تست فلومتر:نحوه تست فلومتر سه سیم

تست فلومتر به ویژه فلومتر سه سیم یکی از فرآیندهای مهم در فرآیندهای صنعتی و مهندسی است که برای ارزیابی و تضمین دقت و عملکرد صحیح این ابزارهای اندازه‌گیری جریان مایعات و گازها انجام می‌شود. این تست معمولاً در شرایط خاصی مانند نصب یا سرویس‌های دوره‌ای صورت می‌گیرد و هدف آن بررسی عملکرد صحیح فلومتر در شرایط مختلف است، به‌طوری‌که از دقت اندازه‌گیری‌ها و صحت عملکرد آن اطمینان حاصل شود.

۱. بررسی مشخصات فنی فلومتر

پیش از آن‌که حتی ابتدایی‌ترین اقدام عملی در راستای تست، راه‌اندازی یا عیب‌یابی فلومتر انجام پذیرد، اولین و ضروری‌ترین گام، استخراج و مطالعه دقیق کلیه اطلاعات فنی و پارامترهای طراحی و عملیاتی از منابع رسمی نظیر دیتاشیت (Data Sheet)، دفترچه راهنمای نصب و راه‌اندازی (Installation & Operation Manual)، یا سایر مستندات منتشرشده از سوی تولیدکننده (OEM) می‌باشد. چرا که هر فلومتر دارای ویژگی‌های الکتریکی، الکترونیکی و عملیاتی منحصربه‌فردی است که در صورت عدم آگاهی دقیق از آن‌ها، احتمال آسیب دائمی به تجهیز یا برداشت‌های اشتباه از مقادیر اندازه‌گیری‌شده بسیار بالا خواهد بود.

پارامترهایی که حتماً باید به دقت بررسی و مستند شوند شامل موارد زیر هستند:

نوع سیگنال خروجی (Output Signal Type):

در فلومترهای سه‌سیم، معمولاً سیگنال خروجی به‌صورت جریان 4 تا 20 میلی‌آمپر (4-20mA Current Loop) یا ولتاژ آنالوگ (مثلاً 0-5V یا 1-5V DC) طراحی شده‌است. اطلاع دقیق از این پارامتر حیاتی است، زیرا نحوه اتصال، نوع بار (Load)، و حتی نوع مولتی‌متر یا سیستم مانیتورینگ بستگی مستقیم به آن دارد.

سطح ولتاژ تغذیه (Operating Voltage):

ولتاژ نامی که فلومتر با آن کار می‌کند (مثلاً 12VDC، 24VDC یا بازه‌ای از 9 تا 36 ولت) باید با دقت انتخاب شود تا از بروز خطای تغذیه (Undervoltage یا Overvoltage) جلوگیری شود.

نوع خروجی (Active/Passive):

دانستن اینکه سیگنال خروجی از نوع Active (دارای درایور داخلی برای تأمین جریان) یا Passive (نیازمند جریان از منبع خارجی برای عبور از حلقه جریان) است، در تعیین روش اتصال تجهیزات اندازه‌گیری و نیز استفاده از مقاومت بار بسیار مؤثر است.

نوع و کاربرد فلومتر (Flowmeter Technology):

باید مشخص شود که آیا فلومتر از نوع مغناطیسی (Electromagnetic)، اولتراسونیک (Ultrasonic), توربینی (Turbine)، حرارتی (Thermal Mass) یا کوریولیس (Coriolis) است؛ زیرا رفتار دینامیکی، پاسخ سیگنال، حساسیت به دما/فشار، و نحوه شبیه‌سازی شرایط کاری بسته به تکنولوژی تغییر می‌کند.

رنگ‌بندی و ترتیب سیم‌ها (Wiring Scheme):

ترتیب دقیق سیم‌ها (مثلاً قرمز برای +24VDC، مشکی یا آبی برای GND و سفید برای سیگنال) بایستی از مستندات رسمی استخراج شود؛ زیرا اتصال اشتباه می‌تواند منجر به سوختن برد الکترونیکی دستگاه شود.

شما می توانید به این مقاله جهت آشنایی با انواع فلومتر(FLOW METER)|عملکرد|نصب رجوع کنید.

۲. آماده‌سازی تجهیزات لازم

جهت اجرای آزمون دقیق، قابل تکرار، ایمن و فنی برای فلومتر سه‌سیم، بایستی مجموعه‌ای از ابزارهای تخصصی و حرفه‌ای فراهم شود که هریک نقش حیاتی در تضمین دقت و صحت اندازه‌گیری و تحلیل نتایج دارند. تجهیزات مورد نیاز شامل موارد زیر است:

• منبع تغذیه DC قابل تنظیم (Variable DC Power Supply): یک منبع تغذیه آزمایشگاهی که قابلیت تنظیم ولتاژ بین 0 تا 30VDC و جریان تا حداقل 1A را داشته باشد، جهت اعمال ولتاژ پایدار و دقیق به فلومتر ضروری است. ترجیحاً منبع باید دارای حفاظت‌های الکتریکی (Overcurrent Protection، Short-Circuit Protection) باشد.
• مولتی‌متر حرفه‌ای (True RMS Digital Multimeter): مولتی‌متر باید قابلیت اندازه‌گیری دقیق جریان‌های DC در محدوده میلی‌آمپر (با دقت حداقل 0.01mA)، ولتاژ DC، و مقاومت را داشته باشد. برندهای معتبر مانند Fluke، Keysight یا Chauvin Arnoux پیشنهاد می‌گردند.
• مقاومت باری دقیق (Precision Load Resistor): برای تست سیگنال‌های 4-20mA، استفاده از یک مقاومت دقیق 250 اهم ±0.1% از نوع Wirewound توصیه می‌شود، تا تبدیل جریان به ولتاژ قابل اندازه‌گیری (1 تا 5 ولت) به‌صورت خطی صورت پذیرد.
• سیم‌های تست و ترمینال ایزوله‌شده (Test Leads with Shielded Terminals): جهت جلوگیری از نویز و ارتعاشات الکترومغناطیسی، استفاده از سیم‌های شیلددار، دارای عایق نسوز و ترمینال‌های مقاوم به خوردگی پیشنهاد می‌شود.
• منبع شبیه‌ساز دبی (Flow Simulator or Pump): در صورت نیاز به شبیه‌سازی جریان سیال (آب، هوا یا گاز)، می‌توان از یک پمپ کنترل‌شونده یا فلوی استاندارد جهت بررسی واکنش فلومتر نسبت به تغییرات فلو استفاده کرد.

۳. اتصال فلومتر به مدار تست

در فرآیند تست و ارزیابی عملکرد یک فلومتر سه‌سیم (که معمولاً دارای تغذیه DC، سیگنال آنالوگ و ارتباط مستقیم با سیستم‌های کنترل صنعتی یا سیستم‌های ثبت داده مانند DCS، PLC یا Data Logger می‌باشد)، نحوه‌ی سیم‌کشی به مدار تست از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است، چرا که هرگونه خطا در ترتیب سیم‌کشی، اشتباه در اتصال پایه‌های تغذیه، زمین و سیگنال، یا درک نادرست از ماهیت سیگنال خروجی (اعم از ولتاژی یا جریانی، Active یا Passive) می‌تواند منجر به دریافت داده‌های نادرست، آسیب دیدن مدار داخلی فلومتر یا حتی سوختن تجهیزات اندازه‌گیری شود. از این رو، در ادامه، کلیه حالات ممکن و استانداردهای تست فلومتر سه‌سیم در سطح حرفه‌ای و مطابق با اصول مهندسی ابزار دقیق و الکترونیک صنعتی ارائه می‌گردد.

تحلیل عملکرد و نقش هر یک از سه سیم اصلی در فلومتر

در یک فلومتر سه‌سیم استاندارد، سیم‌ها معمولاً به شرح زیر دسته‌بندی می‌شوند (توجه داشته باشید که رنگ‌کدها ممکن است بسته به سازنده متفاوت باشند و باید حتماً از دیتاشیت استخراج شوند):

1. سیم تغذیه مثبت (+VDC / V+): این سیم وظیفه تأمین ولتاژ DC مورد نیاز برای عملکرد مدارهای الکترونیکی داخلی سنسور را بر عهده دارد. ولتاژ معمول بین 12V تا 24VDC است.
2. سیم زمین یا GND یا COM: این سیم به عنوان مرجع ولتاژ الکتریکی و مسیر بازگشت جریان (return path) مورد استفاده قرار می‌گیرد و به زمین مشترک سیستم تست متصل می‌شود.
3. سیم سیگنال خروجی (Signal Output / OUT): این سیم حامل اطلاعات اندازه‌گیری‌شده از سوی فلومتر می‌باشد که به‌صورت سیگنال آنالوگ جریان (4–20 mA) یا ولتاژ (0–5V، 1–5V یا 0–10V) بر روی آن اعمال می‌گردد.

تفاوت بین فلومتر با خروجی

پیش از انجام اتصال سیم‌ها، شناسایی اینکه آیا سیگنال خروجی فلومتر از نوع Active (که خود جریان را تأمین می‌کند) یا Passive (که صرفاً سیگنال را با عبور از جریان خارجی منتقل می‌کند) می‌باشد، بسیار حیاتی است، چرا که در مدل Active، سنسور به‌صورت داخلی شامل یک مدار جریان‌دهنده (current driver) بوده و برای تولید سیگنال نیازی به جریان خارجی ندارد، ولی در مدل Passive، باید جریان از منبع خارجی (مانند تغذیه لوپ یا PLC) به آن اعمال شده و عبور کند تا سیگنال تولید گردد.

طراحی مدار تست برای فلومتر با خروجی 4-20mA از نوع Active

در صورتی که فلومتر دارای خروجی جریانی فعال (Active 4–20 mA) باشد، اتصال به صورت زیر انجام می‌گیرد:

اتصالات:

• سیم تغذیه +VDC فلومتر → به قطب مثبت منبع تغذیه DC متصل می‌شود (مثلاً +24V).
• سیم GND فلومتر → به قطب منفی منبع تغذیه متصل شده و به عنوان مرجع ولتاژ در نظر گرفته می‌شود.
• سیم خروجی سیگنال → مستقیماً وارد ترمینال آمپرمتر (مولتی‌متر در حالت mA DC) می‌شود.
• خروجی دیگر مولتی‌متر نیز به GND متصل می‌گردد.

طراحی مدار تست برای فلومتر با خروجی ولتاژی

در صورتی که فلومتر سیگنال خروجی آنالوگ از نوع ولتاژی داشته باشد، که در بازه‌هایی مانند 0–5V یا 1–5V تعریف شده‌است، اتصال مدار تست ساده‌تر است، زیرا در این حالت سیگنال بر اساس مقدار فلو یک ولتاژ متغیر به خروجی اعمال می‌کند.

اتصالات:

• سیم +VDC فلومتر → به منبع تغذیه DC متصل می‌شود.
• سیم GND فلومتر → به قطب منفی منبع تغذیه متصل می‌گردد.
• سیم سیگنال خروجی → به ورودی ولتاژ مولتی‌متر (در حالت DC Voltage) متصل شده و طرف دیگر مولتی‌متر به GND متصل می‌شود.

در این حالت، نیازی به مقاومت بار نیست، ولی باید دقت شود که امپدانس ورودی دستگاه اندازه‌گیر (مولتی‌متر یا کارت ورودی آنالوگ PLC) بسیار بالا باشد تا دقت اندازه‌گیری حفظ گردد.

ما در این مقاله در رابطه با مولتی متر چیست و انواع آن کدامند؟|انواع آنالوگ و دیجیتال صحبت کرده ایم.

توصیه‌های تکمیلی در سیم‌کشی فلومتر

• همواره از کابل‌های شیلددار استفاده شود: برای جلوگیری از نویزهای الکترومغناطیسی در محیط‌های صنعتی (EMI/RFI)، به‌ویژه در خروجی‌های آنالوگ جریان یا ولتاژ.
• از اتصال صحیح زمین اطمینان حاصل گردد: تمام تجهیزات اندازه‌گیری باید نسبت به مرجع زمین مشترک متصل باشند تا از اختلاف پتانسیل و خطای اندازه‌گیری جلوگیری شود.
• در تست سیگنال 4-20mA، از سیم کوتاه استفاده شود: تا افت ولتاژ خط به حداقل برسد.
• در صورت وجود تجهیزاتی با ورودی Loop Powered، نباید تغذیه مضاعف اعمال شود: زیرا باعث بروز آسیب به ورودی کارت PLC یا فلومتر خواهد شد.
• از ترمینال‌ها و کانکتورهای ایزوله‌شده استفاده گردد: برای جلوگیری از اتصال کوتاه و برق‌گرفتگی.

خواندن این مقاله را از دست ندهید:معرفی PLC و تأثیرات آن بر کارایی صنایع 

۴. انجام تست و اندازه‌گیری خروجی

در این مرحله پس از بررسی اولیه، آماده‌سازی منبع تغذیه، اجرای سیمکشی بر روی نوع خروجی فلومتر و اطمینان از ایمنی اتصالات انجام می‌شود، نوبت با اجرای عملیات آزمایشی، شبیه‌سازی عبور سیال، جمع‌آوری عملکرد فلومتر، جمع‌آوری عملکرد فلومتر می‌رسد که در حقیقت نقش مهمی در اندازه‌گیری کیفیت، مطمئناً پاسخ‌دهی به سیستم‌های دینی است.

الف. راهاندازی سیستم آزمون و شرایط تست

در آغاز این مرحله، شرایط محیطی، منابع تغذیه، و ابزارهای اندازه گیری مطابق با نیازمندی های فلومتر و استانداردهای آزمایشگاهی راه اندازی شده و به حالت پایدار برسند. این مراحل زیر است:

• استاندارد ولتاژ DC پایدار و بدون ریپل (Low Ripple Power Supply): منبع تغذیه باید دارای ریپل بسیار پایین باشد (کمتر از 1%) تا بر دقت خروجی فلومتر اثر منفی نگذارد.
• پایش محیط و شرایط ایزولاسیون: چرا که در بسیاری از فلومترهای دقیق، محیطی را می‌توان باعث انحراف کرد یا Drift در المان‌های اندازه‌گیری شود.
• کالیبراسیون اولیه ابزار اندازه گیری: مانند مولتی‌متر، دیتالاگر یا کارت ورودی آنالوگ PLC که باید با استفاده از منبع مرجع ولتاژ یا جریان کالیبره شود.

ب. حرکت فلومتر با عبور جریان سیال یا شبیه سازی فلو

برای دریافت پاسخ از فلومتر، لازم است یا به‌صورتی که سیال واقعی از درون لوله داده می‌شود و یا با استفاده از یک شبیه‌ساز فلو (Flow Calibrator یا Signal Simulator) که پالس یا جریان معادل فلو را می‌کند، فلومتر حرکت می‌کند. بسته به نوع فلومتر، این حرکت ممکن است با استفاده از روش های زیر انجام شود:

1. فلومترهای توربینی یا چرخانه‌ای (Turbine / Paddle Wheel): عبور جریان طبیعی مایع با دبی مشخص.
2. فلومترهای مغناطیسی یا الکترومغناطیس (مگمتر): استفاده از محلول هادی الکتریکی و کنترل‌شده جریان.
3. فلومترهای التراسونیک (Ultrasonic Transit-Time یا Doppler): اعمال فلو واقعی یا شبیه‌سازی زمان عبور.
4. فلومترهای حرارتی (Thermal Mass Flow): کنترل دمای سیال و میزان جریان.

در صورت عدم امکان ایجاد جریان واقعی، شبیه‌سازی دیجیتالی فلو با استفاده از سیگنال‌های محرک ورودی به فلومتر (در برخی از مدل‌ها) یا مستقیماً اعمال پالس فلو به ورودی برای ایجاد پاسخ خروجی مجاز است.

پ. اندازه‌گیری خروجی و ثبت‌ها

پس از عبور جریان سیال یا شبیه‌سازی، خروجی که می‌تواند به صورت جریان آنالوگ (4–20 mA)، ولتاژ آنالوگ (0–5V، 1–5V) یا فیلتر پالس دیجیتال باشد، توسط مولتی‌متر، کارت آنالوگ دیتاگر، یا اسیلوسکوپ اندازه‌گیری می‌شود. بسته به نوع خروجی، نحوه اندازه گیری به صورت زیر خواهد بود:

▪ در جریان خروجی 4–20 mA (Current Loop Output):

• مولتی‌متر در حالت DC Current (mA) قرار گرفته و در مسیر خروجی خروجی می‌شود.
• جریان اندازه‌گیری‌شده به صورت خطی متناسب با نرخ فلو است و با استفاده از معادله زیر می‌توان مقدار جریان واقعی سیال را محاسبه کرد:

Flow Rate=Qmin+(Imeas−416)×(Qmax−Qmin)\text{Flow Rate} = Q_{min} + \left( \frac{I_{meas} – 4}{16} \right) \times (Q_{max} – Q_{min})Flow Rate=Qmin​+(16Imeas​−4​)×(Qmax​−Qmin​)

که در آن:

• منمترهالفسI_{meas}منm e a sرا: جریان اندازه گیری شده (mA)
• سمترمنn،سمترالفxQ_{دقیقه، Q_{حداکثر}سدقیقهرا،سما xرا: محدوده جریان (مثلاً 0–100 LPM)

▪ در خروجی ولتاژی (Voltage Analog Output):

• مولتی‌متر در حالت DC Voltage بوده و دو سر ورودی ولتاژ به خروجی فلومتر و GND متصل می‌شود.
• رابطه‌ای مشابه برای محاسبه فلو با استفاده از ولتاژ اعمال می‌شود.

▪ در خروجی پالسی (Pulse Output):

• از اسیلوسکوپ یا کانتر دیجیتال استفاده می‌شود تا تعداد پالس در واحد زمان (Hz) یا عرض پالس (Pulse Width) را اندازه‌گیری کند.
• سپس با استفاده از فاکتور K (تعداد پالس بر لیتر یا متر مکعب)، مقدار جریان مقدار می‌شود:

Flow Rate=Frequency (Hz)K(in volume/time)\text{Flow Rate} = \frac{\text{Frequency (Hz)}}{K} \quad \text{(in volume/time)}Flow Rate=KFrequency (Hz)​(in volume/time)

ت. تحلیل دینامیکی و بررسی پاسخ سیستم به تغییرات لحظه‌ای

برای ارزیابی کیفیت و رفتار سیستم در شرایط گذرا یا نوسانات لحظه‌ای جریان، لازم است که تغییرات سریع در فلو اعمال شود و خروجی به‌صورت زمان-پاسخ (Time-Domain Response) ثبت شود. تحلیل های زیر در این مرحله قابل انجام است:

• زمان پاسخ (زمان پاسخ): مدت زمان لازم برای خروجی از 10% تا 90% مقدار نهایی تغییر کند.
• پایداری (Stability): میزان و انحراف نویز در حالت جریان ثابت.
• هرزیس (Hysteresis): بررسی تفاوت خروجی در هنگام افزایش و کاهش جریان.
• خطی بودن (خطی بودن): بررسی تطابق پاسخ خروجی با تغییرات یکنواخت ورودی.

ث . مقایسه با استاندارد و استخراج نمودارهای کالیبراسیون

با استفاده از داده‌های اندازه‌گیری‌شده و مقایسه با مرجع مرجع (جریان مرجع)، می‌توان خروجی بر حسب فلو واقعی رسم کرد. این طرح به شکل خطی، لگاریتمی یا چندجمله‌ای می‌تواند باشد و دقت فلومتر، شیب پاسخ و خطای اندازه‌گیری آن را روی این منحنی می‌سازد.

• خطای نسبی (خطای نسبی):

Error %=(Qmeas−QrefQref)×100\text{Error \%} = \left( \frac{Q_{meas} – Q_{ref}}{Q_{ref}} \right) \times 100Error %=(Qref​Qmeas​−Qref​​)×100

• انحراف استاندارد پاسخ در چند بار تکرار تست (Standard Deviation): برای تحلیل پایداری.

۵. تحلیل نتایج و بررسی خطاه

در این گام، نتایج تست تفسیر می‌گردد و هرگونه خطا، نوسان یا رفتار غیرعادی با دقت تحلیل می‌شود. برخی نشانه‌های مهم به شرح زیر است:

• سیگنال کمتر از 3.8mA: ممکن است نشانه‌ی باز بودن حلقه جریان (Loop Open)، کابل قطع‌شده، یا تغذیه نامناسب باشد.
• سیگنال بیشتر از 21.5mA: در برخی فلومترها نشان‌دهنده خرابی سخت‌افزاری، خطای سنسور، یا انسداد مکانیکی است.
• نوسان شدید سیگنال: می‌تواند به دلیل نویز الکترومغناطیسی، اتصال ضعیف، یا تداخل در زمین باشد.

۶. کالیبراسیون و مقایسه با دیتاشیت

پس از انجام تست‌های عملکردی، می‌توان با استفاده از نرم‌افزار مخصوص (در صورت وجود) یا ابزارهایی مانند HART Communicator یا Modbus Master به فلومتر متصل شده و مقادیر پارامترهای تنظیم‌شده مانند Range، Zero، Span، Damping و Signal Simulation را بررسی کرد.

کالیبراسیون می‌تواند به‌صورت دستی (از طریق پیچ‌های Adjustment روی برد) یا دیجیتال (از طریق پروتکل ارتباطی) انجام شود.

در صورت تمایل به مطالعه روش های کالیبراسیون فلومتر کلیک کنید.

۷. ملاحظات ایمنی و فنی

• ولتاژ تغذیه باید کاملاً در محدوده مجاز باشد.
• از اتصال معکوس سیم‌ها یا اتصال کوتاه در حین تست جلوگیری شود.
• در محیط‌های صنعتی، رعایت الزامات EMC/EMI و استفاده از کابل‌های شیلددار الزامی است.
• فلومتر باید فقط در شرایط تمیز، بدون رطوبت اضافی، و با رعایت اصول ضد الکتریسیته ساکن (ESD) تست شود.

لینک مهم:

• چگونه علائم خرابی فلومتر را شناسایی کنیم؟

مشاوره قبل از خرید

برای کسب اطلاعات بیشتر در رابطه با خرید محصولات می‌توانید با شماره تلفن‌های زیر تماس بگیرید: