การวัดอัตราการไหลด้วยแผ่นออริฟิส
(Orifice Flow Meter Application)
ทวิช ชูเมือง
t_chumuang@yahoo.com

   อัตราการไหลเป็นตัวแปรหลัก ๆ ในอุตสาหกรรมกระบวนการผลิตประเภทต่าง ๆ ทั้งในอุตสาหกรรมการกลั่นน้ำมันและปิโตรเคมี รวมไปถึงอุตสาหกรรมเกี่ยวกับก๊าซธรรมชาติ ที่ต้องมีการควบคุมและแสดงค่าบนหน่วยแสดงผลของระบบควบคุมพื้นฐาน 

   อุปกรณ์เครื่องมือวัดที่จะนำไปใช้วัดอัตราการไหลนั้นมีอยู่ด้วยกันหลายชนิด การเลือกใช้งานประเภทใดนั้นขึ้นอยู่กับลักษณะและข้อจำกัดในการนำไปใช้งาน แต่จะมีการนำเอาอุปกรณ์การวัดอัตราการไหลชนิดหนึ่งที่จะใช้เป็นพื้นฐานหรือมีใช้งานกันอยู่ทั่วไปในการวัดอัตราการไหลคือ การวัดอัตราการไหลด้วยแผ่นออริฟิส (Orifice Flow Meter) 

   หลักการทำงานพื้นฐานของการวัดอัตราการไหลแบบนี้ได้มีการนำเสนอกันบ่อยครั้ง ในการนำเสนอแต่ละบทความส่วนมากจะกล่าวไปในรายละเอียดของหลักการในการวัดอัตราการไหลโดยใช้แผ่นออริฟิส ซึ่งยังไม่สามารถนำไปใช้งานในการกำหนดรายละเอียดของอุปกรณ์การวัดอัตราการไหลได้กับการใช้งานจริง การกำหนดรายละเอียดเพื่อนำไปจัดหาอุปกรณ์การวัดอัตราการไหลด้วยแผ่นออริฟิสเพื่อนำไปติดตั้งในกระบวนการผลิตนั้นจะต้องมีอุปกรณ์และตัวแปรอื่น ๆ ที่ต้องพิจารณาร่วมกันไป 

   ดังนั้นในบทความนี้จะกล่าวถึงการกำหนดรายละเอียดของอุปกรณ์การวัดการไหลด้วยแผ่นออริฟิสและอุปกรณ์ที่เกี่ยวข้อง แสดงรายละเอียดในการนำไปติดตั้ง การต่ออุปกรณ์การวัดเข้ากับระบบควบคุมพื้นฐาน เพื่อใช้เป็นหลักการเบื้องต้นในการเลือกใช้การวัดอัตราการไหลด้วยแผ่นออริฟิสสำหรับนำไปใช้งานอย่างเหมาะสม

การวัดอัตราการไหลด้วยแผ่นออริฟิส 
จากการค้นพบที่ว่า เมื่อมีการไหลผ่านส่วนของท่อที่มีพื้นที่หน้าตัดที่ลดลง ทำให้ความดันของไหลในท่อหลังจากผ่านส่วนที่มีพื้นที่หน้าตัดที่ เล็กกว่านั้นจะมีค่าลดลง และความแตกต่างของความดันที่เกิดขึ้นนี้จะเป็นสัดส่วนแบบรากที่สอง (Square Root) กับอัตราการไหล ซึ่งปรากฏการณ์ดังกล่าวแสดงได้ดังรูปที่ 1

 

รูปที่ 1 การไหลผ่านแผ่นออริฟิส

 

จากรูปที่ 1 สามารถเขียนสมการการไหลจุดที่ 1 และ จุดที่ 2 ได้ดังนี้

               

แผ่นออริฟิส (Orifice Plate)
   แผ่นออริฟิสมีลักษณะเป็นแผ่นโลหะที่มีรูไว้สำหรับให้ของไหลผ่าน ในการติดตั้งจะถูกติดตั้งอยู่ระหว่างหน้าแปลน (Orifice Flange) ของท่อในลักษณะตั้งฉากกับกระแสการไหล เนื่องจากมีการจัดทำได้ง่ายและมีราคาถูก จึงทำให้มีการใช้งานกันอย่างแพร่หลาย นอกจากนั้นแล้วยังมีความเชื่อถือในการวัดอัตราการไหลเป็นอย่างดี แผ่นออริฟิสสามารถทำขึ้นจากวัสดุได้หลายชนิด รวมทั้งวัสดุที่ทนทานต่อการกัดกร่อนจากของไหลที่นำไปใช้งาน เช่น 316 Stainless Steel, Monel หรือ Inconel Orifice Plate ลักษณะพื้นฐานของแผ่นออริฟิสตามมาตรฐาน ISO 5167 สามารถแสดงได้ดังรูปที่ 2

รูปที่ 2 แผ่นออริฟิสมาตรฐาน

                

 
   ตามมาตรฐาน ISO 5167 ค่าความหนา e ของแผ่นออริฟิสจะอยู่ระหว่าง 0.005D ถึง 0.02D และ ค่าความหนา E จะอยู่ระหว่างขนาดความหนา e ถึง 0.05D โดยทั่วไปแล้ว ขนาดรูที่แผ่นออริฟิส จะแสดงในรูปอัตราส่วนระหว่าง เส้นผ่าศูนย์กลางรูกับเส้นผ่าศูนย์กลางภายในของท่อหรือ ค่า ( = d/D ซึ่งปกติจะมากกว่าหรือเท่ากับ 0.20 และ น้อยกว่าหรือเท่ากับ 0.75

   ข้อดีของการใช้แผ่นออริฟิสในการวัดอัตราการไหลคือ สะดวกในการติดตั้ง, ราคาถูก, มีแบบและวัสดุหลายชนิดให้เลือกใช้ ข้อเสีย คือ จะมีความไวต่อความเสียหายเมื่อเลือกใช้วัสดุไม่เหมาะสมเนื่องจากแผ่นออริฟิสเป็นแผ่นโลหะที่ต้องสัมผัสกับกระแสการไหลอยู่ตลอดเวลา ซึ่งจะทำให้อาจโค้งงอหรือสึกหรอได้ง่าย และต้องการระยะท่อที่เป็นทางตรง (Straight Run) มากกว่าแบบอื่น

   แผ่นออริฟิสมีหลายแบบให้เลือกใช้ขึ้นอยู่กับลักษณะการใช้งาน ดังนี้ Concentric, Eccentric, Segmental และ Quadrant Orifice Plate

- Concentric Orifice Plate หรือ Square Edge
เป็นชนิดพื้นฐานของแผ่นออริฟิสและสามารถนำไปใช้กับของไหลได้เกือบทุกประเภท ยกเว้นของไหลที่มีสารแขวนลอย, มีส่วนผสมของสิ่งสกปรกหรือของแข็ง และของไหลที่มีความหนืดสูง

  จุดต่อสำหรับวัดค่าความดันความแตกต่างจากแผ่นออริฟิส สามารถใช้ได้หลายแบบดังนี้ แบบต่อที่หน้าแปลน (Flange Taps), แบบต่อที่จุด Vena Contrcta (Vena Contrcta Taps) และแบบต่อที่จุด Corner (Corner Taps) ลักษณะของแผ่นออริฟิสชนิดนี้สามารถแสดงได้ดังรูปที่ 3

รูปที่ 3 Concentric Orifice Plate

 
- Eccentric Orifice Plate
แผ่นออริฟิสแบบนี้จะมีรูเยื้องลงมาทางด้านล่างของแผ่นออริฟิสที่ติดตั้งอยู่ภายในท่อ เพื่อลดการตกค้างของสารแขวนลอยหรือการตกตะกอนที่บริเวณด้านหน้าของแผ่นออริฟิส ซึ่งจะเหมาะสมกับของไหลที่มีสารแขวนลอย, มีส่วนผสมของสิ่งสกปรกหรือของแข็ง

   จุดต่อสำหรับวัดค่าความแตกต่างของความดันสามารถใช้ได้ทั้งแบบ แบบต่อที่หน้าแปลน (Flange Taps) และ แบบต่อที่จุด Vena Contrcta (Vena Contrcta Taps) ลักษณะของแผ่นออริฟิสชนิดนี้สามารถแสดงได้ดังรูปที่ 4

รูปที่ 4 Eccentric Orifice Plate

- Segmental Orifice Place
แบบนี้จะมีลักษณะและการใช้งานคล้ายกับแบบ Eccentric Orifice Plate แต่จะมีช่องเป็นครึ่งวงกลม ลักษณะของแผ่นออริฟิสชนิดนี้สามารถแสดงได้ดังรูปที่ 5

รูปที่ 5 Segmental Orifice Plate

- Quadrant Orifice Plate
แผ่นออริฟิสแบบนี้รูทางด้านเข้าจะเอียงประมาณ 1/4 ของวงกลม และเหมาะสมที่จะนำไปใช้กับของไหลที่มีความหนืดสูง ๆ หรือ มีค่า Reynolds ต่ำ

จุดต่อสำหรับวัดค่าความแตกต่างของความดันสามารถใช้ได้หลายแบบดังนี้ แบบต่อที่หน้าแปลน (Flange Taps), แบบต่อที่จุด Vena Contrcta (Vena Contrcta Taps) และแบบต่อที่จุด Corner (Corner Taps) ลักษณะของแผ่นออริฟิสชนิดนี้สามารถแสดงได้ดังรูปที่ 6

รูปที่ 6 Quadrant Orifice Plate

 

จุดต่อสำหรับวัดค่าความดันความแตกต่าง (Pressure Tappings)
ในการใช้งานแผ่นออริฟิสสำหรับวัดอัตราการไหลจะต้องมีจุดต่อสำหรับใช้วัดค่าความดันความแตกต่าง ทางด้านหน้า (Upstream) และด้านหลัง (Downstream) อย่างน้อยด้านละหนึ่งจุด เพื่อใช้สำหรับต่อไปยังอุปกรณ์วัดความดันแตกต่าง (Differential Pressure Transmitters) ที่ใช้วัดค่าความดันความแตกต่างที่เกิดจากแผ่นออริฟิส สามารถแบ่งลักษณะจุดต่อได้ 3 แบบ ดังนี้

1. จุดต่อที่หน้าแปลน (Flange Taps)
 จุดต่อแบบนี้จะอยู่ที่หน้าแปลน ซึ่งวัดจากด้านหน้าและด้านหลังของแผ่นออริฟิส ออกไปด้านละ 25.4 มิลลิเมตร โดยระยะอาจเปลี่ยนแปลงได้เล็กน้อยขึ้นอยู่กับ ค่า ( ของแผ่นออริฟิสที่เลือกใช้ โดยมีข้อกำหนดดังนี้

             

รูปที่ 7 Flange Taps

ข้อจำกัดในการใช้จุดต่อแบบนี้เป็นดังนี้

2. จุดต่อที่ระยะ D และ 0.5D (Vena Contracta Taps)

จุดต่อแบบนี้จะอยู่ที่ท่อแทนที่จะอยู่ที่หน้าแปลนเหมือนกับแบบแรก ซึ่งวัดจากด้านหน้าของแผ่นออริฟิสออกไปที่ระยะ 1D และด้านหลังของแผ่นออริฟิสออกไปที่ระยะ 0.5D โดยระยะอาจเปลี่ยนแปลงได้เล็กน้อยขึ้นอยู่กับ ค่า ( ของแผ่นออริฟิสที่เลือกใช้ โดยมีข้อกำหนดดังนี้
    
                                

รูปที่ 8 Vena Contracta Taps

ข้อจำกัดในการใช้จุดต่อแบบนี้จะเหมือนกับแบบจุดต่อที่หน้าแปลน

 
3.  จุดต่อที่ Corner (Corner Taps)
 จุดต่อแบบนี้อยู่ที่หน้าแปลน ซึ่งจะติดกับแผ่นออริฟิส ทั้งด้านหน้าและด้านหลัง

รูปที่ 9 Corner Taps

ข้อจำกัดในการใช้จุดต่อแบบนี้เป็นดังนี้

                                

 ค่า Reynolds Number (ReD )
    
ค่าที่ใช้บอกลักษณะการไหลในท่อเป็นแบบใด สามารถแสดงได้ดังสมการที่ (4)
                                 

ค่าที่ได้จากสมการจะเป็นค่าที่บอกลักษณะการไหลดังนี้
    
           

รูปที่ 10 ลักษณะการไหลในท่อ

การเลือกใช้แผ่นออริฟิส

การเลือกใช้การวัดอัตราการไหลด้วยแผ่นออริฟิสตามมาตรฐาน ISO-5167 จะใช้กับท่อขนาดตั้งแต่ 2 นิ้วขึ้นไปจนถึงประมาณ 10-12 นิ้ว แต่ถ้าท่อมีขนาดใหญ่มาก ๆ เช่น ขนาด 18, 20, 24 นิ้ว การใช้แผ่นออริฟิสอาจไม่เหมาะสมเนื่องจากค่าใช้จ่าย ดังนั้นจึงควรพิจารณาเลือกใช้การวัดแบบอื่น ๆ เช่น อัลตราโซนิก หรือ Pitot Tube เป็นต้น และค่า Range Ability ต้องไม่มากกว่า 5:1 

เนื่องจากจะทำให้ค่าที่อ่านได้ที่ย่านอัตราการไหลต่ำ ๆ มีค่าผิดพลาดได้สูง นอกจากนั้นแล้วการวัดอัตราการไหลด้วยออริฟิสไม่เหมาะสมกับในการควบคุมบางชนิดที่ต้องการความดันสูญเสียในระบบหรือในท่อที่มีค่าต่ำ ๆ (Low Pressure Loss) วัสดุสำหรับใช้ทำแผ่นออริฟิสเป็นอีกตัวแปรหนึ่งที่ต้องมีการพิจารณาให้เหมาะสมกับชนิดของไหลและทนต่อการกัดกร่อน โดยทั่วไปจะใช้เป็น 316 SS หรือวัสดุที่ดีกว่า

การคำนวณค่าขนาดรูของแผ่นออริฟิส

จากสมการที่ (3) จะเห็นได้ว่าอัตราการไหลจะขึ้นอยู่กับค่าความดันแตกต่างของความดันที่เกิดจากแผ่นออริฟิส โดยวัดจากจุดต่อชนิดต่าง ๆ ที่ต่อออกมาจากท่อและ ความดันแตกต่างที่เกิดขึ้นจะแปรผันไปตามขนาดรูที่แผ่นออริฟิส ดังนั้นในการใช้งานจะต้องมีการกำหนดค่าความดันแตกต่างมาตรฐานเพื่อนำไปหาขนาดรูของแผ่นออริฟิสที่ต้องการ ตามอัตราการไหลที่จะนำแผ่นออริฟิสไปใช้งานหรือเป็นไปตามข้อมูลกระบวนการผลิต เหตุที่ต้องกำหนดค่าความดันแตกต่างมาตรฐาน สำหรับในการนำไปใช้หาขนาดรูของแผ่นออริฟิสนั้น เพราะว่าสามารถเลือกใช้อุปกรณ์วัดความดันแตกต่าง (Differential Pressure Transmitter) ที่มีการกำหนดย่านการวัดค่าความดันแตกต่างให้มีค่าเท่ากัน เพื่อให้สามารถใช้งานร่วมกันและเก็บอุปกรณ์สำรองได้ง่าย ค่าความดันแตกต่างมาตรฐานที่นิยมใช้กันอยู่ทั่วไปเป็นดังนี้

- 50 มิลลิบาร์
- 100 มิลลิบาร์
- 250 มิลลิบาร์
- 500 มิลลิบาร์

เมื่อได้มีการกำหนดความดันแตกต่างมาตรฐานที่ต้องการแล้ว ต่อไปจะมาพิจารณาการคำนวณหารูแผ่นออริฟิสสมัยก่อนการคำนวณหาขนาดรูแผ่นออริฟิสทำด้วยมือซึ่งจะใช้เวลาและมีความยุ่งยากมาก สำหรับการคำนวณในปัจจุบันนิยมใช้โปรแกรมคอมพิวเตอร์เป็นตัวช่วยในการคำนวณ ซึ่งโปรแกรมเหล่านี้อาจนำมาจากบริษัทผู้จำหน่ายหรือบริษัทที่เขียนโปรแกรมสำหรับการคำนวณตามมาตรฐานต่าง ๆ โดยตรง  ส่วนผู้ใช้ต้องจัดเตรียมข้อมูลตัวแปรต่าง ๆ เพื่อใช้ในการคำนวณ มีดังนี้

ตัวแปรที่ถูกจัดเตรียมโดยวิศวกรกระบวนการผลิต
- ชนิดของไหล (Fluid Name) 
- สถานะของไหล (Fluid State) 
- อัตราการไหลสูงสุด, ปกติ และต่ำสุดที่ต้องการวัด (Max/Normal/Min Flow Rate) ซึ่งอาจมีหน่วยในการวัดเป็นได้ทั้งในรูปปริมาณ (Volume) m3/hr หรือในรูปน้ำหนัก kg/hr
- ความดันทำงาน (Working Pressure) มีหน่วยเป็น BarG, Kg/cm2, Psig, MPa
- อุณหภูมิทำงาน (Working Temperature) มีหน่วยเป็น Deg C
- ความดันออกแบบ (Design Pressure) มีหน่วยเป็น BarG, Kg/cm2, Psig, MPa
- อุณหภูมิออกแบบ (Design Temperature) มีหน่วยเป็น Deg C

ค่าความดันและอุณหภูมิออกแบบ ต้องมีการแสดงค่าให้กับผู้จัดจำหน่าย เพื่อให้ผู้ผลิตออกแบบแผ่นออริฟิสและอุปกรณ์ต่าง ๆ ให้สามารถทนสภาวะนี้ได้ ซึ่งมีโอกาสเกิดขึ้นในการนำไปใช้งานจริง

สำหรับของไหลที่เป็น ของเหลว (Liquid)
- ความหนาแน่น (Density) มีหน่วยเป็น kg/m3 หรืออาจให้มาในรูปของค่าความถ่วงจำเพาะ (Specific Gravity: SG) สามารถเปลี่ยนเป็นความหนาแน่นด้วยการคูณด้วย 1000
- ความหนืด (Viscosity) มีหน่วยเป็น cP หรือ Cst

สำหรับของไหลที่เป็นก๊าซ (Gas or Vapour)
- น้ำหนักโมเลกุล (Mol Mass) 
- ความสามารถในการอัดตัว (Compressibility) 
- ความร้อนจำเพาะ (Specific Heat Ratio)

ตัวแปรที่ถูกจัดเตรียมโดยวิศวกรระบบเครื่องมือวัด
- อัตราการทนความดันของหน้าแปลน (Flange Rating) ซึ่งข้อมูลเหล่านี้จะแสดงอยู่บนแผนภาพกระบวนการผลิต

- ขนาดและความหนาของท่อ (Pipe Size and Thickness) ซึ่งข้อมูลเหล่านี้จะแสดงอยู่บนรายละเอียดของท่อ (Piping Specification) บนแผนภาพกระบวนการผลิต

- ย่านการวัดที่ต้องการ (Meter Max) เป็นย่านการวัดที่ครอบคลุมค่าอัตราการไหลที่ได้จากความต้องการของวิศวกรกระบวนการ โดยปกติค่าอัตราไหลในสภาวะปกติจะอยู่ที่ประมาณ 70-75% ของย่านการวัดที่ต้องการ เช่น ถ้าอัตราการไหลในสภาวะปกติมีค่าเท่ากับ 70 m3/hr และอัตราการไหลสูงสุดมีค่าเท่ากับ 90 m3/hr ดังนั้นย่านการวัดที่เลือกใช้ควรจะเป็น 0-100 m3/hr เป็นต้น
 
- ความแตกต่างของความดันที่ต้องการ ซึ่งจะเลือกตามมาตรฐานที่กำหนดไว้ เช่น 250 mBar เป็นต้น บางครั้งหลังจากคำนวณหาขนาดรูแผ่นออริฟิสแล้วทำให้ค่าอัตราส่วน เบต้า (() ไม่อยู่ในค่าที่ต้องการก็สามารถเปลี่ยนค่าความดันแตกต่างไปเป็นค่าอื่น ๆ ได้

- จุดต่อสำหรับวัดความแตกต่างของความดันบนหน้าแปลนเป็นแบบใด

- ชนิดของแผ่นออริฟิส 

- วัสดุของแผ่นออริฟิสและหน้าแปลน

การติดตั้งแผ่นออริฟิส
 ในการติดตั้งแผ่นออริฟิสจะต้องติดตั้งอยู่กับท่อในส่วนที่รูปแบบการไหล (Flow Profile) ของไหลไม่เปลี่ยนแปลงมาก ๆ ถ้ารูปแบบการไหลมีการเปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลาจะทำให้มีผลต่อค่าอัตราการไหลที่วัดได้จากแผ่นออริฟิส ในโครงการก่อสร้างการติดตั้งท่อจะมีรูปแบบต่าง ๆ หลายรูปแบบ ซึ่งจะส่งผลต่อการวัดด้วยเช่นกัน ดังนั้นการวัดค่าอัตราการไหลในกระบวนการผลิตที่ต้องการความถูกต้อง จะต้องมีการจัดเตรียมท่อด้านหน้า (Upstream) และด้านหลัง (Downstream) ของแผ่นออริฟิสที่เป็นเส้นตรง ให้มีระยะความยาวตามมาตรฐานสากลที่ใช้อ้างอิง ตัวอย่างของรูปแบบท่อในลักษณะต่าง ๆ ดังแสดงได้ดังรูปที่ 11 และความต้องการท่อที่เป็นเส้นตรงดังตารางที่ 1

 ในการติดตั้งแผ่นออริฟิสจะต้องติดตั้งอยู่กับท่อในส่วนที่รูปแบบการไหล (Flow Profile) ของไหลไม่เปลี่ยนแปลงมาก ๆ ถ้ารูปแบบการไหลมีการเปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลาจะทำให้มีผลต่อค่าอัตราการไหลที่วัดได้จากแผ่นออริฟิส ในโครงการก่อสร้างการติดตั้งท่อจะมีรูปแบบต่าง ๆ หลายรูปแบบ ซึ่งจะส่งผลต่อการวัดด้วยเช่นกัน ดังนั้นการวัดค่าอัตราการไหลในกระบวนการผลิตที่ต้องการความถูกต้อง จะต้องมีการจัดเตรียมท่อด้านหน้า (Upstream) และด้านหลัง (Downstream) ของแผ่นออริฟิสที่เป็นเส้นตรง ให้มีระยะความยาวตามมาตรฐานสากลที่ใช้อ้างอิง ตัวอย่างของรูปแบบท่อในลักษณะต่าง ๆ ดังแสดงได้ดังรูปที่ 11 และความต้องการท่อที่เป็นเส้นตรงดังตารางที่ 1

รูปที่ 11 รูปแบบท่อในลักษณะต่าง ๆ

 
         ตารางที่ 1 ความต้องการท่อที่เป็นเส้นตรง
                    

  
การวัดอัตราการไหลด้วยแผ่นออริฟิสจะต้องมีการติดตั้งร่วมกับอุปกรณ์วัดความดันแตกต่างด้วยเสมอ เพื่อใช้ในการเปลี่ยนสัญญาณความดันแตกต่างจากหน้าแปลนของแผ่นออริฟิสไปเป็นสัญญาณมาตรฐานทางไฟฟ้า 4-20 มิลลิแอมป์หรือสัญญาณลมมาตรฐาน 3-15 Psi ซึ่งปัจจุบันสัญญาณลมมีการใช้งานกันน้อยมาก สัญญาณมาตรฐานที่ได้จะถูกส่งต่อไปยังระบบควบคุมหรือระบบแสดงผลต่อไป ในทำนองเดียวกันกับการติดตั้งแผ่นออริฟิส การติดตั้งอุปกรณ์วัดความดันแตกต่างจะต้องทำการติดตั้งให้ถูกต้องเพื่อให้ค่าที่อ่านได้จากอุปกรณ์การวัดความดันแตกต่างมีความผิดพลาดต่ำ ตัวแปรหลัก ๆ สำหรับใช้พิจารณาการติดตั้งจะเป็นดังนี้

-  ตำแหน่งของอุปกรณ์การวัดความดันแตกต่างจะขึ้นอยู่กับสถานะของไหลที่ต้องการวัด ถ้าของไหลมีสถานะเป็นก๊าซหรือไอ จะต้องติดตั้งอุปกรณ์ให้อยู่เหนือจุดที่ทำการวัด ถ้าของไหลมีสถานะเป็นของเหลวจะต้องติดตั้งอุปกรณ์ให้อยู่ต่ำกว่าจุดที่ทำการวัด เหตุผลหลัก ๆ คือ ในกรณีของไหลที่เป็นก๊าซนั้น ไม่ต้องการให้ของไหลมีการกลั่นตัวเป็นของเหลวคงค้างอยู่ในท่อจากจุดวัดไปยังอุปกรณ์ ในทำนองเดียวกันกับของไหลที่เป็นของเหลวที่ไม่ต้องการให้มีฟองอากาศอยู่ในท่อ เนื่องจากย่านการวัดของอุปกรณ์วัดความดันแตกต่างมีค่าต่ำมาก เป็นมิลลิบาร์ ถ้ามีของเหลวหรือก๊าซปนอยู่ในท่อจากจุดวัดไปยังอุปกรณ์ไม่เท่ากัน ทำให้ความดันแตกต่างที่วัดได้มีค่าไม่ตรงกับค่าความดันแตกต่างที่ได้จากแผ่นออริฟิส ซึ่งจะทำให้ค่าอัตราการไหลที่อ่านได้บนหน่วยแสดงผลมีค่าไม่ถูกต้อง

- ความยาวของท่อทั้งสองด้านควรมีระยะให้สั้นที่สุด

- ความเอียงของท่อต้องเหมาะสม

- สถานะของไหลในท่อจนถึงตัวอุปกรณ์จะต้องมีสถานะเดียวกัน ในบางครั้งอาจมีข้อจำกัดของอุปกรณ์ในเรื่องความดันหรืออุณหภูมิ ต้องจัดเตรียมอุปกรณ์เสริมเพิ่มเติม เช่น การติดตั้ง Seal Pot สำหรับใช้วัดไอน้ำอุณหภูมิสูง ๆ หรือใช้การผนึกด้วยเคมี (Chemical Seal) สำหรับของไหลที่มีความหนืดสูงหรืออาจพันรอบท่อด้วยท่อความร้อน (Steam Tracing) เป็นต้น

การติดตั้งอุปกรณ์วัดความดันแตกต่างในรูปแบบต่าง ๆ สามารถแสดงได้ดังรูปที่ 12

รูปที่ 12 การติดตั้งอุปกรณ์วัดความดันแตกต่างในรูปแบบต่าง ๆ

ความเป็นเชิงเส้น

จากสมการที่ (3) จะเห็นได้ว่าค่าอัตราการไหลที่ได้จากแผ่นออริฟิสจะเป็นสัดส่วนกับรากที่สอง (Square Root) ของความดันแตกต่างจากแผ่นออริฟิส ดังแสดงได้ดังรูปที่ 13

รูปที่ 13 Squared Flow Signal และ สเกลแบบต่าง ๆ
 

      

จากรูปที่ 13 จะเห็นได้ว่าที่ค่าอัตราการไหลต่ำ ๆ จะมีการเปลี่ยนแปลงของความดันแตกต่างเพียงเล็กน้อย แต่ที่อัตราการไหลสูง ๆ จะมีการเปลี่ยนแปลงของความดันมากตามไปด้วย ดังตัวอย่างเช่น ที่อัตราการไหล 0-10% ความดันแตกต่างจะเปลี่ยนแปลงจาก 0-1 % ถ้าอัตราการไหล 90-  100% ความดันแตกต่างจะเปลี่ยนแปลงจาก 81-100 % การเปลี่ยนสัญญาณให้เป็นเชิงเส้นสามารถทำได้ โดยการเพิ่มฟังก์ชันในการเปลี่ยนสัญญาณบนอุปกรณ์การวัดหรือบนระบบควบคุม สำหรับการใช้งานทั่วไปจะใส่ฟังก์ชันในการเปลี่ยนสัญญาณบนระบบควบคุม เพื่อความสะดวกในการปรับตั้งค่าตัวแปรต่าง ๆ ฟังก์ชันการเปลี่ยนสัญญาณสามารถดังแสดงได้ในรูปที่ 14

รูปที่ 14 การเปลี่ยนสัญญาณรากที่สองไปเป็นเชิงเส้น

 

 ตัวอย่างการกำหนดรายละเอียดการวัดอัตราการไหลด้วยแผ่นออริฟิส

สำหรับในหัวข้อนี้จะแสดงตัวอย่างการกำหนดรายละเอียดของการวัดอัตราการไหลด้วยแผ่นออริฟิสที่อยู่ในกระบวนการผลิตดังรูปที่ 15

รูปที่ 15 แผนภาพกระบวนการผลิต

 

จากรูปที่ 15 ถ้าต้องการจัดหาและออกแบบติดตั้งอุปกรณ์วัดอัตราการไหลของอุปกรณ์วัดการไหล 100-FT-10001 จะต้องจัดเตรียมรายละเอียดของแผ่นออริฟิส และรายละเอียดอุปกรณ์วัดความดันแตกต่าง โดยเริ่มจากข้อมูลต่าง ๆ ในกระบวนการผลิต ที่ถูกจัดเตรียมโดยวิศวกรกระบวนการเป็นดังนี้

ต้องการวัดอัตราการไหลของ น้ำ (Water) มีสถานะเป็น ของเหลว (Liquid), อัตราการไหลสูงสุด 50 m3/hr, อัตราการไหลปกติ 35 m3/hr และอัตราการไหลต่ำสุด 20 m3/hr, ความดันทำงาน 3.5 BarG, ความดันออกแบบ 5.0 BarG, อุณหภูมิทำงาน 30 Deg C, อุณหภูมิออกแบบ 100 DegC, มีค่าความหนืด 0.88 cP และมีค่าความหนาแน่น 989 kg/m3

จากนั้นต้องจัดเตรียมข้อมูลเพิ่มเติมเพื่อจะนำไปคำนวณหาขนาดรูแผ่นออริฟิสจากโปรแกรมการคำนวณได้เป็นดังนี้

- ขนาดท่อจะเป็นขนาด 4 นิ้ว มีความหนาขนาด SCH 40 (ดูรายละเอียดจากแผนภาพกระบวนการผลิตและรายละเอียดระบบท่อ)

- เลือกวัสดุของหน้าแปลนตามวัสดุของท่อ ในที่นี้จะใช้เป็น Carbon Steel

- เลือกวัสดุของแผ่นออริฟิสตามข้อกำหนดของผู้ใช้งาน ในที่นี้จะใช้เป็น 316 SS (ควรมีการตรวจสอบกับตารางการเลือกวัสดุให้เหมาะสมกับของไหล)

- เลือกอัตราการทนความดันของหน้าแปลนตามอัตราการทนความดันของท่อ แต่หน้าแปลนของออริฟิสอัตราการทนความดันต่ำสุดจะใช้เป็น 300 # เพราะสะดวกสำหรับการเจาะช่องสำหรับจุดต่อวัดความดันแตกต่าง

- เลือกชนิดของออริฟิสเป็นแบบ Concentric เนื่องจากของไหลมีความหนืดไม่สูงและไม่มีสิ่งเจือปน และเลือกจุดต่อความดันเป็นแบบ Flange Tap

- ย่านการวัดที่ต้องการ 0-50 m3/hr (หรือ อัตราการไหลปกติอยู่ที่ประมาณ 70%)

- ความดันแตกต่างจากแผ่นออริฟิสเท่ากับ 250 mBar

นำข้อมูลทั้งหมดไปใช้ในการคำนวณหาขนาดรูของออริฟิส เพื่อตรวจสอบว่าตัวแปรต่าง ๆ ที่เลือกใช้นั้นเหมาะสมกับการนำไปใช้ ก่อนที่จะจัดส่งข้อมูลไปยังผู้จัดจำหน่าย จะได้ผลการคำนวณเป็นดังนี้

รูปที่ 16 ผลการคำนวณ

 

จากผลจากการคำนวณจะเห็นได้ว่าตัวแปรต่าง ๆ ที่เลือกใช้นั้นเหมาะสมกับการนำไปใช้งาน และสามารถทราบขนาดรูแผ่นออริฟิสได้ และยังสามารถทราบค่าตัวแปรอื่น ๆ สำหรับนำไปใช้ในการออกแบบระบบควบคุมได้ เช่น ( หรือค่าความดันสูญเสียที่แผ่นออริฟิส เป็นต้น จากนั้นจะนำข้อมูลทั้งหมดไปใส่ในฟอร์มรายละเอียดมาตรฐานของแผ่นออริฟิสเพื่อใช้เก็บบันทึกและใช้ในการจัดส่งให้กับผู้จัดจำหน่าย โดยข้อมูลบางตัวจากผลการคำนวณจะไม่ใส่ลงไป เพื่อให้ผู้จัดจำหน่ายสามารถออกแบบและผลิตตามมาตรฐานที่ต้องการ แต่ข้อมูลที่ได้สามารถใช้เป็นตัวเปรียบเทียบเมื่อได้รับรายละเอียดต่าง ๆ จากผู้จัดจำหน่าย ฟอร์มรายละเอียดมาตรฐานของแผ่นออริฟิสเป็นดังนี้

รูปที่ 17 ฟอร์มรายละเอียดมาตรฐานของแผ่นออริฟิส

เมื่อจัดทำรายละเอียดของแผ่นออริฟิสแล้ว ต่อไปต้องมีการจัดทำรายละเอียดของอุปกรณ์วัดความดันแตกต่าง โดยมีตัวแปรต่าง ๆ ที่ต้องจัดเตรียมเป็นดังนี้

- ระบบป้องกันการเกิดประกายไฟในพื้นที่อันตราย โดยการแบ่งพื้นที่อันตรายสามารถดูได้จาก Hazardous Area Classification Drawing เพื่อใช้เป็นข้อมูลในการกำหนด ในตัวอย่างนี้จะให้พื้นที่อันตรายเป็น Zone 2 IIB T3 และจะเลือกอุปกรณ์เป็นแบบ Ex 'ib'

- สัญญาณเอาต์พุตจากอุปกรณ์เป็นแบบใด ในตัวอย่างนี้จะใช้เป็น 4-20 mA 24VDC Loop Powered with HART 

- ค่าความถูกต้องของสัญญาณ ในตัวอย่างนี้จะกำหนดให้เป็น +/- 0.1 % of Span

- ขนาดรูสำหรับต่อสายไฟ ในตัวอย่างนี้กำหนดให้เป็น 1/2" NPTF

- ต้องการตัวแสดงผลที่ตัวอุปกรณ์หรือไม่ และมีสเกลเป็นแบบใด ในตัวอย่างนี้กำหนดให้เป็นสเกล แบบ Square Root

- วัสดุภายในของอุปกรณ์เป็นชนิดใด ในตัวอย่างนี้กำหนดให้เป็น 316 SS

- อุปกรณ์อื่น ๆ ที่ต้องการเช่น Bracket หรือ Manifold Valve

จากนั้นจะนำข้อมูลทั้งหมดไปใส่ในฟอร์มรายละเอียดมาตรฐานของอุปกรณ์วัดความดันแตกต่างเพื่อใช้เก็บบันทึกและใช้ในการจัดส่งให้กับผู้จัดจำหน่าย

เมื่อได้จัดทำรายละเอียดของทั้งแผ่นออริฟิสและอุปกรณ์วัดความดันแตกต่างเสร็จเรียบร้อยแล้ว จากนั้นก็จะสามารถทำการจัดส่งให้กับผู้จัดจำหน่าย

สำหรับในการติดตั้งผู้ออกแบบรายละเอียดอุปกรณ์เครื่องมือวัด สามารถใช้รายละเอียดของแผ่นออริฟิสและอุปกรณ์วัดความดันแตกต่าง ในการจัดเตรียมอุปกรณ์ที่จำเป็นสำหรับใช้ในการติดตั้ง เช่น ขนาด Cable Gland, Tube Fitting และวัสดุที่ใช้จับยึดอุปกรณ์ เป็นต้น นอกจากนั้นผู้ออกแบบระบบเครื่องมือวัดยังต้องทำการตรวจสอบการติดตั้งแผ่นออริฟิสที่อยู่บนท่อว่า มีการจัดเตรียมท่อที่เป็นระยะทางเส้นตรงเหมาะสมกับรูปแบบของท่อหรือไม่ และตรวจสอบตำแหน่งการติดตั้งอุปกรณ์การวัดความดันแตกต่างว่าเหมาะสมหรือไม่ 

จากรายละเอียดที่แสดงไปแล้วทั้งหมดข้างต้นสามารถใช้เป็นแนวทางในการเลือกใช้และกำหนดรายละเอียดการวัดอัตราการไหลด้วยแผ่นออริฟิส สำหรับผู้สนใจหรือผู้ที่ต้องการจัดหาอุปกรณ์เพิ่มเติมให้กับระบบควบคุมได้อย่างเหมาะสม


เอกสารอ้างอิง
[1] D. W. Spitzer," Flow measurement", Instrument Society of America.
[2] Robert L. Daugherty, Joseph B. Franzini, E. John Finnemore," Fluid Mechanics with engineering application", McGraw-Hill Book Company, 1989.
[3] ISO 5167-1:1991 Measurement of fluid flow by means of pressure differential devices.