เนื้อหาวันที่ : 2013-04-24 14:21:05 จำนวนผู้เข้าชมแล้ว : 18935 views

การวัดอัตราการไหลด้วยแผ่นออริฟิส

อัตราการไหลเป็นตัวแปรหลัก ๆ ในอุตสาหกรรมกระบวนการผลิตประเภทต่าง ๆ ทั้งในอุตสาหกรรมการกลั่นน้ำมันและปิโตรเคมี

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.


 

 

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