فلومترهای حرارتی که با عنوان فلومتر جرمی انتشار (dispersion) یا شناوری (immersible) حرارتی نیز شناخته میشوند، شامل خانوادهای از ابزارهایی میشوند که برای اندازهگیری کل جریان جرمی سیالات، به ویژه گازهایی که درون مجاری بسته جریان می یابند، به کار میروند.
نوع دیگری از فلومترهای حرارتی، فلومتر لوله مویرگی است. بسیاری از کنترلرهای جرمی جریان (MFC) که از مجموعهای مرکب از یک فلومتر جرمی، اجزای الکترونیکی و یک شیر بهره میگیرند، مبتنی بر این طراحی هستند. علاوه بر این، یک فلومتر حرارتی جرمی را میتوان بر مبنای اندازهگیری تفاضل دما در یک تراشه MEMS پایه-سیلیکونی، تعبیه کرد.
بهرهگیری از این روش کار در فلومترهای حرارتی جرمی، منتسب به L.V. King است که در سال ۱۹۱۴ قانون معروف خود با نام قانون King را منتشر کرد و در آن نشان داد که چگونه یک سیم حرارت دیده غوطهور درون یک سیال، سرعت جرمی جریان در یک نقطه از آن را اندازهگیری میکند. کینگ (King) این ابزار را “بادسنج سیم داغ” نامید. با این حال، تا دهههای ۱۹۶۰ و ۱۹۷۰، از نمونههای صنعتی فلومترهای حرارتی، رونمایی نشد.
هر دو نوع فلومتر حرارتی که پیشتر به آنها اشاره شد، جریان جرمی سیال را با استفاده از گرمای منتقل شده از یک سطح گرم به سیال جاری، اندازهگیری میکنند. در فلومترهای حرارتی از نوع انتشار و شناوری حرارتی، حرارت به لایه مرزی سیال که روی سطح گرم جاری است، منتقل میشود. این در حالی است که در فلومتر حرارتی نوع لوله مویرگی، گرما به تودهای از سیال که از درون یک لوله نازک حرارتدیده، عبور میکند، منتقل میشود. اصول عملکرد هر دو نوع فلومتر حرارتی، اساساً حرارتی است اما تفاوتهای آنها به گونهای است که دو استاندارد جداگانه برای آنها، مورد نیاز است. علاوه بر این، کاربردهای آنها نیز بسیار متفاوت است. فلومترهای انتشار حرارتی، معمولاً برای کاربردهای صنعتی مرتبط با جریان گاز در لولهها و کانالها استفاده میشود، در حالی که انواع مویرگی فلومتر حرارتی، عمدتاً برای جریانهای کوچکتر گازها و مایع تمیز در لولهها استفاده میشود. با وجود استفاده گسترده نمونه لوله میرگی در صنعت، این مقاله بدان نمیپردازد.
محدودیتهای فلومتر حرارتی
- کاربرد عمده آن برای گازهاست
- نیاز به مقاطع ورودی و خروجی
مزایای فلومتر حرارتی
- اندازهگیری مستقیم دبی جریان گاز
- عدم نیاز به تصحیح دما و فشار
- افت فشار بسیار کم
- دقت اندازهگیری زیاد
- بازه بزرگ اندازهگیری
- عدم به کارگیری قطعات متحرک
- ساختار محکم
- زمان پاسخ کوتاه
- سهولت استریل کردن
کاربرد صنعتی فلومتر حرارتی
دلیل اصلی به کارگیری فلومترهای حرارتی در کاربردهای صنعتی، شیوه طراحی و ساخت آنهاست. این فلومترها هیچ قطعه متحرکی ندارند، تقریباً باعث هیچ انسدادی در مسیر مستقیم جریان نمیشوند، نیاز به تصحیح دما یا فشار ندارند و در طیف گستردهای از دبی جریان، دقت مناسب دارند.
اصول کار فلومتر حرارتی
فلومتر حرارتی از خواص حرارتی سیال برای اندازهگیری دبی جریان سیال جاری درون لوله یا کانال استفاده میکند. در یک فلومتر حرارتی معمولی، یک مقدار مشخص و اندازهگیری شده حرارت به گرمکن حسگر (سنسور) داده میشود. بخشی از این حرارت به سیال، داده میشود. با افزایش جریان، گرمای بیشتری از دست میرود. مقدار گرمای از دست رفته با اندازهگیری دما در حسگرها (سنسورها) احساس میشود. ترنسمیتر فلومتر حرارتی، از حرارت ورودی و اندازهگیری دما برای تعیین جریان سیال استفاده میکند. اکثر فلومترهای حرارتی، برای اندازهگیری دبی جریان گازی استفاده میشوند. فلومترهای حرارتی، ۲٪ از فروش جهانی فلومترها را به خود اختصاص میدهند.
با این حال، در برخی کاربردها، خواص حرارتی سیال میتواند وابسته به ترکیب آن باشد. در این کاربردها، ترکیب متغیر سیال حین عملیات، میتواند اندازهگیری حرارتی جریان را تحتالشعاع قرار دهد. بنابراین، برای تأمینکننده فلومتر حرارتی، دانستن ترکیب سیال، مهم است تا ضریب کالیبراسیون مناسب برای تعیین دقیق دبی جریان، مورد استفاده قرار گیرد. به خاطر این محدودیت، فلومترهای حرارتی، به طور معمول برای اندازهگیری دبی جریان گازهای خنثی، استفاده میشوند. تأمینکنندگان میتوانند اطلاعات کالیبراسیون مناسب برای سایر مخلوطهای گازی را ارائه دهند، با این حال دقت فلومتر حرارتی بستگی به این دارد که مخلوط گاز مورد اندازهگیری، تا چه حد به همان مخلوط گازی مورد استفاده در کالیبراسیون، نزدیک است. به عبارت دیگر، دقت یک فلومتر حرارتی که برای یک مخلوط گاز مشخص، کالیبره شده، در صورتی که جریان گاز واقعی متفاوت از گاز کالیبراسیون باشد، کاهش خواهد یافت.مقدار گرمای از دست رفته از حسگر (سنسور) به طراحی حسگر (سنسور) و خواص حرارتی سیال بستگی دارد. خواص حرارتی سیال، متأثر از فشار و دمای آن است. با این حال، تغییر این خواص، در اکثر کاربردهای معمول، ناچیز است. در این کاربردها که در آنها خواص حرارتی سیال، معلوم و در طول عملیات، نسبتاً ثابت است، فلومترهای حرارتی را میتوان برای اندازهگیری جریان جرمی سیال استفاده کرد، زیرا اندازهگیری حرارتی جریان وابسته به فشار یا دمای مایع نیست.