ทำความรู้จักกับเครื่องวัดอัตราการไหล
เครื่องวัดอัตราการไหล หรือที่เราเรียกว่า flow meter คืออุปกรณ์ที่ใช้วัดปริมาณหรืออัตราการไหลของของไหล (ทั้งของเหลวและก๊าซ) ที่ผ่านตัวเครื่องในหน่วยเวลาหรือปริมาตรหรือมวล เช่น ลิตรต่อวินาที (L/s), ลูกบาศก์เมตรต่อชั่วโมง (m³/h) หรือกิโลกรัมต่อชั่วโมง (kg/h) เป็นต้น ซึ่งหลักการทำงาน flow meter จะแตกต่างกันไปตามชนิดและลักษณะการใช้งาน เช่น
- วัดจากความดันที่เปลี่ยนแปลง (Differential Pressure): ใช้การติดตั้งอุปกรณ์กีดขวางความดัน แล้วคำนวณอัตราการไหลจากความต่างของความดันทั้งสองฝั่ง
- วัดจากปริมาตรคงที่ (Positive Displacement): เก็บและปล่อยของไหลทีละหน่วยปริมาตรที่ทราบขนาดชัดเจน จึงได้ค่าที่แม่นยำ
- วัดจากความเร็ว (Velocity): เช่น Turbine, Ultrasonic, Electromagnetic วัดความเร็วของของไหลแล้วเปลี่ยนเป็นอัตราการไหล (Flow rate)
โดยทั่วไปจะเลือกใช้ชนิดที่เหมาะสมกับลักษณะของไหล (สะอาด มีตะกอน นำไฟฟ้า ฯลฯ) ความแม่นยำที่ต้องการ และสภาพแวดล้อมในการติดตั้ง เช่น งานอุตสาหกรรมเคมี ระบบประปา งานบำบัดน้ำเสีย หรือกระบวนการผลิตก๊าซธรรมชาติ เป็นต้น
เครื่องวัดการไหล (Flow Meter) มีกี่ประเภท
หากนับตามหลักการทำงาน flow meter มี 7 กลุ่มหลัก แต่ละกลุ่มมีชนิดย่อยอีกหลายแบบ ให้เลือกตามลักษณะของไหล ความแม่นยำที่ต้องการ ต้นทุน และสภาวะแวดล้อมที่ติดตั้ง ในบทความนี้จะพูดสรุปถึง flow meter ทั้ง 7 กลุ่ม รวมทั้งข้อดีและข้อเสีย เพื่อที่คุณจะได้นำไปใช้งานได้อย่างถูกต้อง
1. Differential Pressure
เครื่องวัดการไหลชนิดนี้ทำงานด้วยหลักการ Bernoulli โดยความดันของของไหลจะลดลงเมื่อความเร็วของไหลเพิ่มขึ้น การติดตั้ง orifice plate หรือ venturi tube ไว้ในเส้นทางการไหลทำให้เกิดความแตกต่างของความดันระหว่างด้านหน้าและหลังอุปกรณ์ อัตราการไหลจึงคำนวณได้จากการวัดค่าความดันทั้งสองฝั่ง
ข้อดี
- ใช้งานได้ดีกับของเหลว ก๊าซ และไอน้ำ
- มีความเชื่อถือสูงและใช้ได้ในอุตสาหกรรมที่หลากหลาย
ข้อเสีย
- การวัดอาจมีความคลาดเคลื่อนในกรณีที่มีการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิและความดัน
- ต้องการการบำรุงรักษาเพื่อป้องกันการสะสมของสิ่งสกปรกในอุปกรณ์
2. Positive Displacement
เครื่องวัดการไหลชนิดนี้จะจับปริมาตรของของเหลวที่ไหลผ่านอุปกรณ์ในช่วงเวลาหนึ่ง โดยใช้กลไกเชิงบวก เช่น ลูกสูบ หมุนรอบ หรือเฟือง (Rotary Piston, Gear Meter) แต่ละรอบของการหมุนหรือการเคลื่อนที่ของส่วนประกอบภายในจะเท่ากับปริมาตรที่แน่นอน จำนวนรอบทั้งหมดจึงบ่งบอกถึงปริมาตรของของเหลวที่ไหลผ่านได้อย่างแม่นยำ
ข้อดี
- ความแม่นยำสูงโดยเฉพาะกับของเหลวที่มีความหนืด ไม่ได้รับผลกระทบจากความผันผวนของการไหล
ข้อเสีย
- มีส่วนเคลื่อนไหวที่อาจสึกหรอ ทำให้ต้องมีการบำรุงรักษาเป็นประจำ
- ไม่เหมาะกับของเหลวที่มีสิ่งสกปรกหรืออนุภาคปนเปื้อนภายใน
3. Turbine
หลักการทำงาน flow meter ประเภทนี้คือใช้ใบพัดหมุนที่ถูกติดตั้งภายในท่อ ใบพัดจะหมุนตามอัตราการไหลของของเหลว และทุกการหมุนจะถูกแปลงเป็นสัญญาณไฟฟ้าผ่านเซ็นเซอร์ ความเร็วในการหมุนสัมพันธ์โดยตรงกับอัตราการไหล โดยเซ็นเซอร์จะนับจำนวนรอบแล้วคำนวณออกมาเป็น flow rate
ข้อดี
- เหมาะสำหรับของเหลวที่สะอาดและปราศจากของแข็ง มีการตอบสนองรวดเร็วและแม่นยำ
ข้อเสีย
- ความแม่นยำลดลงเมื่อมีสิ่งสกปรกเจือปนในของเหลว
- ใบพัดอาจสึกหรอหากใช้งานกับของเหลวที่มีความหนืดต่ำหรือมีสิ่งปนเปื้อน
4. Ultrasonic
หลักการคือใช้คลื่นเสียงอัลตร้าโซนิกที่ส่งผ่านของเหลวหรือก๊าซเพื่อวัดอัตราการไหล มีสองเทคโนโลยีหลัก ได้แก่ Transit-time ซึ่งวัดเวลาที่คลื่นเสียงใช้ในการเดินทางจากตัวส่งไปยังตัวรับ และ Doppler Effect ที่วัดการเปลี่ยนแปลงของความถี่คลื่นเสียงที่สะท้อนจากอนุภาคหรือฟองอากาศในของเหลว การเปลี่ยนแปลงทั้งสองแบบนี้สัมพันธ์กับอัตราการไหลโดยตรง
ข้อดี
- ไม่มีส่วนเคลื่อนไหว ลดความเสี่ยงต่อการสึกหรอ
- วัดได้ทั้งของเหลวที่เป็นสื่อนำไฟฟ้าและไม่นำไฟฟ้า
ข้อเสีย
- ความแม่นยำขึ้นอยู่กับสภาพของเหลว หากมีอนุภาคมากอาจทำให้ค่าที่วัดได้มีความคลาดเคลื่อน
- ราคาค่อนข้างสูงเมื่อเทียบกับประเภทอื่น
5. Electromagnetic
ใช้หลักการของฟาราเดย์ (Faraday’s Law) ซึ่งกล่าวว่าของเหลวที่เป็นสื่อนำไฟฟ้าเมื่อไหลผ่านสนามแม่เหล็กไฟฟ้าจะสร้างแรงเคลื่อนไฟฟ้า (Voltage) ที่วัดได้ที่อิเล็กโทรดซึ่งติดตั้งทั้งสองข้างของเซ็นเซอร์ ค่าแรงดันที่วัดได้นี้สัมพันธ์โดยตรงกับอัตราการไหลของของเหลว
ข้อดี
- ไม่มีส่วนเคลื่อนไหวภายในท่อ ลดความเสี่ยงต่อการสึกหรอ
- เหมาะสำหรับของเหลวที่เป็นกรดหรือด่าง และรับมือได้กับสภาวะการไหลที่ไม่สมบูรณ์
ข้อเสีย
- ใช้ได้กับของเหลวที่เป็นสื่อนำไฟฟ้าเท่านั้น
- การติดตั้งและบำรุงรักษาอาจซับซ้อนกว่าชนิดอื่น
6. Coriolis
อาศัยหลักการของแรง Coriolis ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อของเหลวหรือก๊าซเคลื่อนที่ผ่านท่อที่มีแรงสั่นสะเทือน แรงดังกล่าวทำให้เกิดการบิดเบือนในท่อสั่น ค่าการบิดเบือนนั้นจะถูกวัดและคำนวณเป็นอัตราการไหล
ข้อดี
- ความแม่นยำสูงมาก สามารถวัดได้ทั้งอัตราการไหลและความหนาแน่นของของเหลว
- ใช้งานได้กับของเหลวหลากหลายชนิด ทั้งหนืดและไม่หนืด
ข้อเสีย
- ราคาแพงเมื่อเทียบกับ flow meter ชนิดอื่น
- การติดตั้งต้องการความแม่นยำและการจัดการที่ดีเพื่อป้องกันความเสียหายของอุปกรณ์
7. Vortex
อาศัยหลักการกระแสน้ำวน (Vortex) เมื่อของเหลวหรือก๊าซไหลผ่านสิ่งกีดขวาง เช่น bluff body ในท่อ กระแสน้ำวนที่เกิดขึ้นจะสร้างการสั่นสะเทือนที่สัมพันธ์กับอัตราการไหล เซ็นเซอร์จะตรวจจับความถี่ของการสั่นสะเทือนนั้นแล้วแปลงเป็นค่าการไหล
ข้อดี
- ไม่มีส่วนเคลื่อนไหว ทำให้การบำรุงรักษาน้อย
- ใช้ได้กับของเหลว ก๊าซ และไอน้ำในอุณหภูมิสูง
ข้อเสีย
- ความแม่นยำอาจลดลงในกรณีที่การไหลไม่เสถียรหรืออัตราการไหลต่ำ
- ควรติดตั้งในตำแหน่งที่เหมาะสมเพื่อหลีกเลี่ยงการรบกวนจากการไหลที่ปั่นป่วน
สรุป
สำหรับการเลือกใช้งาน flow meter ให้เหมาะสมกับโรงงานอุตสาหกรรม แยกตามการใช้งานได้ดังนี้
1. ของไหลประเภทน้ำ / น้ำเสีย (เช่น น้ำหล่อเย็น, น้ำประปา, น้ำเสีย)
- Flow meter ที่เหมาะสม: Electromagnetic flow meter (Magmeter)
- เหตุผล: ไม่มีชิ้นส่วนเคลื่อนไหว ทนต่อสารเคมีในน้ำเสีย วัดแม่นยำ
- ข้อควรระวัง: ต้องใช้กับของเหลวที่มีคุณสมบัตินำไฟฟ้าเท่านั้น
2. ของเหลวหนืด / น้ำมัน / สารเคมีเข้มข้น
- Flow meter ที่เหมาะสม: Positive Displacement (PD) Meter หรือ Coriolis flow meter
- เหตุผล: PD วัดจากปริมาตรจริงได้แม่นยำแม้ของเหลวมีความหนืดสูง ส่วน Coriolis วัดได้ทั้งมวล ความหนาแน่น และอุณหภูมิในตัวเดียว
3. แก๊ส / ไอน้ำ (Steam, อากาศอัด, ไนโตรเจน, ก๊าซธรรมชาติ)
- Flow meter ที่เหมาะสม: Thermal Mass Flow meter สำหรับแก๊สสะอาดปริมาณต่ำถึงปานกลาง หรือ Vortex flow meter สำหรับไอน้ำและแก๊สที่มีความปั่นป่วนสูง
- ข้อควรระวัง: Thermal Mass อาจไม่เหมาะกับแก๊สผสมหรือมีสิ่งเจือปน
4. การวัดท่อขนาดใหญ่ หรือติดตั้งภายนอก
- Flow meter ที่เหมาะสม: Ultrasonic Flow meter แบบ clamp-on
- เหตุผล: ไม่ต้องตัดท่อ ติดตั้งง่าย
- ข้อควรระวัง: ต้องสอบเทียบให้แม่นยำ และผลลัพธ์ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของท่อและของไหล
การรู้และเข้าใจหลักการทำงาน flow meter ข้อดีและข้อเสียของแต่ละประเภทเป็นสิ่งสำคัญในการตัดสินใจเลือกใช้อุปกรณ์ที่เหมาะสม ความเข้าใจนี้จะช่วยลดความเสี่ยงในการเกิดปัญหาในอนาคตและเพิ่มประสิทธิภาพการดำเนินงานได้สูงสุด