แผ่นวัดอากาศในมาตรวัดการไหลอากาศทำงานอย่างไร

หลักการทำงานของ Flow Meter นั้น หากใช้หน่วยของการวัดของไหลนั้น เป็นตัวกำหนด จะมีอยู่ 2 รูปแบบ คือ การวัดอัตราการไหลของปริมาตร และ การวัดอัตราการไหลของมวล

การวัดอัตราการไหลของปริมาตร (volumetric flow rate)

ซึ่งมีหน่วยเป็น m3/s ตาม SI หรือเท่ากับลูกบาศเมตรต่อวินาที โดยจะใช้สัญลักษณ์แทนด้วย Q การหาค่าอัตราการไหลของปริมาตรสามารถคำนวณได้จากสมการด้านล่าง

Q = vA

Q    = อัตราการไหลของปริมาตร
v     = ความเร็วของการไหล
A     = พื้นที่หน้าตัดที่ของไหลวิ่งผ่าน

การวัดอัตราการไหลของมวล (mass flow rate)

ซึ่งมีหน่วยเป็น kg/s ตาม SI หรือเท่ากับกิโลกรัมต่อวินาที โดยจะใช้สัญลักษณ์แทนด้วย ṁ (m-dot) และการหาค่าอัตราการไหลของมวลสามารถคำนวณได้จากสมการด้านล่าง

ในปัจจุบันการใช้งานเครื่องมือวัดการไหล Flow Meter นั้นจะมีการใช้งานทั้่ง 2 รูปแบบ โดย โฟลมิเตอร์ ที่เป็นแบบ การวัดอัตราการไหลของปริมาตร (volumetric flow rate) นั้น จะมีการใช้งานมากที่สุด ดังนั้นในเบื้องต้นจะอธิบายการทำงานของ โฟลมิเตอร์ ชนิดต่างๆ ที่ใช้สำหรับการวัดอัตราการไหลของปริมาตร (volumetric flow rate) ซึ่งในส่วนของตัว Flow Meter นั้นจะประกอบไปด้วยองค์ประกอบ 2 ส่วน ใหญ่ๆ คือ

Flow Sensor หรือ Flow Transducer

เป็นตัวเซนเซอร์ชนิดหนึ่งที่ทำหน้าที่เปลี่ยนสัญญาณที่อยู่ในรูปแบบทางฟิสิกส์ ซึ่งในที่นี้คืออัตราการไหลของของไหล ให้มาอยู่ในรปแบบของสัญญาณไฟฟ้า หรือการเคลื่อนที่ทางกล เพื่อจะหน้าที่ส่งสัญญาณเหล่านี้ไปยังส่วนต่อไป นั่นก็คือ Flow Indicator หรือ Display Unit

Flow Indicator หรือ Display Unit

เป็นอุปกรณ์หรือส่วนประกอบที่จะทำหน้าที่ในการนำสัญญาณที่ได้จาก Flow Sensor หรือ Flow Transducer มาแสดงผล ไม่ว่าจะอยู่ในรูปแบบของ สเกล ระดับความสูง เข็ม หรือตัวเลขดิจิตอล เพื่อให้สามารถสื่อสารให้กับผู้ใช้งานให้รับรู้ได้ว่าค่าการไหลเป็นเท่าไร

โดยตัว Flow Meter บางชนิดไม่จำเป็นต้องมีองค์ประกอบทั้ง 2 ส่วนแยกกันอยู่โดยอิสระ อาจจะอยู่ภายในตัวเดียวกัน ทำงานพร้อมกันเลยก็ได้ เช่น มิเตอร์วัดอัตราการไหลของน้ำประปาที่ถูกติดตั้งอยู่บริเวณที่พักอาศัย หรือ โรงงานอุตสาหกรรม ที่ีมีทั้ง 2 ส่วนทำงานพร้อมกัน

โดยธรรมชาติของของไหลจะมีตัวแปรต่างๆ ที่คอยส่งผลกระทบ เมื่อเราพิจารณาตัวแปรเหล่านี้จะพบว่าตัวแปรต่างๆ จะเป็นส่วนหนึ่งในการพิจารณาเลือก โฟลมิเตอร์ เพื่อให้สามารถใช้งานได้อย่างเต็มประสิทธิภาพ และ อ่านค่าได้อย่างถูกต้อง โดยตัวแปรต่างๆ ที่จะต้องพิจารณาใน
การเลือกใช้ โฟลมิเตอร์ สามารถอธิบายได้ดังนี้

อุณหภูมิ (Temperature) ผลจากการเปลียนแปลงอุณหภูมิของของไหล ซึ่งเกิดมาจากการแลกเปลี่ยนความร้อน หรือความเย็นในขณะเคลื่อนที่นั้น จะมีผลทำให้ค่าความหนืด ความหนาแน่น หรือตัวแปรอื่นๆ เปลียนแปลงไป ซึ่งในของไหลที่มีสถานะเป็นของเหลว Liquid นั้นค่าเหล่านี้อาจมีการเปลี่ยนแปลงน้อย ซึ่งบางครั้งก็จะถือว่าไม่เปลี่ยนแปลง แต่สำหรับของไหลที่มีสถานะเป็นไอ (Vapor) นั้นจะมีผลอย่างมากต่อการเปลี่ยนแปลงอัตราการไหล ซึ่งจำเป็นต้องมีการวัดค่าของอุณหภูมิ เพื่อนำมาเป็นค่าชดเชยในการวัด

ความดัน (Pressure) จะเป็นตัวอย่างอิงในการวัดค่าการวัดอัตราการไหลของปริมาตร ซึ่งจะนิยมระบุไว้ในกรณีที่การวัดนั้นไม่ได้อยู่ภายใต้ความดันบรรยากาศ ซึ่งมีค่า = 14.695949 Psia และอุณหภูมิ 60∘F เช่น ถ้าวัดค่าอัตราการไหลของอากาศได้ 20 CMF จะหมายความว่า ณ ขณะนั้นวัดค่าอัตราการไหลได้ 20 CMF ที่อุณหภูมิ 60∘F ความดัน 14.7 Psia

ความหนืด (Viscosity) หรือ ค่าแรงต้านการไหลของของไหล ซึ่งเป็นสมบัติเฉพาะตัวของของไหลต่างๆ โดยถ้าค่าความหนืดมีค่าสูงจะต้องใช้ค่าความต่างของแรงดันมากเพื่อให้ของไหลนั้นเคลื่อนที่ โดยค่าความหนืดสามารถหาได้จากค่า แรงเค้นเฉือนต่ออัตราเฉือน

ความหนา่แน่น (Density) อัตราส่วนระหว่างปริมาณของมวลสารต่อหน่วยปริมาตร ซึงเป็นสมบัติทางกายภาพของวัสดุ โดยน้ำที่อุณหภูมิ 0∘C ภายใต้ความดันบรรยากาศ 14.7 Psia นั้น จะมีค่าความหนาแน่นอยู่ที่ 999.845 kg/m3

ความอัดตัวได้ (Compressibility) เป็นค่าที่บ่งบอกถึงปริมาตรต่อความดัน โดยเมื่อมีการให้ความดันที่ของไหลแล้ว ปริมาตรของของไหลมีการเปลี่ยนแปลงหรือไม่ โดยสำหรับของไหลที่เป็นของเหลว Liquid นั้น การเปลี่ยนแปลงปริมาตรต่อความดันนั้นมีค่าน้อย จึงไม่ค่อยนำมาคิดถ้าความดันที่เกิดขึ้นไม่สูงมากนั้น แต่สำหรับของไหลที่เป็นไอ Vapor แล้วความดันจะมีผลต่อปริมาตรเป็นอย่างยิ่ง จึ่งจำเป็นต้องนำค่าความดันมาคิดด้วย ซึ่งเราสามารถใช้กฎต่างๆ สำหรับของไหลแต่ละประเภทได้ดังนี้

• ของไหลที่เป็นไอ Vapor จะใช้กฎ (Gas Law)
• ของไหลที่เป็นของเหลว Liquid จะใช้ค่า (Bulk Modulus) ซึ่งหาได้จากสมการ

แรงตึงผิว (Surface Tension) คือค่าแรงต้านที่ผิวหน้าของของเหลว ซึ่งเป็นแรงที่ใช้ยึดเกาะติดระหว่างพื้นผิวของโมเลกุล โดยถ้าของไหลที่มีแรงตึงผิวสูง จะมีแรงเกาะติดระหว่างโมเลกุลมาก ค่าแรงตึงผิวของของไหลจะลดลงเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น เนื่องจากความร้อนจะทำให้แรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลลดลง เป็นผลทำให้ค่าแรงตึงผิวของของไหลจะลดลง โดยของไหลที่มีแรงตึงผิวน้อยจะทำให้ไหลได้ดีกว่าของไหลที่มีแรงตึงผิวสูงภายใต้ความดันเท่ากัน

ตัวเลขเรย์โนลด์ (Reynolds number) หรือ RD คือตัวเลขที่ได้จากการคำนวน ซึ่งจะใช้ในการบ่งบอกถึงลักษณะหรือรูปแบบการไหลของของไหล เพื่อจะใช้ช่วยในการเลือกรูปแบบและชนิดของ Flow Meter ตัวเลขเรย์โนลด์สามารถคำนวนได้จาก

เมื่อเราคำนวณค่าตัวเลขเรย์โนลด์ (Reynolds number) หรือ RD ได้แล้ว สามารถนำมาอธิบายรูปแบบการไหลได้เป็น 2 แบบ คือ

Laminar Flow เป็นรูปแบบการไหลของของไหลที่เป็นไปอย่างราบเรียบ โดยในขณะที่เกิดการไหลนั้น ชั้นของของไหลจะขนานกันไปเรื่อยๆ ซึ่งโดยปกติของไหลที่มีลักษณะการไหลแบบนี้จะค่อนข้างมีความหนืดสูงและเหนียวข้น เช่น น้ำมันเตา ซึ่งโครงสร้างโมเลกุลของสารเหล่านี้จะยึดเกาะกันแน่นทำให้ไหลได้ต่ำ โดยค่า Rangeability ของของไหลที่มีรูปแบบการไหล Laminar Flow จะค่อนข้างคงที่ หรือเป็นเชิงเส้นมากกว่าแบบ Turbulent แต่ในการใช้งานจริงที่พบ จะไม่ค่อยพบการไหลแบบ Laminar Flow แต่จะพบแบบที่เป็น Turbulent มากกว่า

Turbulent Flow เป็นรูปแบบการไหลของของไหลที่เป็นไปอย่างไม่ราบเรียบ และไม่มีระเบียบ โดยในขณะที่เกิดการไหลนั้น ชั้นของ
ไหลที่เกิดขึ้นจะไม่แน่นอน เกิดการหมุนวนบ้าง ซึ่งโดยปกติของไหลที่มีลักษณะการไหลแบบนี้จะค่อนข้างมีความหนืดต่ำ เช่น น้ำ
ไอน้ำ แก๊ส

เราสามารถแยกรูปแบการไหลได้ จากการพิจารณาค่าของตัวเลขเรย์โนลด์ (Reynolds number) หรือ RD โดยถ้าย่านของตัวเลขนี้อยู่ในช่วง 0 – 2000 ถือว่าเป็นการไหลแบบ Laminar Flow และ ถ้าตัวเลขเรย์โนลด์ (Reynolds number) หรือ RD มีค่ามากกว่า 4000 ขึ้นไปจะถือว่าเป็นการไหลแบบ Turbulent Flow

ซึ่งจะเห็นได้ว่ามีอยู่ช่วงหนึ่งที่หายไป นั่นก็คือ 2000-4000 ซึ่งในช่วงนี้เป็นช่วงการไหลในย่านวิกฤติ ซึ่งจะมีการไหลทั้ง 2 แบบปนกันไป เราจึงจำเป็นต้องออกแบบระบบให้การไหลไม่ตกอยู่ในย่านนี้เพราะจะทำให้การหาเครื่องมือวัด หรือ Flow Meter ที่ทำได้ยากและมีราคาที่ค่อนข้างสูง

จากข้อมูลทั้งหมดที่ทางเราได้นำมาเสนอนนั้น คงทำให้ท่านผู้อ่านมีความเข้าใจถึง หลักการทำงานของโฟลมิเตอร์ ได้มากขึ้นนะครับ อีก
ทั้งยังได้ทราบถึง ปัจจัยต่างๆ ที่มีผลต่อการวัดการไหลของโฟลมิเตอร์ โดยข้อมูลเหล่านี้คือใจความพื้นฐานสำคัญที่จะช่วยให้ท่านผู้อ่าน
มีความเข้าใจว่า โฟลมิเตอร์คืออะไร? และ นำไปสู่ การเลือกใช้ กลุ่มสินค้าของโฟลมิเตอร์  ได้อย่างถูกต้อง

โดยทาง my.Factomart.com หวังว่าบทความนี้จะมีส่วนช่วยให้ท่านสามารถใช้งาน Flow Meter ได้อย่างเหมาะสมและก่อให้เกิดประสิทธิภาพในการทำงาน หากท่านมีข้อสงสัย หรือ ต้องการแนะนำเพิ่มเติมในส่วนใด ท่านสามารถส่งข้อความของท่านมายังกล่องเสนอความคิดเห็นที่อยู่ทางด้านล่างได้ หรือ ถ้าต้องการติดต่อเราโดยตรง เราก็พร้อมให้บริการท่านผ่านทุกช่องทางการติดต่อของเราครับ