เซนเซอร์วัดการไหล (Flow sensors)

เซนเซอร์วัดการไหล (Flow sensors) โดยทั่วไปเรียกว่า “เครื่องวัดการไหล” เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่วัดหรือควบคุมอัตราการไหลของของเหลวและก๊าซภายในท่อโดยทั่วไปเซนเซอร์การไหลจะเชื่อมต่อกับเกจวัดเพื่อแสดงการวัด แต่ยังสามารถเชื่อมต่อกับคอมพิวเตอร์และอินเทอร์เฟซดิจิทัลได้ มักใช้ในระบบ HVAC อุปกรณ์การแพทย์โรงงานเคมีและระบบบําบัดน้ําเสีย เซนเซอร์การไหลสามารถตรวจจับการรั่วไหลการอุดตันการระเบิดของท่อและการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของของเหลวเนื่องจากการปนเปื้อนหรือมลพิษ

เซนเซอร์วัดการไหล สามารถแบ่งออกเป็นสองกลุ่ม: เซนเซอร์การไหลแบบสัมผัสและแบบไม่สัมผัส เซนเซอร์วัดการไหลแบบสัมผัสใช้ในการใช้งานที่คาดว่าของเหลวหรือก๊าซที่วัดได้จะไม่อุดตันในท่อเมื่อสัมผัสกับชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวของเซนเซอร์ ในทางตรงกันข้ามเซนเซอร์การไหลแบบไม่สัมผัสไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวและโดยทั่วไปจะใช้เมื่อของเหลวหรือก๊าซ (โดยทั่วไปคือผลิตภัณฑ์อาหาร) ที่กําลังตรวจสอบจะถูกปนเปื้อนหรือเปลี่ยนแปลงทางกายภาพโดยการสัมผัสกับชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว

Flow sensors เป็นส่วนประกอบที่ใช้วัดการไหลของของไหล เช่น ก๊าซหรือของเหลว เซนเซอร์ตรวจจับการไหลใช้ทั้งระบบย่อยเชิงกลและไฟฟ้าเพื่อวัดการเปลี่ยนแปลงคุณลักษณะทางกายภาพของของไหลและคำนวณการไหล การวัดคุณลักษณะทางกายภาพเหล่านี้ขึ้นอยู่กับคุณลักษณะทางกายภาพของของไหล ของไหลที่เป็นก๊าซ ของเหลว และไม่ใช่ของนิวตันมีพฤติกรรมแตกต่างกันอย่างมาก ดังนั้นวิธีการที่เราใช้ในการวัดการไหลของของไหลจะต้องแตกต่างกันด้วย

เซนเซอร์วัดการไหล มีหลายประเภท ในที่นี้ เราจะอธิบายประเภทที่ได้รับความนิยมมากที่สุดสองประเภท ได้แก่ เซนเซอร์วัดความดันแตกต่าง (differential pressure) และ เซนเซอร์วัดการไหลของมวลความร้อน (thermal mass flow sensors)

ความเร็วของของไหลสัมพันธ์โดยตรงกับความดันของของไหล ดังที่แสดงไว้ในสมการ Bernoulli 

dp = (ความหนาแน่น * ความเร็ว ^ 2) / 2

เซนเซอร์วัดการไหลของความดันแตกต่าง จะคำนวณความดันของของไหล เซนเซอร์จะวัดความดันด้วยความเร็วที่แตกต่างกันสองระดับในขณะที่รักษาความหนาแน่นของของไหลไว้ ในเซนเซอร์ตรวจจับการไหลแบบความดันแตกต่างส่วนใหญ่ โหนดตรวจวัดความดันจุดเดียว เช่น ท่อปิโตต์ ตั้งอยู่บนขอบของเส้นทางการไหลของของไหล หัวฉีดหรือเส้นผ่านศูนย์กลางรูที่เปลี่ยนไปช่วยเร่งของไหล ซึ่งจะถูกวัดอีกครั้งด้วยความเร็วที่สูงขึ้น เมื่อเซนเซอร์ระบุความแตกต่างของความดันแล้ว เราสามารถใช้สมการเบอร์นูลลีเพื่อหาความเร็วของของไหลได้ สุดท้าย เราสามารถใช้ความเร็วของของไหลนั้นเพื่อกำหนดอัตราการไหลโดยรวมผ่านท่อ

กระบวนการนี้ต้องมีการควบคุมตัวแปรหลายตัวเพื่อคำนวณความเร็วของของไหลอย่างแม่นยำ ดังนั้น เซนเซอร์วัดอัตราการไหลตามความแตกต่างของแรงดันมักจะเป็นชุดประกอบที่ “ขัดขวาง” ท่อ แทนที่จะปรับให้เข้ากับท่อที่มีอยู่ เซนเซอร์ที่แตกต่างกันหลายตัวใช้วิธีการวัดแรงดันที่แตกต่างกัน เช่น:

• ท่อเวนทูรี (Venturi tube)
• โรตามิเตอร์ (Rotameters)
• แผ่นออริฟิส (Orifice plates)
• อุปกรณ์วัดการไหลชนิดท่อปิโตต์ (Pitot tube arrays)

เซนเซอร์ ทั้งหมดนี้มีระดับความแม่นยำและการสูญเสียแรงดันของระบบที่แตกต่างกัน เซนเซอร์วัดการไหลของความดันแตกต่างเป็นเซนเซอร์วัดอัตราการไหลที่ได้รับความนิยมมากที่สุดเนื่องจากประสิทธิภาพและความสามารถรอบด้าน

• วิธีที่หนึ่ง: องค์ประกอบความร้อนและองค์ประกอบตรวจจับความร้อนทำงานร่วมกันเพื่อวัดปริมาณพลังงานที่ของเหลวดูดซับเมื่อไหลผ่านองค์ประกอบความร้อนและเซนเซอร์ความร้อน ประการแรก ของเหลวจะดูดซับพลังงานจากองค์ประกอบความร้อน จากนั้น เซนเซอร์จะวัดของเหลวเพื่อกำหนดปริมาณพลังงานที่ดูดซึม
• วิธีที่สอง: องค์ประกอบความร้อนเดียวทำงานเพื่อรักษาอุณหภูมิให้อยู่ในระดับคงที่ เนื่องจากของไหลดูดซับพลังงาน ทำให้องค์ประกอบความร้อนเย็นลง ซึ่งต้องใช้พลังงานมากขึ้นในระบบเพื่อรักษาอุณหภูมิ เราคำนวณการไหลของมวลโดยกำหนดปริมาณพลังงานที่องค์ประกอบความร้อนใช้เพื่อรักษาตัวเองที่อุณหภูมิคงที่

ในทั้งสองวิธี ความเร็วของของไหลจะสัมพันธ์โดยตรงกับปริมาณพลังงานที่สามารถดูดซับได้ ยิ่งของไหลไหลช้าลงเท่าใด พลังงานก็ยิ่งต้องถ่ายเทจากองค์ประกอบความร้อนไปยังของไหลมากขึ้นเท่านั้น ยิ่งไหลเร็วเท่าไหร่ เวลาในการดูดซึมของของเหลวก็จะยิ่งน้อยลงเท่านั้น ส่วนประกอบที่สำคัญอย่างหนึ่งของเซนเซอร์วัดการไหลของมวลความร้อนคือต้องได้รับการสอบเทียบกับของไหลเฉพาะในระบบการไหลของมวลความร้อน เซนเซอร์การไหลของมวลความร้อนได้รับการปรับแต่งอย่างละเอียดเพื่อรองรับระดับความบริสุทธิ์ของก๊าซที่แตกต่างกัน เช่น ไนโตรเจนเกรดเภสัชกรรมกับไนโตรเจนเกรดอุตสาหกรรม ไนโตรเจนเกรดการผลิต หากปรับเทียบอย่างถูกต้อง เซนเซอร์เหล่านี้จะมีความแม่นยำและเชื่อถือได้อย่างมาก ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมเซนเซอร์จึงได้รับความนิยมในการตั้งค่าการผลิต

มีเซนเซอร์วัดการไหลที่หลากหลายเพื่อตอบสนองความต้องการและการใช้งานเฉพาะกลุ่ม พารามิเตอร์ที่พบบ่อยที่สุดที่จะส่งผลต่อประเภทของเซนเซอร์วัดการไหลที่คุณต้องการคือ:

• ช่วงปริมาตรของเซนเซอร์การไหล (Volumetric ranges of the flow sensor)
• วัสดุ (Material)
• ความดัน (Pressure)
• ความแม่นยำที่จำเป็น (Required accuracy)