشیده شدن آنها توسط رسوب یا پوشش را هشدار دهد. وقتی چنین آلارم یا هشدار تشخیصی دریافت شد، باید در اولین فرصت فلومتر را از خط خارج کرده و بازرسی چشمی انجام داد. اگر لایه رسوب مشاهده شد، باید آن را تمیز نمود (با روش شیمیایی یا مکانیکی بسته به نوع رسوب). همچنین ممکن است نیاز باشد دستگاه را دوباره کالیبره کنید، چون رسوب می‌تواند برای مدتی خروجی را منحرف کرده باشد. در مجموع بله، سیستم‌های مدرن تا حد خوبی می‌توانند رسوب را تشخیص دهند ولی رفع آن خودکار نیست و به مداخله انسانی (تعمیرات) نیاز دارد. پیشنهاد می‌شود برنامه PM منظم (Preventive Maintenance) برای تمیزکاری دوره‌ای در نظر گرفته شود تا اصلاً به مرحله اخطار نرسد.

در فلومتر مغناطیسی چه عواملی باعث عدم نمایش جریان (صفر نشان دادن) می‌شوند و چگونه عیب‌یابی کنیم؟

اگر یک فلومتر مغناطیسی دبی را صفر نشان می‌دهد در حالی که جریان برقرار است، چند علت محتمل است: الف) لوله پر نیست – اگر سنسور تشخیص دهد الکترودها در تماس با مایع نیستند، بسیاری از ترنسمیترها خروجی را صفر یا hold می‌کنند. ب) هادی نبودن سیال – اگر سیال مورد اندازه‌گیری ناگهان نارسانا شده (یا همیشه نارسانا بوده) فلومتر عملاً نمی‌تواند چیزی اندازه بگیرد. ج) خرابی یا پوشیده شدن الکترودها – مثلاً اگر هر دو الکترود توسط رسوب غلیظ عایق شده باشند، ولتاژی حس نمی‌شود و دستگاه مثل جریان صفر رفتار می‌کند. د) وجود نویز شدید – بعضی دستگاه‌ها هنگام نویز شدید، حفاظت می‌کنند و خروجی را صفر می‌کنند. برای عیب‌یابی، ابتدا مطمئن شوید لوله کاملاً پر است (مثلاً با کاهش سرعت جریان ببینید آیا قرائت می‌آید یا نه، یا شیرهایی نصب کنید که لوله را پر کنند). سپس رسانایی سیال را چک کنید – اگر زیر حد مجاز است، عملاً این دستگاه کار نمی‌کند. بعد الکترودها و اتصالات را بازرسی کنید؛ امکان دارد کابل سنسور قطع شده باشد یا الکترودها پوشیده/خورده شده باشند. یک روش تست، استفاده از مد تست ترانسمیتر است که برخی دستگاه‌ها امکان تزریق سیگنال تست دارند تا ببینید خروجی تغییر می‌کند یا نه. در نهایت اگر همه چیز صحیح به نظر رسید اما هنوز صفر است، احتمالا خود ترانسمیتر یا منبع تغذیه آن معیوب شده که نیاز به تعمیر یا تعویض دارد. مورد جالب اینکه در یک مرجع به نصب اشتباه بای‌پس اشاره شده که کاربری فلومتر را در یک مسیر بای‌پس قرار داده و فراموش کرده بود شیرهای اصلی را ببندد، لذا همه جریان از کنار فلومتر می‌رفت و فلومتر صفر نشان می‌داد! پس همیشه ساده‌ترین علل مثل وضعیت شیرآلات را هم در نظر بگیرید.

برای کاهش نویز الکتریکی در سیگنال فلومتر چه باید کرد؟

بهترین راه، طراحی صحیح سیستم کنترل و کابل‌کشی از ابتداست. باید از کابل‌های زوج تابیده شیلددار برای سیگنال‌های فلومتر استفاده نمود و شیلد در یک نقطه زمین شود. کابل‌های سیگنال را از کنار کابل‌های قدرت و منبع نویز جدا کنید (ترجیحاً در سینی مجزا). چنانچه اجتناب‌ناپذیر است، استفاده از کابل‌های زره‌دار و لوله‌های فلزی Earthing در طول مسیر کمک‌کننده است. ارت مناسب تجهیزات بسیار اهمیت دارد – فلومتر و ترانسمیتر آن و سیستم کنترل همه باید مرجع زمین مشترک داشته باشند تا جریان‌های سرگردان شکل نگیرد. اگر نویز همچنان مشکل‌ساز است، می‌توان یک فیلتر پایین‌گذر یا کارت ایزولاتور سیگنال در ورودی سیستم کنترل قرار داد که نویز فرکانس بالا را حذف کند. در برخی موارد منبع نویز یک تجهیز خاص است (مثلاً درایو موتور) – نصب چوک‌های فیلتر روی آن تجهیز یا فاصله‌گذاری زمانی (عدم نمونه‌برداری همزمان با سوئیچینگ) نیز راهگشاست. در کل، طبق استانداردها، فاصله‌گذاری بین کابل سیگنال و کابل 110VAC باید حداقل چند اینچ باشد و اگر بدون جداکننده فلزی در یک سینی‌اند حتماً این فاصله بیشتر لحاظ شود. رعایت این اصول باعث می‌شود سیگنال ۴-۲۰mA یا پالس فلومتر بدون اعوجاج به سیستم برسد.

در پایان، یادآور می‌شویم که هر درصد خطای جریان می‌تواند به معنای اتلاف انرژی، کاهش کیفیت محصول یا آسیب به تجهیزات بعدی باشد. پس سرمایه‌گذاری در تجهیزات اندازه‌گیری مطمئن و نگهداری صحیح آنها کاملا توجیه‌پذیر است. امیدواریم مطالب ارائه‌شده دید جامعی نسبت به مشکلات متداول فلومترها و راه‌حل‌های عملی برای مخاطبین کنترل با ما فراهم کرده باشد. برای مشاوره تخصصی می‌‌توانید با ما تماس بگیرید.