เครื่องวัดอัตราการไหลของก๊าซแบบกระแสน้ำวน

ภาพรวมของเครื่องวัดอัตราการไหลของก๊าซชนิด Vortex

เครื่องวัดอัตราการไหลแบบวอร์เท็กซ์ (Vortex Flowmeter) เป็นเครื่องมือวัดอัตราการไหลแบบสั่นของของไหลที่พัฒนาขึ้นตามหลักการ "Kaman Vortex Street" ปรากฏการณ์ที่เรียกว่า "Kamen Vortex Street" มีลักษณะดังนี้: เมื่อพื้นผิวด้านต้นน้ำหนึ่ง (หรือมากกว่า) เป็นเสาทึบในก๊าซที่กำลังไหล ก๊าซจะแยกตัวออกจากกันทั้งสองด้านของเสาและปล่อยเสาสองต้นออกมา ในช่วงต้นศตวรรษที่ 19 นักฟิสิกส์ Strouhal และ von Karman ได้ทำการวิจัยเกี่ยวกับปรากฏการณ์วอร์เท็กซ์สตรีทอย่างมีประสิทธิภาพ ผลการวิจัยของพวกเขาแสดงให้เห็นว่าความถี่การแยกตัวของวอร์เท็กซ์มีความสัมพันธ์โดยเนื้อแท้กับความเร็วการไหลของตัวกลาง รูปทรง และขนาดของเครื่องกำเนิดวอร์เท็กซ์ กล่าวคือ ความถี่การแยกตัวของวอร์เท็กซ์จะแปรผันตามความเร็วการไหลและแปรผกผันกับความกว้างของทรงกระบอก
หลักการของกระแสน้ำวนคาร์แมน (Karman Vortex Street) เป็นแรงบันดาลใจให้ผู้คนนำหลักการนี้มาประยุกต์ใช้ในการพัฒนาเครื่องมือวัดความเร็วและอัตราการไหล ในช่วงทศวรรษ 1970 บริษัทโยโกกาวะ อิเล็กทริก คอร์ปอเรชั่น ประเทศญี่ปุ่น และบริษัทอีสต์ คอมพานี ของสหรัฐอเมริกา ได้พัฒนาเครื่องวัดอัตราการไหลแบบกระแสน้ำวนเครื่องแรกของโลกตามลำดับ
เครื่องวัดอัตราการไหลของก๊าซ แบบ Vortex Shedding มีความแม่นยำสูง โครงสร้างเรียบง่าย ติดตั้งง่าย เชื่อถือได้ สัญญาณความถี่พัลส์เอาต์พุตเป็นสัดส่วนกับค่าการวัดอัตราการไหลของก๊าซ ไม่มีค่าดริฟท์เป็นศูนย์ วัดอัตราการไหลสะสมได้อย่างสะดวก สูญเสียความดันน้อย (เมื่อเทียบกับอัตราการไหลแบบควบคุม) ข้อดีหลายประการ เช่น เครื่องวัดอัตราการไหล (Flowmeters) ถูกนำมาใช้และได้รับการพัฒนาอย่างแพร่หลายทันทีที่ปรากฏขึ้น แม้จะมีประวัติความเป็นมาสั้น แต่ก็พัฒนาอย่างรวดเร็ว เครื่องวัดอัตราการไหลของก๊าซกลายเป็นหนึ่งในเครื่องมือวัดอัตราการไหลของก๊าซหลักภายในเวลาเพียงไม่กี่ทศวรรษ และถูกใช้อย่างแพร่หลายในการวัดอัตราการไหลของก๊าซ ไอ และของเหลวต่างๆ เครื่องวัดอัตราการไหลของก๊าซแบบ Vortex Shedding อิเล็กทรอนิกส์ไม่เพียงแต่มีจอแสดงผลเพื่อแสดงอัตราการไหลของก๊าซหรือไอในขณะนั้นและปริมาณก๊าซทั้งหมดเท่านั้น แต่ยังสามารถส่งสัญญาณพัลส์ ความถี่ หรือกระแส (4-20mA) สำหรับการควบคุมระยะไกลและอื่นๆ เครื่องมือวัดอัตราการไหลของก๊าซอิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่มีโปรโตคอล HART และ MODBUS RTU สำหรับการควบคุมกระบวนการและการสื่อสารที่หลากหลาย
Silver Automation Instruments Ltd นำเสนอเครื่องวัดอัตราการไหลแบบวอร์เท็กซ์ราคาถูกเริ่มต้นที่ 320 ดอลลาร์

เครื่องวัดอัตราการไหลของแก๊สแบบ Vortex สามารถวัดแก๊สได้:

เครื่องวัดอัตราการไหลของก๊าซ แบบวอร์เท็กซ์สามารถวัดอากาศ อากาศอัด และเครื่องวัดอัตราการไหลของวอร์เท็กซ์สำหรับก๊าซธรรมชาติ ไนโตรเจน ออกซิเจน ก๊าซชีวภาพ ก๊าซถ่านหิน ไอน้ำ และอื่นๆ เครื่องวัดอัตราการไหลของวอร์เท็กซ์สามารถติดตั้งเซ็นเซอร์อุณหภูมิ เซ็นเซอร์ความดัน และอุปกรณ์รวมอัตราการไหลในตัวเพื่อวัดอุณหภูมิและความดันของก๊าซ พร้อมติดตั้งคอมพิวเตอร์วัดอัตราการไหลของก๊าซเพื่อคำนวณอัตราการไหลของก๊าซภายใต้สภาวะมาตรฐาน หรือคำนวณอัตราการไหลของมวลของไอน้ำ

เครื่องวัดกระแสน้ำวนวัดอัตราการไหลของก๊าซได้อย่างไร?

ดังที่ได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ เมื่อนำวัตถุทรงเสาที่มีหน้าตัดเป็นหน้าตัด (buff cross) สอดเข้าไปในของไหลที่กำลังไหล จะเกิดกระแสน้ำวนสลับกันสองกระแสจากทั้งสองด้านของวัตถุทรงเสา ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าปรากฏการณ์ "Kaman Vortex Street" ดังแสดงในรูป
การศึกษาวิจัยแสดงให้เห็นว่าความถี่ของการแยกตัวของกระแสน้ำวนเป็นสัดส่วนกับอัตราการไหลของก๊าซและแปรผกผันกับความกว้างของกระบอกสูบ ซึ่งสามารถแสดงได้ด้วยสูตรต่อไปนี้
f=Sr×u/d
ที่ไหน:
f คือความถี่ของการแยกตัวของกระแสน้ำวน
Sr-สัมประสิทธิ์ (หมายเลข Strouhal);
v—ความเร็วของของไหล
d—ความกว้างของกระแสหัวกระบอกสูบ
จะเห็นได้จากสูตรข้างต้นว่าสามารถวัดความเร็วของของไหลและการไหลในขณะนั้นได้โดยการวัดความถี่ของกระแสน้ำวน

โครงสร้างของเครื่องวัดอัตราการไหลของก๊าซชนิดกระแสน้ำวน

โดยทั่วไปแล้ว เครื่องวัดอัตราการไหลแบบวอร์เท็กซ์ประกอบด้วยสองส่วน ได้แก่ เซ็นเซอร์และตัวแปลง ดังแสดงในรูป เซ็นเซอร์ประกอบด้วยเครื่องกำเนิดวอร์เท็กซ์ เซ็นเซอร์วัดอัตราการไหล จอแสดงผลดิจิทัลของเครื่องวัดอัตราการไหล เปลือกหุ้ม ฯลฯ ส่วนตัวแปลงประกอบด้วยตัวแปลงสัญญาณ เครื่องขยายสัญญาณ ขั้วต่อ ขายึด และฝาครอบป้องกัน ฯลฯ
เครื่องวัดอัตราการไหลของก๊าซแบบกระแสน้ำวนสามารถทำได้ตั้งแต่ 1/2 นิ้ว ถึง 12 นิ้ว โดยประเภทเซ็นเซอร์ที่ต้องการปกติ ได้แก่ 1 นิ้ว DN25, DN50, เส้นผ่านศูนย์กลาง 80 มม., DN100, 4 นิ้ว, 6 นิ้ว, 8, 10 นิ้ว, DN250 มม. เป็นต้น
การเชื่อมต่อกระบวนการอาจเป็นประเภทเวเฟอร์ ประเภทสกรู ประเภทหน้าแปลนอินไลน์ หรือประเภทมิเตอร์วัดอัตราการไหลแบบวอร์เท็กซ์แบบแทรก