เนื้อหาวันที่ : 2011-12-09 11:07:25 จำนวนผู้เข้าชมแล้ว : 53573 views

Flow Instrumentation เครื่องมือวัดอัตราการไหล (ตอนที่ 1)

อุณหภูมิ เป็นพารามิเตอร์ที่สำคัญที่สุดในการวัดอัตราการไหล เนื่องจากมีผลกระทบต่อค่าของพารามิเตอร์อื่น ๆ ด้วย

Flow Instrumentation
เครื่องมือวัดอัตราการไหล (ตอนที่ 1)

มนตรี ไล้สมบูรณ์

          ในการวัดอัตราการไหลมีพารามิเตอร์ที่เกี่ยวข้องที่ต้องพิจารณา ดังนี้
          • อุณหภูมิ (Temperature)
          เป็นพารามิเตอร์ที่สำคัญที่สุด เนื่องจากมีผลกระทบต่อค่าของพารามิเตอร์อื่น ๆ ด้วย เช่น ค่า Density, Volume เป็นต้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งการวัดอัตราการไหล ของ Gas ดังนั้น วิธีการที่นิยมใช้เพื่อแก้ปัญหานี้คือ การวัด Flow Rate ในรูปของ Mass Flow Rate มากกว่าจะวัดแบบ Volumetric Flow Rate เพราะมวลจะไม่เปลี่ยนแปลงตามค่าของอุณหภูมิ

          • ความดัน (Pressure)
          ปกติการวัดค่าอัตราการไหลจะต้องบอกให้ทราบได้ด้วยว่าอยู่ในสภาวะอุณหภูมิและความดันเท่าไร โดยมีรูปแบบของการบอกเป็น 2 ลักษณะที่สำคัญ คือ

          - Standard Condition เช่น SCFM (Standard Cubic Feet per Minute) หมายถึง ค่า Flow Rate วัดได้นั้นมีสภาวะ T = 70 oF, P = 14.7 Psia (1 atm) เช่น Flow Rate ของ Compressed Air วัดได้ 10 CFM ที่ 70  oF, P = 8.5 bar หาก Convert ไปที่ SCFM จะมีค่ามากกว่า 10 ประมาณ 8.5 เท่า หรือประมาณ 85 SCFM เนื่องจากอากาศถูกอัดตัวจนมีความดัน และเมื่อไปเทียบในสภาวะ P = 1 atm ย่อมมีค่ามากขึ้นเพราะอากาศจะขยายตัวเสมือนกับปล่อยสู่บรรยากาศนั่นเอง

          - Normal Condition เช่น Nl/min (Normal litre per minute) หมายความว่ามี Flow Rate ที่สภาวะ T = 0 oC, P = 14.7 psia

          รูปแบบการวัด Flow Rate ทั้ง 2 นี้ จะใช้กับของไหลที่เป็น Gas สำหรับของเหลวนั้นถือว่าเป็น Incompressibility Fluid ซึ่งถือว่าไม่เปลี่ยนแปลงตามค่า P และ T

          • ความหนาแน่น (Density) 
          ของเหลว (Liquid) ถือว่าเป็น Incompressibility Fluid คือ อัดตัวไม่ได้ ดังนั้นค่าความดันจะไม่มีผลต่อค่าความหนาแน่น ยกเว้นที่แรงดันสูงมาก ๆ แต่ความหนาแน่นของของเหลวจะเปลี่ยนแปลงตามค่าอุณหภูมิ

          ก๊าซ (Gas) ถือว่าเป็น Compressibility Fluid คือสามารถอัดตัวได้ตามความดัน ดังนั้น ทั้งค่าอุณหภูมิและความดันจึงมีผลต่อค่าการวัดที่ใช้วัด Flow Rate ส่วนใหญ่แล้วจะเปลี่ยนแปลงจากการวัดแบบ Volumetric ไปเป็น Mass Flow Rate เสมอ โดยการชดเชยค่าความหนาแน่นตาม P และ T อย่างไรก็ตาม การวัดอัตราการไหลพื้นฐานคือ การวัด Volume/Time

          • ความหนืด (Viscosity)
          ของเหลว ค่าความหนืดต่ำลง เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น
          ก๊าซ ค่าความหนืดสูงขึ้น เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น

 Reynolde Number

         

          เมื่อ Rd คือ Reynolds Number หรือดัชนีบอกสภาพการไหลของของไหล
                     = Fluid Density
                    V  = Fluid Velocity in Pipe
                    d  = Pipe Diameter
                      = Fluid Viscosity

          ถ้า
          Rd อยู่ในช่วง 0 - 2000 สภาพการไหลเป็นแบบ Laminar Flow
          Rd อยู่ในช่วง 2001 - 4000 สภาพการไหลเป็นแบบ Transition Zone   คือ มีการไหล 2 แบบ คือ Laminar + Turbulent
          Rd มากกว่า 4001 สภาพการไหลเป็นแบบ Turbulent Flow โดยส่วนใหญ่จะเป็นการไหลแบบนี้ ซึ่งเป็นอุปสรรคต่อการวัด Flow Rate

ที่มา: หลักการและการใช้งานเครื่องมือวัดอุตสาหกรรม โดย สมศักดิ์ กีรติวุฒิเศรษฐ์, พิมพ์ครั้งที่ 18 -2546, ISBN 974-8325-148

ที่มา: Fundamental of Industrial Instrumentation and Process Control, William C. Dunn, McGrawhill, 2005, ISBN007-145-7356

ประเภทของ Flow Meter 
          ประเภทของ Flow Meter แบ่งได้เป็น 2 ชนิดคือ
          1. Energy Extractive Series ซึ่งแบ่งออกเป็น 2 รูปแบบคือ
          - Head Type ได้แก่ แบบ Orifice Plate, Venturi, Nozzle , Pitot Tube, Annubar, Elbow Tap, Weir, Flume, Rotameter เป็นต้น
          - Pulse Type ได้แก่ Oval Gear, Turbine, Propeller, Coriolis, Cup Anemometer, Vortex เป็นต้น

ที่มา: Fundamentals of Flow Measurement, Joseph P. DeCarlo, The Foxboro Company, Massachusetts, Instrument Society of America 1984, ISBN -087-664-6275

          2. Additive Energy Series แบ่งออกเป็น 3 รูปแบบ คือ
          - Magnetic Type (Magnetic Flow Meter)
          - Sonic Type (Ultrasonic Flow Meter)
          - Thermal Type

Basic Terminology
          Flow Meter ประกอบด้วย 2 ส่วน คือ Primary Element or Primary Device (Sensing Element) และ Secondary Element  ทั้ง 2 ส่วนประกอบเข้าด้วยกันจึงเรียกว่า Flow Meter

Typical Terminology
ที่มา:
Fundamentals of Flow  Measurement, Joseph P. DeCarlo, The Foxboro Company, Massachusetts, Instrument  Society of America 1984, ISBN -087-664-6275

          Flow Rate 
          Q   =   VA เป็น Volumetric Flow Rate
          M   =   AV     เป็น Mass Flow Rate
          Stagnation Pressure
          Total Energy  = Potential Energy + Kinetic Energy
          Stagnation Pressure = Static Pressure + Dynamic Pressure

         

Theory of Differential Pressure Flow Meter

ที่มา: Fundamentals of Flow Measurement, Joseph P. DeCarlo, The Foxboro Company, Massachusetts, Instrument  Society of America 1984, ISBN -087-664-6275

ตามสมการ Bernoulli จะได้
         

          จากสมการ (1) – (6) มีสมมติฐานคือ ไม่มีการสูญเสียพลังงาน แต่ในทางปฏิบัติแล้วเป็นไปไม่ได้ ย่อมมีการสูญเสียพลังงานที่เกิดขึ้นเสมอ ในรูปแบบของ Friction Loss ทำให้ค่า P (Actual) มีค่าสูงกว่า P (Theoretical) เสมอ และจากสมการ (6) จะได้ค่า V1 (Theoretical) สูงกว่า V1 (Actual) จึงได้มีการกำหนดค่าอัตราส่วนระหว่างค่า Actual กับค่าทาง Theoretical เรียกว่า Discharge Coefficient (Cd)


          สมการ (7), (8) จะใช้กับ Primary Element ที่เป็น Orifice Plate, Nozzle, Venturi โดยมีค่า Cd ประมาณ 0.6, 0.75 จนถึง, 0.98 ตามลำดับ จะเห็นได้ว่า Venturi จะสูญเสียความดันน้อยที่สุด

          A. Energy Extractive Series
          Primary Element ที่เป็นแบบ Head Type (Orifice Plate, Venturi, Nozzle, Pitot Tube, Annubar, Weir, Flume)

          Orifice Plate มี 4 รูปแบบ คือ
          - Concentric Orifice เป็นแบบที่นิยมใช้งานมากที่สุด
          - Eccentric Orifice
          - Segmental Orifice
          - Quadrant  Edge Orifice
          - Square Orifice 

ที่มา: INDUSTRIAL INSTRUMENTATION AND CONTROL (SECOND EDITION), SK SINGH, ISBN 007-048-290X, McGraw-Hill

ที่มา: EGAT DWG. NO. KBTP-1-CTM-C7001 REV.2, Hitachi Ltd. Tokyo, Japan 2002

          Orifice เป็น Flow Meter ชนิด Differential Pressure Flow Meter หรือรู้จักกันในอีกชื่อว่า Head Meter Differential Pressure Flow Meter โดย Orifice  flow meter ประกอบด้วย Flat Plate ที่มีรูลักษณะเป็นวงกลมมีเส้นผ่าศูนย์กลางเล็กกว่าเส้นผ่าศูนย์กลางของ Pipe หรือ Duct ที่ติดตั้งอยู่ (ตั้งแต่ 10% - 80% ของ Pipe Diameter) อัตราส่วนของเส้นผ่าศูนย์กลางรู Orifice และเส้นผ่าศูนย์ท่อเรียกว่า Bata Ratio ซึ่งใช้เป็นข้อมูลสำคัญในการคำนวณ เพื่ออกแบบ Orifice (เพราะขนาดของ Bata Ratio  มีผลต่อค่า Differential Pressure

          ในการติดตั้ง Orifice Plate ส่วนใหญ่นิยมใช้ Pipe Flange ในการติดตั้งและสัญญาณ Differential Pressure จะถูก Tap ออกมาจาก Pipe ซึ่งระยะห่างระหว่าง Differential Pressure Tap และ Orifice Plate จะขึ้นอยู่กับการออกแบบ โดยทั่วไป Orifice Plate จะมี Accuracy เหมาะสมกับราคา อย่างไรก็ตาม Orifice Plate ง่ายต่อการเสียหายอันเนื่องมากจากของแข็งที่อาจไหลปนมาจาก Process Fluid ซึ่งทำให้ Accuracy เสียไปด้วย

          หลักการทำงานของ Orifice Plate Flow Meter  โดยเมื่อของไหลไหลผ่าน Orifice จะเกิดการเปลี่ยนแปลงพื้นที่ของการไหลอย่างทันทีทันใดบริเวณ Orifice จะทำให้ของเหลว ไหลไม่เต็มท่อทั้งด้าน Upstream (ด้านหน้า) และ Downstream (ด้านหลัง)

โดยขณะเดียวกัน Pressure ด้าน Downstream จะลดลงเรื่อย ๆ มีสาเหตุมาจาก Friction และ Viscosity ของของไหลในขณะที่ของไหล ไหลผ่าน Orifice ไปแล้วนั้น Pressure จะเพิ่มขึ้นทันทีทันใดบริเวณด้านหน้าของ Orifice จากนั้น Pressure จะลดลงอย่างรวดเร็ว

เมื่อ Fluid ไหลผ่าน Orifice และยังคงลดลงต่อไปจนถึงตำแหน่งที่ Pressure ลดลงต่ำสุด เช่นเดียวกับขนาดของ Fluid Jet  จะลดลงเรื่อย ๆ จนถึงตำแหน่งต่ำสุดเช่นกัน ซึ่งตำแหน่งดังกล่าวเรียกว่า Vena Contracta จากนั้นขนาดของ Fluid Jet และ Pressure จะเพิ่มขึ้น  แต่ไม่เท่ากับ P1 เนื่องจากมีการสูญเสียพลังงานเกิดขึ้น

ที่มา: Control Valve Handbook, 3rd Edition, FISHER Controls International LLC, USA

          สัญญาณ Differential Pressure ที่เกิดจากของไหลไหลผ่าน Orifice Plate จะถูกส่งผ่านทาง Pressure Tap ทั้งทางด้าน Upstream และ Downstream ของ Orifice Plate ซึ่งตำแหน่งของ Upstream Pressure Tap ส่วนใหญ่มีระยะห่างจาก Orifice Plate ประมาณ 1 เท่า Pipe Diameter

ส่วนค่า Downstream Pressure จะแตกต่างกันขึ้นกับระยะห่างจาก Orifice Plate และตำแหน่งที่ดีที่สุดคือตำแหน่งที่ Fluid Jet มีการหดตัวมากที่สุดหรือ Vena Contracta ซึ่งตำแหน่งนี้จะแตกต่างกันขึ้นกับค่า Orifice Beta Ratio ซ่งแสดงตำแหน่งของ Downstream Pressure Tap ที่ใช้โดยทั่วไปและด้าน Upstream ซึ่งขึ้นอยู่กับรูปแบบของ Orifice Plate

          ความเกี่ยวพันธ์ระหว่าง Differential Head และอัตราการไหลของของไหล โดยการเปลี่ยนแปลง Velocity Head ของของไหลขณะไหลผ่าน Orifice ซึ่งพิจารณาจาก General Energy Equation of Thermodynamic โดยสมมุติว่าไม่มี Internal Fluid Friction

ดังนั้น Differential Pressure ที่เกิดขึ้นจริงจะน้อยกว่าที่ได้ตามทฤษฎี ซึ่งในความเป็นจริงจะมี Internal Fluid Friction, External Fluid Friction และ Contraction of the Orifice Discharge Jet ซึ่งค่าต่าง ๆ เหล่านี้รวมเป็น Factor ตัวหนึ่งเรียกว่า Discharge Coefficient or Orifice Coefficient (Cd) ชึ่งจะใช้คำนวณหาค่าอัตราการไหลต่อไป

ที่มา: Instrumentation for engineering measurement (second edition), JAMES W. DALLY, WILLIAM F.RILEY, KENNETH G. McConnell 1993, ISBN 0471-551-929

          ค่า Cd ปกติจะเปิดหาค่าจากตาราง โดยมีหลายตารางขึ้นอยู่กับรูปแบบของ Orifice และ Pipe Size Diameter

          • รูปแบบของ Orifice
          Concentric Orifice
หรือ แบบศูนย์กลางร่วม แผ่น Orifice แบบนี้เป็นแบบที่ง่ายในการสร้างและใช้กันอย่างมาก ลักษณะแผ่น Orifice เป็นแผ่นโลหะมีรูกลมอยู่ตรงกลาง ซึ่งเป็นศูนย์กลางร่วมกับท่อด้วย ผิวหน้าด้านหนึ่งจะเรียบตั้งฉากกับแกนของท่อ ส่วนอีกด้านหนึ่งจะบานออกเอียงทำมุมกับผิวหน้าประมาณ 45 องศา โดยของไหลจะไหลเข้าด้านที่เรียบตั้งฉาก การติดตั้งจะต้องไม่สลับด้านกัน มิฉะนั้นจะไม่สามารถวัดค่าได้ (ค่าติดลบ) อย่างไรก็ตามบริษัทผู้ผลิตจะทำการ Mark เป็นตัวอักษรไว้ที่ Orifice Plate แล้ว เพื่อป้องกันการติดตั้งสลับด้าน เป็นแบบมาตรฐานที่ใช้งานทั่วไป

ที่มา: Flow Meter Engineering Handbook, Third Edition 1961, C.F. Cusick Engineering Department, Minnepolis -Honeywell Regulator Company, Brown Instruments Division, Philadelphia, Pennsylvania, USA

           ปัจจุบัน Orifice แบบนี้ได้มีการพัฒนารูปแบบไปจากเดิมคือ มีการเจาะรูเพื่อให้ Fluid ไหลผ่านถึง 4 รู และไม่มีรูระบายอากาศ Vent และ Drain เนื่องจากรูทั้ง 4 ทำหน้าที่ช่วยระบายและ Drain ไปในตัว

ที่มา: Rosemount Measurement Technologies Catalog, USA, www.emersonprocess.com/rosemount

          ข้อดี ประการหนึ่งของการเจาะรู 4 รู คือ ลดขนาด Straight Pipe Run ลงได้ ทำให้ประหยัดค่าใช้จ่าย และหาตำแหน่งติดตั้งได้ง่ายกว่า

          Eccentric Orifice หรือ แบบเยื้องศูนย์ แผ่น Orifice จะเป็นรูกลมเหมือนกับแบบ Concentric แต่จุดศูนย์กลางของรูจะเยื้องกับเส้นผ่าศูนย์กลางของ Orifice โดยรูจะค่อนลงมาทางด้านล่างหรือด้านบนของแผ่นประมาณ 98% ของขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางของท่อ โดยทั่วไปแล้วปลายด้านล่างมักจะออกแบบให้มีระดับเสมอกับผนังท่อ และจุดที่เสมอกับผนังท่อมักจะอยู่ตรงข้ามกับแนวเส้นผ่าศูนย์กลางของ Pressure Tap

ทั้งนี้เพื่อแก้ปัญหาเกี่ยวกับสารแขวนลอยหรือตะกอนที่ปะปนมากับของไหล อย่างไรก็ตามการวัดอัตราการไหลแบบนี้มีความผิดพลาดมากกว่าแบบ Concentric ซึ่ง Orifice แบบนี้เหมาะสำหรับของไหลที่มีลักษณะดังนี้
          - มีสารแขวนลอย (Solid Particle) ปนกับของไหล
          - น้ำมันที่มีน้ำผสมอยู่ด้วย
          - Wet Steam เป็นต้น

          Segmental Orifice หรือ แบบเสี้ยววงกลม แผ่น Orifice แบบนี้ช่องทางไหลเข้าของของไหลจะถูกเจาะเป็นส่วนหนึ่งของวงกลม (Segment) และช่องอาจถูกตัดทั้งด้านหรือด้านล่างก็ได้ เหมาะสำหรับใช้วัดอัตราการไหลของของไหลที่มีปัญหาเช่นเดียวกับ Concentric Orifice อนึ่งที่จุดคอดที่สุดของลำของไหล (Vena Contracta) จะอยู่ห่างออกไปมากกว่าแบบ Eccentric Orifice

          Quadrant Edge ช่องของ Orifice เป็นแบบศูนย์กลางร่วมกับท่อ แต่การบานออกของ Orifice แตกต่างกันไปบ้างคือด้าน Upstream จะมีความโค้งมนเป็น 1/4 ของวงกลม (Quadrant) Orifice แบบนี้จะทำให้ค่า Cd (Coefficient of Discharge) คงที่ที่ค่า Reynold Number ต่ำ ๆ ประมาณ 3000 หรือ 5000 ถึง 100000 ขึ้นอยู่กับ Beta Ratio

          Orifice แบบนี้เหมาะสำหรับใช้กับของเหลวที่มีความหนืดสูง เช่น Heavy Oil (น้ำมันเตา), Crude Oil (น้ำมันดิบ), Slurry, Syrup (น้ำเชื่อม) เป็นต้น เป็นแบบที่ใช้งานกับของไหลที่มีค่า Reynold Number ต่ำ ๆ

ที่มา: EGAT DWG. NO. KBTP-1-CTM-C7001 REV.2, Hitachi Ltd. Tokyo, Japan 2002

ที่มา: Flow Meter Engineering Handbook, Third Edition 1961, C.F. Cusick Engineering Department, Minnepolis -Honeywell Regulator Company, Brown Instruments  Division, Philadelphia, Pennsylvania, USA

ที่มา: Fundamentals of Flow Measurement, Joseph P. DeCarlo, The Foxboro Company, Massachusetts, Instrument Society of America 1984, ISBN -087-664-6275

          Square Orifice ใช้กับท่อที่มีพื้นที่หน้าตัดเป็น 4 เหลี่ยม เช่น ท่อจ่ายลมระบบปรับอากาศ

ที่มา: EGAT DWG. NO. KBTP-1-CTM-C7001 REV.2, Hitachi Ltd. Tokyo, Japan 2002

 

สงวนลิขสิทธิ์ ตามพระราชบัญญัติลิขสิทธิ์ พ.ศ. 2539 www.thailandindustry.com
Copyright (C) 2009 www.thailandindustry.com All rights reserved.

ขอสงวนสิทธิ์ ข้อมูล เนื้อหา บทความ และรูปภาพ (ในส่วนที่ทำขึ้นเอง) ทั้งหมดที่ปรากฎอยู่ในเว็บไซต์ www.thailandindustry.com ห้ามมิให้บุคคลใด คัดลอก หรือ ทำสำเนา หรือ ดัดแปลง ข้อความหรือบทความใดๆ ของเว็บไซต์ หากผู้ใดละเมิด ไม่ว่าการลอกเลียน หรือนำส่วนหนึ่งส่วนใดของบทความนี้ไปใช้ ดัดแปลง โดยไม่ได้รับอนุญาตเป็นลายลักษณ์อักษร จะถูกดำเนินคดี ตามที่กฏหมายบัญญัติไว้สูงสุด