این ابزار در مسیر ورودی و خروجی یک سیستم نصب می‌شود و وظیفه آن اندازه گیری شدت جریان جرمی ورودی یا خروجی است. بنابراین واحد اندازه‌گیری جرم (یا وزن) در واحد زمان است که به صورت پوند در ساعت یا کیلوگرم در ثانیه بیان می‌شود. یکی از مزایای این اندازه‌گیری این است که جرم یا وزن با دما یا فشار تغییر نمی‌کند. با این حال، وزن با گرانش تغییر می‌کند (تا زمانی که ما با کاربردهای سطح زمین سر و کار داریم، گرانش یکسان است و بر سرعت جریان جرم تأثیر نمی‌گذارد). در حقیقت، این جرم با تعداد مولکول‌های یک ماده نشان داده می‌شود. جرم گاز با تغییرات دما و فشار تغییر نمی‌کند، وزن آن ثابت می‌ماند. علاوه بر این، اندازه‌گیری جریان جرمی به حسگرهای اضافی برای اندازه‌گیری نیاز دارد.

جریان حجمی چیست؟

حجم، اندازه‌گیری سه بعدی از مساحت اشغال شده توسط یک ماده می‌باشد، از نگاهی دیگر، حجم، ماده‌ای است که فضای سه بعدی را اشغال می‌کند. جریان حجمی (به آن جریان واقعی نیز گفته می‌شود)، اندازه‌گیری حرکت یک ماده از میان یک دستگاه در طول زمان است. واحدهای استاندارد اندازه‌گیری برای جریان حجمی متر 3 بر ثانیه، میلی لیتر بر ثانیه یا فوت3 بر ساعت است.

هنگام گرم کردن گاز، مولکول‌ها به یکدیگر برخورد می‌کنند، گاز منبسط می‌شود و همین مقدار گاز فضای متفاوتی خواهد داشت (به عنوان مثال، با فرض اینکه حجم ثابتی نباشد). اگر حجم ثابت باشد، با افزایش دما، فشار افزایش می‌یابد. علاوه بر این، هنگام افزایش فشار، اندازه‌گیری حجم کاهش می‌یابد. به همین دلیل هنگام استفاده از فلومتر حجمی برای اندازه گیری گاز، اندازه‌گیری دما و فشار و همچنین چگالی گاز برای تبدیل جریان حجمی به جریان جرمی مورد نیاز است.

 در حقیقت، وقتی حجم، گاز باشد، با اختلاف دما و/ یا فشار، منبسط یا منقبض می‌شود. هنگامی که دما افزایش می‌یابد، فضای اشغال شده توسط حجم افزایش می‌یابد. با افزایش فشار، حجم کاهش می‌یابد.

تفاوت اندازه‌گیری جریان جرمی و جریان حجمی

برای شروع، تفاوت‌های بین جریان جرمی و حجمی را مرور می‌کنیم. در فلومتر جرمی، جریان با اندازه‌گیری مقدار جرم ماده‌ای که برای مدت زمان معینی از دستگاه عبور می‌کند، محاسبه می‌شود. در فلومترهای حجمی، جریان با اندازه‌گیری حجم یک ماده از طریق یک دستگاه در یک دوره معین محاسبه می‌شود. همچنین مهم است که در نظر داشته باشید، انواع مختلفی از مواد وجود دارد که می‌توانند از جریان سنج عبور کنند. مانند مایعات و گازها.

از نگاه دیگر، تفاوت بین این دو اندازه‌گیری در این است که جریان جرمی، اندازه‌گیری تعداد مولکول‌ها در یک گاز جاری است، در حالی که جریان حجمی اندازه گیری فضای اشغال شده توسط آن مولکول‌ها است. از آنجا که گازها تراکم پذیر هستند، با تغییر فشار یا دما، سرعت جریان حجمی به طور قابل توجهی تغییر می‌کند.

جریان جرمی زمانی انتخاب می‌شود که تمرکز اندازه‌گیری جریان، بر خود گاز باشد. جریان حجمی زمانی انتخاب می‌شود که تمرکز اندازه گیری یا کنترل جریان بر حجم گاز باشد. برای مثال، برنامه‌های بهداشت صنعتی و نظارت بر هوای محیط در اندازه‌گیری‌های جریان حجمی بهترین کارایی را دارند، زیرا هدف، تعیین تعداد ذرات در حجم هوا در شرایط اندازه‌گیری واقعی است.

جریان سنج حجمی هنگام اندازه‌گیری جریان حجمی گاز و در مواقعی که به دقت بالایی نیاز نیست توصیه می‌شود. با این حال، هنگام مقایسه نتایج، یک فلومتر حجمی به جبران دما و فشار اضافی نیاز دارد. در حالی که فلومترهای جرمی، نرخ جریان را مستقل از فشار و دمای گاز اندازه‌گیری می‌کنند. اندازه‌گیری جریان جرمی در نتیجه قابل اعتمادتر است و دقت و تکرارپذیری بالاتری را ارائه می‌دهد.

انواع فلومتر جرمی و جریان‌ سنج حجمی

یکی دیگر از تفاوت‌های کلیدی در مورد فلومترهای جرمی و حجمی، انواع مختلف ابزارهای موجود برای هر فلومتر است که بسته به کاربرد مورد نظر انتخاب می‌شوند. برخی از انواع فلومترهایی که نرخ جریان جرمی را اندازه‌گیری می‌کنند. عبارتند از:

• فلومتر جرمی کوریولیس

فلومتر جرمی کوریولیس، یک شتاب مصنوعی وارد جریان جریان می‌کند و با تشخیص تکانه، جریان جرمی را اندازه‌گیری می‌کند. برای مطالعه در زمینه فلومتر کوریولیس، پیشنهاد می‌کنیم که حتما مقاله جامع را در این خصوص مطالعه نمایید.

• فلومتر جرمی حرارتی

فلومتر جرمی حرارتی با استفاده از فناوری سنجش (حسگر) حرارتی و اصول انتقال حرارت و همچنین المنت گرمایشی و سنسورهای دما کار می‌کند. همانطور که جریان وارد دستگاه می‌شود، بخش کمی از آن به یک لوله کوچک حاوی دو سیم پیچ – پایین دست دیگری – هدایت می‌شود. سیم پیچ اول مقدار کمی گرما را به جریان گاز وارد می‌کند. هنگامی که گاز از لوله عبور می‌کند، سیستم الکترونیک هوشمند، میزان گرمای منتقل شده از یک سیم پیچ به سیم پیچ دیگر را حس می‌کند.

خروجی سنسور جریان جرمی حرارتی به طور مستقیم با گرمای گازی که اندازه‌گیری می‌کند، مرتبط است. بنابراین، اگر یک واحد برای هوا کالیبره شده باشد، محاسبه کالیبراسیون برای نیتروژن یا گازهای مشابه دیگر یک محاسبه نسبتاً ساده است. این مزیت، باعث انعطاف پذیری می‌شود که در بسیاری از انواع دیگر سنسورهای جریان یافت نمی‌شود.

فلومترهای جرمی حرارتی، جریان جرمی گازها و مایعات را مستقیماً اندازه‌گیری می‌کنند. این فلومترها با وارد کردن مقدار مشخصی گرما به جریان جاری و اندازه‌گیری تغییر دمای مربوطه یا با نگهداری یک ردیاب در دمای ثابت و اندازه‌گیری انرژی مورد نیاز برای انجام این کار، عمل می‌کنند.

اجزای یک فلومتر جرمی پایه شامل دو سنسور دما و یک وسیله گرم کننده بین آنها می‌باشد که می‌تواند داخل جریان سیال باشد یا می‌تواند خارج از لوله باشد. فلومتر جرمی حرارتی تقریباً به تغییرات دما یا فشار حساس نیستند.

برخی از نمونه‌هایی از دستگاه‌هایی که جریان حجمی را اندازه‌گیری می‌کنند، عبارتند از:

• فلومتر توربینی
• فلومتر جابجایی مثبت (Positive displacement)
• فلومتر ورتکس
• ونتوری

فلومترهای حجمی (توربینی)

در طرف مقابل، فلومترهای توربینی با استفاده از مفهوم چرخ توربین پلتون (Pelton turbine wheel) کار می‌کنند. هنگامی که جریان از دستگاه عبور می‌کند، با استفاده از یک نازل دقیق، روی دندانه‌های بسیار کوچک چرخ هدایت می‌شود. اندازه این نازل بر اساس محدوده جریان دستگاه است. سرعت چرخش چرخ توربین متناسب با جریان حجمی افزایش می‌یابد.

مزایای اندازه گیری جریان جرمی

استفاده از فلومتر جرمی به جای فلومتر حجمی، مزایای واضح و مشخصی دارد. هنگام استفاده از فلومتر حجمی، هزینه اضافی خرید و نصب تجهیزات اضافی برای اصلاح دما و فشار وجود دارد. همچنین محاسبات اضافی برای تبدیل جریان حجمی به جریان جرمی وجود دارد. علاوه بر این، اندازه‌گیری جریان جرمی برای ارائه داده‌هایی با قابلیت اطمینان‌ بیشتر، دقت بالاتر و تکرارپذیری بهتر نسبت به روش‌های جریان حجمی می‌باشد.

برای اندازه‌گیری هوای فشرده و گازهای فنی مانند آرگون، CO2 و نیتروژن، اندازه‌گیری جریان جرمی مزایای مشخصی نسبت به اندازه‌گیری جریان حجمی دارد.

نحوه عملکرد

فلومترهای جرمی و حجمی در نحوه عملکرد برای اندازه گیری جریان هم متفاوت هستند. در ادامه بر اصول عملکرد فلومترهای جرمی حرارتی و فلومترهای توربینی برای جریان حجمی، تمرکز خواهیم کرد.

کاربردهای رایج فلومتر جرمی

فلومتر جرمی اغلب برای نظارت یا کنترل فرآیندهای مرتبط با جرم (مانند واکنش‌های شیمیایی) استفاده می‌شود. از آنجا که این موارد، حیاتی‌ترین اندازه‌گیری‌های جریان در یک کارخانه هستند، قابلیت اطمینان و دقت اندازه گیری جریان جرم بسیار مهم است.

فلومترهای جرمی کوریولیس در کاربردهای مختلف در صنایع مختلف و همچنین در کاربردهای علمی – برای اندازه‌گیری گازها و مایعات خورنده و تمیز استفاده می‌شوند. این تجهیزات، دقت بالایی در اندازه گیری جریان جرم، اندازه‌گیری چگالی، اندازه گیری دما و ویسکوزیته ارائه می‌دهند.

فلومترهای حرارتی در صورتی که در حالت اختلاف دمای ثابت کار کنند، محدوده پذیری بالایی (10:1 تا 100:1) را فراهم می‌کنند. از طرف دیگر، اگر گرمای ورودی ثابت باشد، توانایی تشخیص تفاوت‌های دمایی بسیار کوچک محدود می‌شود و دقت و محدوده پذیری کاهش می‌یابد. در جریان‌های معمولی، خطاهای اندازه گیری معمولاً در محدوده 1-2٪ در مقیاس کامل هستند.

محدودیت‌های فلومتر جرمی چیست؟

فلومترهای جرمی می‌توانند محدوده پذیری بسیار بالا و دقت معقولی داشته باشند، اما محدودیت‌های جدی نیز دارند. فلومترهای جرمی کوریولیس به سرعت جریان بالا برای تشخیص نیاز دارند – و این منجر به افت فشار بالا می‌شود. کوریولیس مترها، در مقایسه با سایر فلومترها گران هستند و همچنین برای لوله‌هایی با اندازه بزرگ، در دسترس نیستند.

مشکلات بالقوه فلومتر جرمی حرارتی شامل تراکم رطوبت (در گازهای اشباع شده) در سنسور دما است. چنین تراکمی باعث می‌شود ترمومتر پایین بیاید و می‌تواند منجر به خوردگی شود. پوشش یا تجمع مواد روی سنسور نیز از انتقال گرما جلوگیری می‌کند و باعث می‌شود که اندازه‌گیری پایین باشد. همچنین دلایل احتمالی خطا عبارتند از: تغییر در گرمای ناشی از تغییرات در ترکیب گاز.

در این مقاله به فلومترهای جرمی یا مس فلومتر پرداختیم. اگر علاقه‌مند به دانستن بیشتر درمورد اندازه گیری جریان جرمی و فلومترهای جرمی می‌باشید، پیشنهاد می‌کنیم که حتما مقاله جامع را در این خصوص مطالعه نمایید. همچنین اگر نیاز به مطالعه بیشتر در زمینه اندازه گیری جریان جرمی دارید، پیشنهاد می‌کنیم که به لینک‌های زیر رجوع کنید.

https://www.omega.com/en-us/resources/thermal-mass-flow-meters

https://www.mcmflow.com/mass-flow-vs-volumetric-flow-meters/#:~:text=In%20mass%20flow%20meters%2C%20the,device%20over%20a%20given%20period.