مروری جامع بر مکانیسم عملکرد فلومتر کوریولیس به عنوان دقیق‌ترین فلومتر صنعتی

در دنیای اندازه‌گیری و کنترل جریان سیالات، دقت، قابلیت اطمینان و تکرارپذیری از اهمیت بالایی برخوردارند. یکی از پیشرفته‌ترین و دقیق‌ترین ابزارهای اندازه‌گیری که در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرد، فلومتر کوریولیس (Coriolis Flow Meter) است. اما این ابزار پیچیده چگونه کار می‌کند؟ در این مقاله قصد داریم به‌طور دقیق و علمی به بررسی مکانیسم عملکرد فلومتر کوریولیس بپردازیم و نشان دهیم چگونه از پدیده‌های فیزیکی بنیادی برای اندازه‌گیری جریان استفاده می‌کند.

اصل فیزیکی: اثر کوریولیس

مبنای عملکرد فلومتر کوریولیس، بر پدیده‌ای فیزیکی به‌نام اثر کوریولیس استوار است. اثر کوریولیس معمولاً در مقیاس‌های بزرگ مانند حرکت توده‌های هوایی و جریان‌های اقیانوسی به دلیل چرخش زمین مطرح می‌شود، اما در مقیاس کوچکتری نیز می‌توان از آن بهره برد.

وقتی یک جرم در یک سیستم دوار حرکت می‌کند، نیرویی به آن وارد می‌شود که باعث انحراف مسیرش می‌شود. این نیرو همان نیروی کوریولیس است. در فلومتر کوریولیس، از این اثر برای اندازه‌گیری جریان جرمی سیال استفاده می‌شود.

اجزای اصلی فلومتر کوریولیس

برای درک بهتر عملکرد این نوع فلومتر، باید ابتدا با ساختار کلی آن آشنا شویم. یک فلومتر کوریولیس از اجزای اصلی زیر تشکیل شده است:

1. لوله‌های جریان: ممکن است خمیده (U شکل یا S شکل) یا مستقیم باشند.
2. محرک ارتعاشی (Exciter): این بخش، لوله‌ها را به نوسان درمی‌آورد.
3. سنسورهای ارتعاشی: در دو سمت لوله قرار دارند و حرکت ارتعاشی را اندازه‌گیری می‌کنند.
4. واحد پردازش و الکترونیک: سیگنال‌های سنسورها را تحلیل می‌کند تا نرخ جریان جرمی، چگالی و دما را محاسبه کند.

مکانیسم عملکرد فلومتر کوریولیس

در حالت بدون جریان، لوله‌ها توسط محرک ارتعاشی به نوسان درمی‌آیند. در این حالت، سیگنال‌های سنسورهای ورودی و خروجی هم‌فاز هستند. اما هنگامی‌که سیال از لوله عبور می‌کند، اثر کوریولیس باعث تغییر در رفتار نوسانی لوله‌ها می‌شود.

اختلاف زمانی (اختلاف فاز)

در اثر جریان سیال و با اعمال ارتعاش به لوله ها توسط محرک، دو انتهای لوله با فاصله ی زمانی از هم حرکت می‌کنند. این اختلاف زمان که ناشی از نیروهای کوریولیس است، با نرخ جریان جرمی نسبت مستقیم دارد. هرچه سیال با سرعت بیشتری حرکت کند، این اختلاف فاز بزرگ‌تر خواهد بود. در حقیقت در فلومتر کوریولیس، با کالیبراسیون این اختلاف فاز است که قادر به محاسبه ی دبی جرمی سیال می شویم.

همان گونه که در شکل بالا نشان داده شده است، در نیمه‌ی اول چرخه‌ی ارتعاش که لوله در حال حرکت رو به بالا است، سیالی که وارد فلومتر می‌شود در برابر این حرکت مقاومت کرده و با اعمال نیرویی به سمت پایین بر لوله، سعی در حفظ مسیر خود دارد. در سوی دیگر، سیالی که در حال خروج از لوله است، با مقاومت در برابر کاهش سرعت عمودی خود، نیرویی رو به بالا به لوله وارد می‌کند.

نتیجه‌ی این رفتار ایجاد یک گشتاور پیچشی در لوله است. در نیمه‌ی دوم چرخه‌ی ارتعاش که لوله به سمت پایین حرکت می‌کند، پیچش در جهت عکس اتفاق می‌افتد.

این پیچش منجر به ایجاد اختلاف فاز (تأخیر زمانی) بین سمت ورودی و خروجی لوله می‌شود. میزان این اختلاف فاز مستقیماً با مقدار جرم عبوری از درون لوله متناسب است.

عملکرد فلومتر کوریولیس

برای عملکرد صحیح فلومتر کوریولیس، لوله‌هایی که سیال از درون آن‌ها عبور می‌کند باید به نوسان درآیند. این نوسانات کنترل‌شده، پایه‌ی اصلی اندازه‌گیری اثر کوریولیس هستند. روش تولید نوسان بسته به نوع طراحی فلومتر (خمیده یا مستقیم) تفاوت‌هایی دارد، که در ادامه توضیح داده می‌شود:

نحوه تولید نوسان

۱. نوسان در فلومترهای کوریولیس با لوله‌های خمیده

در مدل‌های سنتی‌تر فلومتر کوریولیس، از لوله‌های خمیده (مانند U شکل یا Ω شکل) استفاده می‌شود. ساختار این لوله‌ها باعث می‌شود که بتوان با تحریک مکانیکی، نوسانات پیچشی مؤثری ایجاد کرد.

مکانیزم تولید نوسان:

• یک محرک مرکزی (Exciter) در نقطه‌ی میانی خمیدگی قرار داده می‌شود.
• این محرک، لوله‌ها را با فرکانس خاصی (نزدیک به فرکانس طبیعی سیستم) به ارتعاش درمی‌آورد.
• ارتعاش معمولاً به‌صورت نوسان رفت‌وبرگشتی در صفحه‌ی عمود بر مسیر جریان انجام می‌شود.
• دو سنسور ارتعاشی در دو سوی لوله قرار دارند که زمان و فاز نوسان را اندازه‌گیری می‌کنند.
• هنگامی که سیالی از لوله عبور نمی‌کند، این دو نقطه به‌صورت هم‌زمان نوسان می‌کنند. اما در حضور جریان، اثر کوریولیس باعث می‌شود این نوسانات دارای انحراف فاز شوند.

ویژگی‌ها:

• پیچش لوله در اثر نیروهای کوریولیس بسیار واضح است.
• طراحی خمیده منجر به دقت بالا ولی نیاز به فضای بیشتر و فشار افت بالاتر می‌شود.

۲. نوسان در فلومترهای کوریولیس با لوله‌های مستقیم (Straight Tube)

مدل‌های مدرن‌تر از لوله‌های مستقیم استفاده می‌کنند که مزایایی چون کاهش فضای نصب، فشار افت کمتر و سهولت در شست‌وشو دارند. اما از نظر دینامیکی، تحریک نوسان در این مدل‌ها پیچیده‌تر است.

مکانیزم تولید نوسان:

• در این فلومترها، یک محرک الکترومغناطیسی در میانه‌ی طول لوله نصب می‌شود.
• این محرک‌ها لوله را به‌صورت خمشی (Bending mode) و نه پیچشی به نوسان درمی‌آورند.
• در این مدل، نوسان در امتداد عمود بر محور طولی لوله ایجاد می‌شود.
• دو سنسور در نزدیکی انتهای ورودی و خروجی لوله قرار دارند که تغییرات فاز را ثبت می‌کنند.
• مانند لوله‌های خمیده، در حالت بدون جریان، سیگنال‌ها هم‌فازند ولی در حالت جریان‌دار، اثر کوریولیس منجر به ایجاد اختلاف فاز می‌شود.

ویژگی‌ها:

• طراحی لوله مستقیم به‌دلیل یکنواختی جرم، پاسخ پایدارتری ارائه می‌دهد.
• تحلیل نوسانات در این نوع نیاز به الگوریتم‌های دقیق‌تری دارد.
• مناسب برای کاربردهایی است که نیاز به شست‌وشوی مداوم (CIP/SIP) دارند مانند صنایع غذایی و داروسازی.

نکته مهم در نصب

از آنجا که لوله‌های مستقیم در مقایسه با لوله‌های خمیده حساس‌تر به ارتعاشات محیطی هستند، نصب صحیح و پایدار آن‌ها اهمیت بالایی دارد. معمولاً توصیه می‌شود از پایه‌های ضد لرزش و تکیه‌گاه‌های مناسب استفاده شود تا سیگنال‌های اندازه‌گیری دچار نویز نشوند.

اندازه‌گیری چگالی و دما

جالب است بدانید که فلومتر کوریولیس علاوه بر نرخ جریان جرمی، قادر است چگالی و دمای سیال را نیز اندازه‌گیری کند. از آنجا که فرکانس طبیعی ارتعاش لوله‌ها به جرم آن‌ها وابسته است، با تغییر چگالی سیال، این فرکانس تغییر می‌کند. با تحلیل این فرکانس، چگالی سیال محاسبه می‌شود.

حسگر دمایی نیز درون فلومتر تعبیه شده تا تأثیر دما بر خواص مکانیکی لوله‌ها و سیال را جبران کند. این اندازه‌گیری‌ها امکان به‌کارگیری فلومتر کوریولیس در فرآیندهای پیچیده صنعتی مانند پتروشیمی، داروسازی و صنایع غذایی را فراهم می‌کند.

مزایای فلومتر کوریولیس

• دقت بسیار بالا (تا ±0.1٪)
• اندازه‌گیری مستقیم جریان جرمی
• توانایی اندازه‌گیری چگالی و دما
• قابل استفاده برای انواع مایعات، گازها
• عدم نیاز به قطعات متحرک داخلی
• مناسب برای شرایط سخت و فرآیندهای بهداشتی

نتیجه‌گیری

فلومتر کوریولیس با بهره‌گیری از اصل فیزیکی کوریولیس، قادر است جریان جرمی سیال را با دقت بالا و بدون وابستگی به شرایط محیطی اندازه‌گیری کند. طراحی‌های مختلف این فلومتر، از جمله مدل‌های با لوله مستقیم و خمیده، امکان به‌کارگیری آن را در طیف وسیعی از کاربردهای صنعتی و حساس فراهم کرده است. درک دقیق از نحوه عملکرد آن، به مهندسان کمک می‌کند تا بهترین انتخاب را در طراحی فرآیندهای اندازه‌گیری داشته باشند. فلومتر کوریولیس دقیق ترین نوع فلومتر استفاده شده در صنعت نسبت به دیگر فلومتر ها می باشد. قبلا در این مقاله دقت آن را در مقایسه با دیگر فلومتر ها به صورت کامل بررسی کرده ایم.

تماس با ما

برای اطلاعات بیشتر و دریافت مشاوره‌ی فنی در مورد فلومتر کوریولیس، می‌توانید با کارشناسان میکرومتریک در ارتباط باشید:

???? تلفن: tel:+984134260013
???? ایمیل: info@micrometric.ir