نقش انکارناپذیر آنها را در صنعت نشان می دهد. از ترکیب شیمیایی و بالانس ماتریال تا صورت هزینه‌های مالی و فاکتورهای فروش شرکت‌های شیمیایی و نفتی.

روشن است که با نگاه به اهمیت این سنجه، دقت و قابلیت اعتماد در اندازه‌گیری جریان جرمی بسیار مهم و تعیین کننده خواهد بود.

تاریخچه فلومترهای کوریلیس

 در گذشته فلومترها بر پایه ترکیب اندازه‌گیری حجمی و اندازه‌گیری چگالی کار می‌کردند.
به این ترتیب که حجم جداگانه و چگالی جداگانه اندازه‌گیری می‌شد و سپس با محاسبه مستقیم ریاضی فلوی جرمی به دست می‌آمد.

 اندازه گیری به این روش خطا خواهد داشت چرا که چگالی در اثر تغییر دما و فشار ثابت نیست از این رو محاسبه مستقیم ریاضی پاسخ دقیقی برای اندازه‌گیری جرمی نخواهد بود.

یکی دیگر از طراحی‌های نخستین فلومترهای جرمی بر پایه مومنتوم زاویه‌ای بود در این نوع فلومتر یک موتور پروانه را با سرعت ثابتی می‌چرخاند و در نتیجه سیال به سرعت زاویه‌ای ثابتی می‌رسد. در پایین دست پروانه یک مجموعه توربین و نشان دهنده عقربه‌ای وجود دارد که انرژی جریان را به گشتاور تبدیل کرده  و چرخش عقربه فلو را نشان می‌دهد.

هرچه چگالی بیشتر باشد مومنتوم زاویه‌ای و یا گشتاور بیشتری نیاز است و این یک شاخص برای نشان دهنده جرم خواهد بود.

این گونه از فلومترها دقت نسبتا بالایی داشتند اما پیچیدگی ساختار مکانیکی و بالا بودن هزینه‌های تعمیرات و نگهداری آنها را رفته رفته از دور خارج کرد.

گرچه همین اصل بهره گیری از مومنتوم زاویه‌ای، پایه طراحی فلومترهای جرمی کوریولیس شد و نخستین ثبت اختراع در این زمینه به دهه ۵۰ میلادی برمی‌گردد و نخستین فلومتر جرمی در دهه ۷۰ میلادی وارد صنعت شده و برای اندازه‌گیری‌های دقیق فلوی جرمی در مقیاس گسترده‌ای مورد بهره‌برداری قرار گرفت.

تصویر شماره یک فلومتر جرمی کوریولیس

اصل کوریولیس

جرمی را در حرکت دورانی در شعاع ثابت در نظر بگیریم. زاویه این جرم نسبت به مرکز دوران پیوسته تغییرمی کند و از این رو دارای سرعت زاویه ای است.

حال اگر همین جرم، در شعاع متغیر دوران کند( مانند حرکت اجسام در گردابها یا گربادها)  آنگاه افزون بر سرعت زاویه ای سرعت خطی هم خواهد داشت و اینجاست که شتاب کورویلیس و بنابراین نیروی کوریولیس را خواهیم داشت.

همه اجسام متحرک رو زمین دارای شتاب کوریولیس هستند چرا که در حالی که به همراه زمین در چرخش و بنابراین دارای سرعت زاویه ای هستند، سرعت خطی هم دارند.

اصل کوریولیس به گونه ای یک انحراف از مسیر را پدید می آورد و نقش مهمی در پدیده های جزر و مدی اقیانوسها و نیز هوای کره زمین دارد.

تصویر شماره دو اثر پدیده کوریولیس بر جریانات جزر و مدی و هوایی

مروری بر تئوری:  از دینامیک به یاد می آوریم که شتاب کوریولیس از دو برابر حاصلضرب سرعت زاویه ای در سرعت خطی( یا همان تغییرات شعاع در برابر زمان) به دست می آید:

و اما چگونه از این پدیده برای اندازه گیری  جریان جرمی استفاده می کنیم؟

سیالی را که دورن یک لوله در جریان است در نظر بگیریم. این سیال در مسیری مستقیم حرکت می کند. اکنون چنانچه با مداخله مکانیکی سیال را از مسیر خود منحرف کرده و در مسیری دورانی با شعاع متغیر وارد کنیم، آنگاه سیال در هنگام نزدیک شدن به مرکز دوران یا دور شدن از آن، دارای شتاب کوریولیس خواهد شد.

در نهایت نیرویی خواهیم داشت که عمود بر دیواره لوله است. این نیرو تغییر شکلی در لوله وسیله مکانیکی( فلومتر) پدید می آورد که تابعی است از نرخ جرمی جریان.

تصویر شماره سه اصل کوریولیس در یک لوله

جرم دیفرانسیلی dm  را که درون لوله منعطف( (tube T ( با لوله فرایند اصلی اشتباه نشود)  با سرعت V در حرکت است. خود لوله به دور نقطه ثابت P می چرخد. و جرم در فاصله r  از نقطه P  است.

جرم دیفرانسیلی ما با سرعت زاویه ای   تحت تأثیردو همنه شتابی یکی جانب به مرکز ar  که به سوی مرکز است و دیگری کوریولیس at که عمود بر ar است می چرخد.

نیرویی برابر با ar  = w2r بر جرم وارد می شود، جرم دیفرانسیلی هم نیروی کوریولیس عکس العملی برابر و در خلاف جهت وارد می کند.

اکنون سیال با چگالی D  و با سرعت ثابت از مقطع A  لوله می گذرد. در این صورت طول X   از لوله،  نیروی کوریولیس برابر با   Fc = 2w vDAx  را دریافت می کند.

از آنجا که نرخ جرمی فلو برابر است با dm = DvA  نیروی کوریولیس برابر خواهد بود با Fc = 2w* (dm)x و سرانجام:

این روش اندازه گیری فلو در یک فلومتر جرمی کوریولیس است. البته باید توجه داشت که در یک فلومتر واقعی، تیوب چرخشی ندارد و به جای آن لرزش کنترل شده ای در تیوب درست می شود که همان اثر را خواهد داشت.

فلومتر جرمی کوریولیس چگونه کار می کند؟

این فلومترها همان گونه که دیدیم، جرم را از طریق مومنتوم (اینرسی) اندازه می گیرند. سیال وارد تیوب فلومتر می شود. تیوب را یک Actuator  کوچک می لرزاند. این لرزش مصنوعی شتاب لازم کوریولیس را فراهم کرده که به نوبه خود نیرویی پیچشی را- که همان نیروی واکنشی سیال است- درست می کند. این نیرو ی قابل اندازه گیری متناسب با جرم است.

فرکانس لرزش تیوب همان فرکانس رزونانس تیوب است. چرا که با گزینش این فرکانس کمترین نیرو برای مرتعش کردن تیوب نیاز خواهد بود.

تصویر شماره پنج نمای برش خورده فلومتر کوریولیس

فلومتر کوریولیس شامل اجزای زیر است:

• دو تیوب که معمولاً به شکل U درآمده اند.
• یک کویل
• یک مگنت
• یک سنسور و
• یک ترانسمیتر

کویل و مگنت هر کدام روی یک تیوب نصب شده اند. ترانسمیتر جریانی متناوب به کویل گسیل می دارد. از این رو کویل جذب و دفع می شود و تیوبها را به حرکت در  می آرود( تیوبها به هم نزدیک و از هم دور می شوند). این حرکت رفت و برگشتی میدان مغناطیسی کویل را تغییر می دهد و یک جریان سینوسی از کویل را پدید می آورد.

سنسور این جریان را دریافت می کند که میتواند آن را به حرکت نسبی، سرعت یا شتاب تفسیر کند. در بیشتر کاربردها، سنسور الکترومغناطیسی به کار می رود که  مبنای دریافت حرکتی ( حرکت نسبی تیوبها) دارد.

تصویر شماره شش طرحواره  فلومتر کوریولیس

تصویر شماره شش را در نظر می گیریم. هنگامی که فلو نیست، لرزشی که کویل درست کرده است، تنها یک جابجایی یکسان در هردو تیوب پدید می آورد. بنابراین پیچشی در کار نیست و ترم   را هم نخواهیم داشت.

هنگامی که فلو برقرار می شود، جریان خطی هم خواهد بود و جابجایی پیچشی تیوبها شتاب ثانویه پیچشی ( که همان شتاب کوریولیس باشد) را پدید می آورد و فلومتر کار می کند. روشن است اگر فلو صفر باشد و لرزش داشته باشیم یا چنانچه فلو صفر نباشد ولی لرزش نداشته باشیم، فلومتر هیچ عددی را نشان نمی دهد.

فرکانس طبیعی تیوبها وابسته است به: جرم مجموعه تیوب( خود تیوب و سیال درون آن) ماتریال تیوب و هندسه و فرم تیوب. جرم تیوب که ثابت است.  از ان جا که جرم سیال برابر است با ضرب چگالی در حجم - که آن نیز مقداری است ثابت- بنابراین فرکانس ارتعاش به  چگالی سیال وابسته خواهدبود.

چگالی سیال را نیز  می توان از روی فرکانس رزونانسی تیوبهای در نوسان( باز هم در فلوی صفر و با تیوب پر از سیال) به دست آورد.

برای افزایش عمر مفید دستگاه، تیوب معمولاً با ضخامت بالا به کار می رود. جرا که حتی ضخیم ترین تیوبها هم از جنس لوله فرایند سیال) PIPE ( منعطف تر است.

برای بهبود دقت و دامنه اندازه گیری ، بهتر است بالاترین ضخامت و کمترین سرعت سیال به کار گرفته شود.

طراحی ترانسمیتر

ترانسمیترها می توانند AC یا DC باشند با سیم کشی جداگانه برای انتقال سیگنال خروجی شان. ترانشمیترها می توانند با بدنه فلومتر یکپارچه یا جداگانه نصب شوند. ترانسمیتر کارکرد درایو( نوسان ساز) را کنترل و سیگنال سنیور را منتقل می کند.

ترانسمیترها برای هر سیالی قابل کالیبره شدن هستند. ضریب کالیبراسیون ترانسمیتر K نشانگر ثابت تناسب میان نیروی کوریولیس و نرخ جرمی جریان برای ثابت فنری یک تیوب نوسانی مشخص است.

تصویر شماره هفت طرحواره  ترانسمیتر فلومتر کوریولیس