מדריכי מד זרימת מסה לעקרונותיו, סוגיו ויישומיו

במערכות בקרת תהליכים תעשייתיות של ימינו, היכולת למדוד במדויק את זרימת מסת הנוזל חשובה מאוד לשמירה על פעילות חלקה, לאפשר מינון מדויק בייצור וחיוב הוגן במדידת מסחר. מדי זרימת מסה הם כיום מכשירי מדידה חיוניים בתחומים רבים מכיוון שהם מדויקים ואמינים יותר ממכשירי מדידת זרימה נפחית (כגון מד זרימת טורבינה, מד זרימת תזוזה חיובית, מד זרימה מגנטי וכן הלאה). מדריך מפורט זה דן מהם מדי זרימת מסה, למה הם טובים, הסוגים השונים והשימושים החשובים ביותר שלהם.

מהו מד זרימת מסה?

מד זרימת מסה הוא כלי מדויק מאוד המודד את קצב זרימת המסה של נוזלים הנעים דרך צינור. מדי זרימת מסה, לעומת זאת, נותנים מדידות ישירות של מסת נוזלים ביחידות זרימה כמו ק"ג, טון או פאונד שאינן משתנות עם טמפרטורה, לחץ, צפיפות או צמיגות. עם זאת, מדי זרימה נפחיים מודדים נפח נוזלים (יחידות זרימה כמו מ"ק/שעה, CFM או GPM). בשל יכולת זו, הם נחוצים במצבים הדורשים דיוק ועקביות גבוהים.

ישנם עקרונות פיזיקליים רבים עליהם פועלים מדי זרימת מסה, אך אפקט קוריוליס הוא הנפוץ ביותר וגם בעל הדיוק הטוב ביותר. כאשר נוזל נע דרך שני צינורות חיישן מדידה רוטטים, הדבר גורם להזזות פאזה או שינויי תדר שהם פרופורציונליים לקצב זרימת המסה. משדר זרימת המסה קוריוליס יכול לחשב במדויק את זרימת המסה בדיוק רב על ידי זיהוי שינויים אלה.

מדוע מדידת זרימת מסה חשובה?

ביישומים תעשייתיים מספריים בפועל, מדידת זרימת מסה טובה בהרבה ממדידה נפחית ממספר סיבות:

• דיוק טוב יותר

מדי זרימת מסה של קוריוליס מודדים בדרך כלל בדיוק של ±0.1% עד ±0.2%, וזה הרבה יותר טוב ממדדי זרימת נפח מסורתיים (לדוגמה, רוטמטרים יכולים להיות בעלי דיוק של 1.0~1.5% בלבד). דיוק גבוה זה חשוב מאוד להעברת משמורת, מינון ובקרת איכות, שבהם אפילו טעויות קטנות או מדידות לא מדויקות עלולות להיות בעלות השפעות שליליות.

• עצמאות מתנאי תהליך

שינויים בטמפרטורה ובלחץ של הנוזל אינם משפיעים על תוצאת המדידה של חיישן קוריוליס, כך שאין צורך לבצע חישובי פיצוי או תיקון (לדוגמה, מד זרימת טורבינת גז EVC). תכונה זו שימושית במיוחד ביישומים מסוימים שבהם תנאי ההפעלה כמו לחץ או טמפרטורה משתנים לעתים קרובות במדידת זרימת גז, מכיוון שמדידות נפחיות ידרשו תיקונים מורכבים המוסיפים אי ודאות נוספת.

• נתוני זרימת מסה ישירה

תהליכים תעשייתיים רבים זקוקים לנתוני מסה במקום לנתוני נפח. מסה חשובה לתגובות כימיות, ערבוב חומרים ולחישוב כמות האנרגיה הדרושה. מדי זרימת מסה מספקים מידע זה ישירות, מה שמפחית שגיאות המרה ומקל על בקרת התהליך. לדוגמה, אם קצב הזרימה של חנקן המחושב ממד טורבינת הגז הוא 20 CFM, קשה לקבל ערך צפיפות מדויק כדי להמיר אותו לק"ג/שעה.

• מדידה מרובת פרמטרים

מדי זרימת מסה מודרניים יכולים למדוד יותר מפרמטר אחד (יחידת זרימת מסה) בו זמנית, כגון צפיפות, ריכוז, בריקס וטמפרטורה. רב-פונקציונליות זו פירושה שיש צורך בפחות מכשירים משולבים, מה שמפחית את עלויות ההתקנה והופך את המערכת כולה לקלה יותר לשימוש, ובמקביל הופך את המדידות לאמינות יותר.

• שימושים רחבים

מדי זרימת מסה יכולים לעבוד עם מגוון רחב של נוזלים, כמו נוזלים, גזים ותרחיפים; כמו כן, הם יכולים להתמודד עם יישומי נוזלים קשים, כמו מדידת חמצן בטמפרטורה נמוכה במיוחד, מדידת חנקן בלחץ גבוה במיוחד, מדידת אספלט או נפט גולמי בצמיגות גבוהה במיוחד, ומדידת תרחיף כרייה שוחק במיוחד.

סוגים שונים של מדי זרימת מסה

ישנם שני סוגים עיקריים של מדי זרימת מסה בהתבסס על אופן פעולתם:

מכשירי מדידה ישירים של זרימת מסה

מדי זרימת מסה ישירה מודדים את קצב זרימת המסה מבלי צורך לבצע חישובים או המרות נוספים:

• מדי זרימת מסה של קוריוליס

מדי קוריוליס הם הסוג הנפוץ ביותר של מדי זרימת מסה ישירה. הם משתמשים בעיקרון אפקט קוריוליס. כאשר נוזל נע דרך צינור רוטט אחד או יותר, כוחות קוריוליס גורמים לשינויים בפאזה או בתדירות שניתן למדוד. מדידים אלה מדויקים מאוד (בדרך כלל ±0.1% או יותר), יכולים למדוד נוזלים וגזים כאחד, ויכולים גם למדוד צפיפות בו זמנית. הם מושלמים להעברת משמורת, מינון מדויק ומדידת נוזלים בעלי ערך גבוה.

• מדי זרימת מסה תרמית

מדי חום משתמשים בעקרונות העברת החום כדי למצוא את קצב זרימת המסה על ידי מדידת החום שנוזל זורם נושא עימו. הם מיועדים למדידת גז והם פופולריים במיוחד בייצור מוליכים למחצה, ניטור גז טבעי ומערכות אוויר דחוס. מדי חום אלה זולים לשימוש עבור גז ואינם דורשים תחזוקה רבה.

מדידת זרימת מסה עקיפה

מדי זרימת מסה עקיפים מחשבים את זרימת המסה על ידי מדידת זרימת נפח וצפיפות:

• מד זרימה נפחי עם פיצוי צפיפות

מדידת זרימת מסת קיטור עקיפה באמצעות מד זרימת מערבולת

שיטה זו משתמשת במד צפיפות נפרד ובמד זרימה נפחית, כמו מד טורבינה, מד מערבולת או מד אלקטרומגנטי. כדי למצוא את זרימת המסה, יש להכפיל את זרימת הנפח בצפיפות. פתרון זה עשוי להיות לא מדויק כמו שיטות ישירות, אך הוא יכול להיות זול יותר עבור שימושים מסוימים.

• מדי זרימה ללחץ דיפרנציאלי עם פיצוי

מד זרימת לחץ דיפרנציאלי

ניתן לשפר מדי זרימה מסורתיים של DP (כמו פלטות פתח, צינורות V-קונוס, צינורות טבעתיים וצינורות ונטורי) על ידי הוספת חיישן טמפרטורה RTD וחיישן לחץ כדי להשיג פיצוי ולקבל הערכות של זרימת מסה. מערכות אלו ידועות ובעלות היסטוריה ארוכה מאוד, אך בדרך כלל אינן מדויקות כמו מדי זרימת מסה ישירים. עם זאת, עדיין יש להם יישומים רחבים, כגון מדידת גז טבעי בלחץ גבוה ומדידת זרימת קיטור מחומם-על.

מדי זרימת מסה עקיפים זולים בהרבה, אך הם בדרך כלל פחות מדויקים ואמינים משיטות מדידה ישירות. הם גם דורשים תחזוקה רבה יותר מכיוון שיש להם יותר חיישנים כדי לקבל את התוצאה.

יישומי מדי זרימת מסה

• יישומים במדידה ובקרה של תהליכים

מדי זרימת מסה מסוג קוריוליס משמשים בתחומים הדורשים מינון מדויק ובקרת תהליכים קפדנית. בתעשייה הכימית, הם עוקבים אחר חומרי הגלם הנכנסים לכורים כדי לוודא שהכמויות הנכונות של כימיקלים שונים מעורבות בתגובות. בתעשיית הנפט והגז, הם משמשים למדידת נפט גולמי, גז טבעי וגז נוזלי גז (LPG) למטרות מסחר. תעשיות המזון והתרופות תלויות בהם גם כדי לשלוט בקפידה על הוספת מרכיבים חשובים או יקרים כמו סוכרים, חומרי טעם וריח ומרכיבים פעילים.

• שימושים בתנאים קשים ובנוזלים מורכבים

מד זרימת מסה קוריוליס מצוין להתמודדות עם נוזלים מורכבים וקשים. הוא מודד במדויק נוזלים לא ניוטוניים, נוזלים עם בועות ונוזלים בעלי צמיגות גבוהה במיוחד, כמו נפט גולמי, שרף, מולסה או משחת שוקולד. אלו הם סוגי הנוזלים שמדי זרימה אחרים לרוב אינם יכולים להתמודד איתם. כמו כן, הוא פועל היטב במצבים של לחץ גבוה וטמפרטורה גבוהה, כמו מדידת זרימת שעווה, פרופאן קריוגני, בוץ קידוח, גופרית נוזלית וכן הלאה. עיצוב חיישן זרימת המסה, שאין בו אזורים מתים ואין בו חלקים נעים, מקל על ניקויו ועומד בתקנים סניטריים מחמירים לשימושים היגייניים כמו הובלת מוצרי חלב או ביו-פרמצבטיקה דרך צינורות.

• שימושים במדידת פרמטרים נגזרים וחיסכון בכסף

מדי זרימת מסה מסוג קוריוליס מודדים יותר מסתם זרימת מסה. הם גם מודדים צפיפות נוזלים וטמפרטורה. תכונה נוספת זו מגדילה מאוד את טווח השימושים שלהם, ומאפשרת מדידות עקיפות של גורמים חשובים כמו ריכוז נוזלים, טוהר אלכוהול, תכולת סוכר (בריקס) או ריכוז חומצה גופרתית, מה שאומר שאין צורך במספר רב של חיישנים נפרדים.