หลักการทำงานของเครื่องวัดอัตราการไหลแบบเฟืองวงรี

การวัดอัตราการไหลของของเหลวอย่างแม่นยำเป็นภารกิจสำคัญในสาขาพลศาสตร์ของไหลและการควบคุมกระบวนการทางอุตสาหกรรม ในบรรดาเทคโนโลยีมากมายในท้องตลาด เครื่องวัดอัตราการไหลของเฟืองวงรีถือ เป็นตัวเลือกที่แข็งแกร่ง แม่นยำ และเชื่อถือได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานกับของไหลหนืดที่มีความซับซ้อน หลักการทำงานของเครื่องวัดอัตราการไหลของของเหลวแบบแทนที่เชิงบวก (PD) มีลักษณะที่เรียบง่ายแต่เปี่ยมประสิทธิภาพ

บทความที่ครอบคลุมนี้จะเจาะลึกถึงโครงสร้างของ เครื่องวัดอัตราการไหลแบบเฟืองวงรี กลไก ที่แปลงการเคลื่อนที่เชิงกลให้เป็นข้อมูลที่แม่นยำ ประโยชน์หลัก และการใช้งานในอุตสาหกรรมที่นิยมที่สุด

เครื่องวัดอัตราการไหลแบบปริมาตรเชิงบวกคืออะไร?

ก่อนที่จะศึกษารายละเอียดเฉพาะของการออกแบบเฟืองวงรี จำเป็นต้องเข้าใจประเภทของเฟืองวงรีเสียก่อน เครื่องวัดอัตราการไหลแบบปริมาตรบวก (Positive Displacement flow meter) คือเครื่องมือวัดปริมาตรที่วัดการไหลโดยการดักจับของไหลที่มีปริมาตรคงที่ที่ทราบค่าแล้วซ้ำๆ และส่งผ่านจากทางเข้าไปยังทางออก ปริมาตรรวมของของไหลที่ไหลผ่านคือผลรวมของส่วนต่างๆ เหล่านี้

ต่างจากเครื่องวัดแบบอนุมานที่วัดอัตราการไหลจากความเร็ว (เช่น เครื่องวัดอัตราการไหลของกังหันหรือเครื่องวัดอัตราการไหลของกระแสน้ำวน) เครื่องวัด PD จะวัดปริมาตรโดยตรง ความแตกต่างพื้นฐานนี้เป็นเหตุผลว่าทำไมเครื่องวัด PD จึงมีความแม่นยำเป็นเลิศและมักได้รับผลกระทบจากคุณสมบัติของของไหล เช่น ความหนืดและความหนาแน่นน้อยกว่า เครื่องวัดแบบเฟืองวงรีเป็นหนึ่งในเครื่องวัดที่ได้รับความนิยมและมีประสิทธิภาพมากที่สุดในตระกูล PD

หลักการทำงาน: การเต้นของหัวใจแบบกลไก

"หัวใจ" ของเครื่องวัดอัตราการไหลแบบเฟืองวงรีประกอบด้วยเฟืองรูปวงรี (หรือที่เรียกว่าโรเตอร์) สองตัวที่กลึงอย่างแม่นยำและประสานกัน ซึ่งติดตั้งอยู่ในห้องวัดค่าความคลาดเคลื่อนแคบ การทำงานเป็นวงจรสี่ขั้นตอนต่อเนื่อง ช่วยให้มั่นใจได้ว่ากระบวนการวัดจะราบรื่นและต่อเนื่อง

ต่อไปนี้เป็นรายละเอียดการทำงานแบบทีละขั้นตอน:

ขั้นตอนที่ 1: การเข้าของของเหลวและการดักจับเบื้องต้น

เมื่อของเหลวไหลเข้าสู่ทางเข้าของเครื่องวัด แรงของของไหลที่ไหลจะสร้างความแตกต่างของแรงดันที่กระทำต่อเฟือง แรงดันนี้ทำให้เฟืองวงรีตัวแรกหมุน ขณะที่หมุน ของเหลวที่มีปริมาตรเล็กน้อยที่ทราบแน่ชัดจะถูกกักไว้ในช่องว่างรูปพระจันทร์เสี้ยวระหว่างขอบด้านนอกของเฟืองและผนังด้านในของห้องวัด

ขั้นตอนที่ 2: การหมุนและการถ่ายโอน

เกียร์แรกซึ่งกำลังเคลื่อนที่อยู่ในขณะนี้ ทำหน้าที่ขับเคลื่อนเกียร์ที่สอง ขณะที่เกียร์แรกยังคงหมุนต่อไป เกียร์จะเคลื่อนผ่านช่องทางเข้า ปิดช่องทางเข้าชั่วขณะ และเริ่มกวาดของเหลวที่ติดอยู่ไปยังช่องทางออกของมิเตอร์

ขั้นตอนที่ 3: การดักจับพร้อมกันด้วยเกียร์สอง

ในขณะที่เฟืองแรกกำลังปล่อยของเหลว เฟืองที่สองจะทำการดักจับของเหลวแบบเดียวกันนี้ในเวลาเดียวกันที่ด้านตรงข้ามของห้อง เฟืองที่สองจะดักจับของเหลวที่มีปริมาตรคงที่เท่ากันไว้ในช่องว่างรูปพระจันทร์เสี้ยวของตัวเอง เพื่อให้แน่ใจว่ากระบวนการวัดจะดำเนินไปอย่างต่อเนื่อง

ขั้นตอนที่ 4: การปล่อยและการวนซ้ำของรอบ

จากนั้นเฟืองตัวที่สองจะหมุนและปล่อยของเหลวที่กักเก็บไว้ออกมา ในขณะที่เฟืองตัวแรกจะเริ่มวงจรดักจับใหม่ การเคลื่อนที่ประสานกันของเฟืองวงรีทั้งสองนี้ช่วยให้มั่นใจได้ว่าจะมีซีลของไหลระหว่างช่องทางเข้าและทางออกอยู่เสมอ ป้องกันไม่ให้ของเหลวที่ไม่ได้วัดปริมาณไหลผ่านระบบ กระบวนการนี้ทำซ้ำได้อย่างราบรื่น ทำให้การวัดอัตราการไหลเป็นไปอย่างราบรื่นและต่อเนื่อง

ทุกครั้งที่เฟืองคู่หมุนครบ 360 องศา ปริมาตรของเหลวคงที่จะถูกแทนที่ เนื่องจากปริมาตรนี้ทราบค่าและคงที่ ปริมาณการไหลรวมของมิเตอร์จึงเป็นเพียงผลรวมของปริมาตรแยกกันเหล่านี้ ดังนั้น อัตราการไหลจึงแปรผันตรงและเป็นเส้นตรงกับความเร็วในการหมุนของเฟือง

จากการเคลื่อนไหวทางกลสู่ข้อมูลดิจิทัล

แม้ว่าหลักการทางกลศาสตร์จะตรงไปตรงมา แต่การเคลื่อนที่นี้จะต้องถูกแปลงเป็นสัญญาณอิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้งานได้สำหรับระบบควบคุมสมัยใหม่ ซึ่งทำได้โดยใช้เซ็นเซอร์และระบบส่งสัญญาณที่ซับซ้อน

แม่เหล็กถาวรกำลังสูงฝังอยู่ภายในเฟืองวงรีตัวใดตัวหนึ่งหรือทั้งสองตัว เซ็นเซอร์ ซึ่งโดยทั่วไปจะเป็นเซ็นเซอร์แบบ Hall effect หรือ Reed switch จะติดตั้งอยู่ด้านนอกของตัวมิเตอร์ ใกล้กับเฟืองหมุน

เมื่อเฟืองหมุน แม่เหล็กที่ฝังอยู่จะเคลื่อนผ่านเซ็นเซอร์ ทุกครั้งที่แม่เหล็กเคลื่อนที่ผ่าน แม่เหล็กจะสร้างพัลส์ไฟฟ้า การออกแบบนี้ช่วยให้มั่นใจได้ว่าจะมีพัลส์จำนวนที่แม่นยำสำหรับการหมุนครบหนึ่งรอบของเฟืองคู่

จากนั้นเครื่องส่งหรือจอแสดงผลที่ใช้ไมโครโปรเซสเซอร์จะดำเนินการขั้นตอนสุดท้าย โดยจะนับพัลส์ความละเอียดสูงเหล่านี้ในช่วงเวลาที่กำหนด โดยการทราบปริมาตรที่แน่นอนที่เคลื่อนที่ไปต่อพัลส์ เครื่องมือนี้สามารถคำนวณได้อย่างแม่นยำ:

อัตราการไหล: ปริมาตรของของเหลวที่ผ่านเมตรต่อหน่วยเวลา (เช่น ลิตรต่อนาที หรือ m3/h)
ปริมาตรรวม: การนับสะสมของปริมาตรรวมของของเหลวที่ผ่านมิเตอร์ตั้งแต่การรีเซ็ตครั้งล่าสุด

ข้อดีหลักของเครื่องวัดอัตราการไหลแบบเกียร์รูปไข่

หลักการทำงานที่เป็นเอกลักษณ์ของเครื่องวัดเฟืองวงรีมีข้อดีที่สำคัญหลายประการ:

* ความแม่นยำและความสามารถในการทำซ้ำสูง: มักมีความแม่นยำ ±0.5% หรือสูงกว่า นับเป็นเครื่องวัดที่มีความแม่นยำมากที่สุดในตลาด ความสามารถในการทำซ้ำที่ยอดเยี่ยมนี้รับประกันได้จากลักษณะการเคลื่อนที่เชิงบวก

* เหมาะอย่างยิ่งสำหรับของเหลวหนืด: ซึ่งอาจกล่าวได้ว่าเป็นจุดแข็งที่สุดของเทคโนโลยีนี้ แตกต่างจากเทคโนโลยีอื่นๆ มากมาย (เช่น เครื่องวัดอัตราการไหล TUF หรือเครื่องวัดอัตราการไหลแบบวอร์เท็กซ์) ที่ไม่สามารถวัดค่าของเหลวข้นได้ เครื่องวัดแบบเฟืองวงรีสามารถวัดค่าน้ำมัน เชื้อเพลิง จารบี เรซิน และน้ำเชื่อมได้อย่างแม่นยำและง่ายดาย




* ไม่ไวต่อโปรไฟล์การไหล: ไม่จำเป็นต้องเดินท่อตรงไปยังต้นน้ำหรือปลายน้ำ ทำให้ติดตั้งในพื้นที่แคบๆ ได้ง่าย ซึ่งเครื่องวัดอัตราการไหลอื่นๆ จะไม่เหมาะสม

* การวัดอัตราการไหลต่ำที่ยอดเยี่ยม: สามารถรักษาความแม่นยำสูงได้แม้ในอัตราการไหลที่ต่ำมาก

* ไม่ต้องใช้พลังงาน (สำหรับเครื่องวัดอัตราการไหลแบบเฟืองวงรีประเภทกลไก): รุ่นที่เรียบง่ายสามารถติดตั้งทะเบียนและจอแสดงผลแบบกลไกล้วนๆ ได้ ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับสถานที่ห่างไกลหรืออันตรายที่ไม่มีไฟฟ้า

แอปพลิเคชันและอุตสาหกรรมทั่วไป

ความคล่องตัวและความทนทานของมาตรวัดอัตราการไหลแบบเฟืองวงรีทำให้กลายเป็นตัวเลือกที่ต้องการในหลายอุตสาหกรรม:

* เชื้อเพลิงและน้ำมัน: การจ่ายน้ำมันเบนซิน น้ำมันดีเซล และน้ำมันก๊าด การตรวจสอบการใช้เชื้อเพลิงสำหรับหม้อไอน้ำและเครื่องกำเนิดไฟฟ้า การวัดน้ำมันหล่อลื่น

* สารเคมี: การกำหนดปริมาณและการฉีดสารเติมแต่ง ตัวเร่งปฏิกิริยา และโพลิเมอร์อย่างแม่นยำ
* อาหารและเครื่องดื่ม: การวัดส่วนผสมที่มีความหนืด เช่น น้ำเชื่อม ช็อกโกแลต และน้ำมันพืช
* เยื่อและกระดาษ: การจัดการสารเคมีเติมแต่งและสารเคลือบ
* การโอนการควบคุม: การวัดที่มีความแม่นยำสูงสำหรับการเรียกเก็บเงินและการควบคุมสินค้าคงคลังของของเหลวที่มีมูลค่า

ข้อจำกัดที่ต้องพิจารณา

แม้จะมีประสิทธิภาพอย่างเหลือเชื่อ แต่มิเตอร์วัดแบบเฟืองวงรีก็มีข้อจำกัดหลักสองประการ ประการแรก มิเตอร์วัดนี้มีไว้สำหรับของเหลวสะอาดเท่านั้น อนุภาคหรือของแข็งที่มีฤทธิ์กัดกร่อนอาจทำให้เกิดการสึกหรอและความเสียหายต่อเฟืองที่ผ่านการกลึงอย่างแม่นยำ ส่งผลให้ความแม่นยำลดลง การกรองที่เหมาะสมมักเป็นสิ่งจำเป็น ประการที่สอง มิเตอร์วัดแบบนี้ทำให้เกิดแรงดันตกคร่อมที่สูงกว่าเมื่อเทียบกับมิเตอร์แบบไม่รบกวน เช่น มิเตอร์แบบแม่เหล็กหรือแบบอัลตราโซนิก

บทสรุป

การทำงานของเครื่องวัดอัตราการไหลแบบเฟืองวงรีเป็นเครื่องพิสูจน์ถึงความแข็งแกร่งของวิศวกรรมเครื่องกลที่สร้างสรรค์ โรเตอร์แบบล็อกกันช่วยให้สามารถวัดปริมาตรของไหลแต่ละส่วนได้โดยตรง มอบความแม่นยำและความน่าเชื่อถือในระดับที่หาได้ยาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับของเหลวที่มีความหนืดและยาก การออกแบบที่เรียบง่ายและแข็งแรงทนทาน มอบคุณค่าที่โดดเด่นและความมั่นใจในการใช้งานวัดอัตราการไหลที่สำคัญ พร้อมรับประกันอายุการใช้งานที่ยาวนานและแทบไม่ต้องบำรุงรักษา เครื่องวัดอัตราการไหลแบบเฟืองวงรียังคงเป็นตัวเลือกอันดับต้นๆ สำหรับกระบวนการใดๆ ที่ต้องการความแม่นยำ ความน่าเชื่อถือ และความสามารถในการปรับเปลี่ยน

วิดีโอด้านล่างนี้แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่าเครื่องวัดอัตราการไหลแบบเฟืองรูปวงรีทำงานอย่างไร