عملکرد فلومترهای مغناطیسی بر اساس قانون القای الکترومغناطیسی فارادی است. فلومترهای مغناطیسی فقط قادر به تشخیص جریان سیالات رسانا هستند. طراحی‌های اولیه فلومترهای مغناطیسی برای کارکرد خود به حداقل رسانندگی سیال در حدود ۱ تا ۵ میکروزیمنس بر سانتی‌متر نیاز داشتند. در طراحی‌های جدیدتر، این نیاز حدود صد برابر کاهش یافته و به حدود ۰٫۰۵ تا ۰٫۱ میکروزیمنس بر سانتی‌متر رسیده است.

فلومتر مغناطیسی از یک لوله غیرمغناطیسی که با ماده‌ای عایق پوشانده شده است تشکیل می‌شود. یک جفت سیم‌پیچ مغناطیسی مطابق شکل ۱ قرار می گیرد و یک جفت الکترود از دیواره لوله و پوشش داخلی آن عبور می‌کند. اگر یک سیال رسانا در لوله با قطر (D) در میدان مغناطیسی با چگالی (B) که توسط سیم‌پیچ‌ها ایجاد شده است جریان یابد، ولتاژ ایجاد شده (E) بین الکترودها ایجاد می شود- که همان‌گونه که قانون فارادی پیش‌بینی می‌کند ـ متناسب با سرعت (V) سیال خواهد بود. از آنجا که چگالی میدان مغناطیسی و قطر لوله مقادیر ثابتی هستند، می‌توان آن‌ها را در یک ضریب کالیبراسیون (K) ترکیب کرد و معادله به صورت زیر ساده می‌شود:

E = K V

شکل 1_ فلومتر مغناطیسی و اجزای تشکیل دهنده آن 

اختلاف سرعت در نقاط مختلف پروفیل جریان توسط یک ضریب وزن‌دهی سیگنال جبران می‌شود. این جبران‌سازی همچنین با شکل‌دهی سیم‌پیچ‌های مغناطیسی انجام می‌گیرد، به‌گونه‌ای که شار مغناطیسی در نواحی‌ای که ضریب وزن‌دهی سیگنال کمترین مقدار را دارد بیشترین مقدار باشد و بالعکس .سازندگان، ضریب K هر فلومتر مغناطیسی را از طریق کالیبراسیون با آب برای هر لوله اندازه‌گیری (Flow tube) تعیین می‌کنند. مقدار K به‌دست‌آمده برای هر سیال رسانای دیگر نیز معتبر است و در تمام بازه اندازه‌گیری فلومتر خطی می‌باشد.

به همین دلیل، لوله‌های اندازه‌گیری معمولاً فقط در یک سرعت کالیبره می‌شوند. فلومترهای مغناطیسی می‌توانند جریان را در هر دو جهت اندازه‌گیری کنند، زیرا معکوس شدن جهت جریان، قطبیت سیگنال را تغییر می‌دهد ولی مقدار آن را تغییر نمی‌ده. مقدار K که از آزمون با آب به‌دست می‌آید ممکن است برای سیالات غیرنیوتنی (با ویسکوزیته وابسته به سرعت) یا دوغاب‌های مغناطیسی (حاوی ذرات مغناطیسی) معتبر نباشد. این نوع سیالات می‌توانند بر چگالی میدان مغناطیسی در داخل لوله تأثیر بگذارند. برای هر دوی این موارد، کالیبراسیون در خط و طراحی‌های جبرانی ویژه باید مدنظر قرار گیرد.

تحریک فلومترهای مغناطیسی

ولتاژی که در الکترودها ایجاد می‌شود در حد میلی‌ولت است. این سیگنال معمولاً در محل یا نزدیک لوله اندازه‌گیری به یک جریان استاندارد (۴–۲۰ میلی‌آمپر) یا خروجی فرکانسی (۰ تا ۱۰٬۰۰۰ هرتز) تبدیل می‌شود. ترانسمیترهای مغناطیسی هوشمند با خروجی دیجیتال امکان اتصال مستقیم به سیستم کنترل توزیع‌شده (DCS) را فراهم می‌کنند. از آنجا که سیگنال فلومتر مغناطیسی ضعیف است، در صورتی که ترانسمیتر از لوله اندازه‌گیری دور باشد، سیم رابط باید شیلددار و تابیده باشد سیم. پیچ فلومتر مغناطیسی می تواند با جریان مستقیم یا متناوب تغذیه شود.

شکل 2_ شیوه های تحریک

لوله‌های اندازه‌گیری، پوشش ها و پروب‌ها

ابعاد فاصله رخ به رخ لوله‌های اندازه‌گیری فلنج‌دار (Lay Length) معمولاً مطابق با توصیه‌های سازمان بین‌المللی استانداردسازی (ISO)  است. ابعاد فلومترهای مغناطیسی نوع کوتاه (Short-form) نیز معمولاً این دستورالعمل‌ها را رعایت می‌کنند. لوله‌های اندازه‌گیری و لاینرهای فلومترهای مغناطیسی از مواد متنوعی ساخته می‌شوند و به‌طور گسترده در تمام صنایع فرآیندی از جمله صنایع غذایی، دارویی، معدن و فلزات مورد استفاده قرار می‌گیرند. برخی از مواد لاینر (به‌ویژه تفلون) ممکن است هنگام نصب یا خارج کردن فلومتر از لوله‌کشی فرایند، در اثر استفاده از اهرُم یا دیلم (pry bar) آسیب ببینند.

همچنین، سفت‌کردن بیش‌ازحد پیچ‌های فلنج می‌تواند به لاینر صدمه بزند. برای جلوگیری از چنین آسیب‌هایی، محافظ‌های لاینر در دسترس هستند. به‌طور کلی، هر لوله اندازه‌گیری را می‌توان با هر ترانسمیتری که توسط همان سازنده ارائه شده است به‌کار برد. بسته به ساختار و ویژگی‌ها، قیمت یک فلومتر مغناطیسی می تواند قابل توجه باشد، اگرچه این هزینه در حال کاهش است، اما همچنان از ارزان‌ترین حسگرهای اندازه‌گیری دبی، گران‌تر است. فلومترهای مغناطیسی همچنین می‌توانند به‌صورت پروب طراحی شده و از طریق انشعاب (Tap) درون لوله فرایند نصب شوند.

این پروب‌ها هم الکترودها و هم سیم‌پیچ‌های مغناطیسی را در خود جای می‌دهند. سیال فرایندی در حال جریان، ولتاژی را در الکترودها القا می‌کند که نشان‌دهنده سرعت سیال در نوک پروب است، نه سرعت متوسط سیال در کل مقطع لوله. این نوع فلومترهای مغناطیسی کم‌هزینه و قابل بیرون‌آوردن (Retractable) هستند؛ بنابراین برای نصب یا خارج کردن آن‌ها نیازی به توقف فرایند نیست. با این حال، دقت اندازه‌گیری به‌شدت به رابطه بین سرعت اندازه‌گیری‌شده در محل پروب و سرعت متوسط سیال در لوله وابسته است.

الکترودها

در لوله‌های اندازه‌گیری رایج، الکترودها با سیال فرایندی در تماس هستند. این الکترودها می‌توانند قابل جدا شدن (Removable) یا دائمی (Permanent) باشند. نوع دائمی معمولاً ازمقدار کمی از پلاتین مایع ساخته می‌شود که هنگام سینتر شدن (Sintering) با لاینر سرامیکی با اکسید آلومینیوم ترکیب می‌شود تا یک آب بندی کامل ایجاد کند. این طراحی به دلیل هزینه پایین، مقاومت در برابر سایش و فرسایش، عدم حساسیت به تابش‌های هسته‌ای و مناسب بودن برای کاربردهای بهداشتی ترجیح داده می‌شود، زیرا در آن هیچ حفره‌ای وجود ندارد که باکتری‌ها بتوانند در آن رشد کنند. از سوی دیگر، لوله سرامیکی قادر به تحمل خمیدگی، کشش یا سرمایش ناگهانی نیست و نمی‌تواند با اسیدهای اکسیدکننده یا محلول‌های قلیایی داغ و غلیظ کار کند.

موارد مشکل‌ساز در کاربردها

فلومتر مغناطیسی نمی‌تواند هوای محبوس شده را از سیال فرایندی تشخیص دهد؛ بنابراین، حباب‌های هوا باعث افزایش خوانش فلومتر می‌شوند. اگر هوای محبوس به‌طور یکنواخت توزیع نشده باشد و به شکل توده‌های هوا یا حباب‌های بزرگ (به اندازه الکترود) ظاهر شود، این امر می‌تواند سیگنال خروجی را نویزی کند یا حتی آن را مختل نماید. بنابراین، در کاربردهایی که احتمال ورود هوا به جریان سیال (Air Entrapment) وجود دارد، فلومتر باید به‌گونه‌ای سایز شود که سرعت جریان تحت شرایط عادی بین ۶ تا ۱۲ فوت بر ثانیه باشد. پوشش الکترودها یکی دیگر از مشکلات رایج فلومترهای مغناطیسی است. تجمع مواد روی سطوح داخلی فلومتر می‌تواند الکترودها را به‌طور الکتریکی از سیال فرآیندی ایزوله کند.

این امر می‌تواند باعث از دست رفتن سیگنال یا خطای اندازه‌گیری شود، یا با تغییر قطر لوله اندازه‌گیری و یا ایجاد جابجایی در صفر و دامنه(Span and Zero Shifts). طبیعی است که بهترین راه حل، پیشگیری است. یکی از روش‌های پیشگیرانه، انتخاب سایز مناسب فلومتر است تا تحت شرایط جریان عادی، سرعت جریان نسبتاً بالا باشد: حداقل ۶ تا ۱۲ فوت بر ثانیه، یا تا حد امکان بالا، با در نظر گرفتن امکان سایش و خوردگی. روش دیگر استفاده از الکترودهایی است که وارد جریان سیال می‌شوند تا از اثرات توربالانس و شستشو بهره‌مند شوند. در سرویس‌های شدیدتر، می‌توان سیستم مکانیکی تمیزکننده نصب کرد و به‌صورت ناپیوسته یا پیوسته از آن استفاده نمود تا پوشش‌ها و تجمعات مواد روی الکترودها را از بین ببرد.

نصب

فلومتر مغناطیسی همیشه باید پر از سیال باشد. بنابراین، محل ترجیحی نصب فلومترهای مغناطیسی، خطوط جریان عمودی با جریان به سمت بالا است.نصب در خطوط افقی قابل قبول است اگر بخش لوله در پایین‌ترین نقطه قرار داشته باشد و الکترودها در بالای لوله نباشند. این کار از تماس هوا با الکترودها جلوگیری می‌کند. وقتی سیال فرآیندی دوغاب (Slurry) باشد و فلومتر مغناطیسی در پایین‌ترین نقطه نصب شده باشد، در طول دوره‌های طولانی توقف فرایند باید آن را خارج کرد تا ذرات جامد ته‌نشین نشده و سطح داخلی لوله را نپوشانند.

فلومتر مغناطیسی باید از نظر الکتریکی به سیال فرآیندی زمین شود (Grounded). دلیل این امر این است که فلومتر مغناطیسی بخشی از مسیر هر جریان نشتی (Stray Current) است که ممکن است در طول لوله یا از طریق سیال فرایندی جریان یابد. اتصال زمین (Bonding) با زمین کردن فلومتر در هر دو انتهای آن به سیال فرایندی، مسیر اتصال کوتاه (Short Circuit) برای جریان‌های نشتی ایجاد می‌کند و آن‌ها را به دور از لوله اندازه‌گیری هدایت می‌کند، نه از داخل آن. اگر سیستم به‌درستی زمین نشود، این جریان‌ها می‌توانند باعث جابجایی صفر (Zero Shift) در خروجی فلومتر مغناطیسی شوند.

به عنوان مثالی از فلومترهای مغناطیسی که پیشتر مورد بررسی قرار گرفتند پیشنهاد می شود به محصول Type 8041 از برند Burkert توجه کنید:

فلومتر الکترومغناطیسی نوع 8041 از یک ماژول الکترونیکی و یک سنسور ساخته‌شده از PVDF یا فولاد ضدزنگ تشکیل شده است. این فلومتر برای خطوط لوله با قطر اسمی DN 06 تا DN 400 و برای مایعات خنثی یا خورنده با رسانندگی الکتریکی بیش از ۲۰ میکروزیمنس بر سانتی‌متر (μS/cm) مناسب می‌باشد. این مدل به یک خروجی جریان ۴ تا ۲۰ میلی‌آمپر، یک خروجی فرکانسی و یک خروجی رله مجهز است. پیکربندی این دستگاه توسط ۵ کلید DIP، یک دکمه فشاری و یک بارگراف 10 سگمنت انجام می‌شود. مدل دیگری که بازدید از آن را به شما توصیه می کنیم Type 8045 از برند Burkert است.

فلومتر مغناطیسی نوع 8045 شامل یک ماژول الکترونیکی با نمایشگر با نور پس‌زمینه، دکمه‌های عملیاتی و یک سنسور ساخته‌شده از PVDF یا استیل ضدزنگ می‌باشد.این فلومتر برای خطوط لوله با قطر اسمی DN 06 تا DN 400 و سیالات خنثی یا خورنده با رسانایی بالاتر از ۲۰ میکروزیمنس بر سانتی‌متر مناسب است. فلومتر نوع 8045 دارای خروجی جریان ۴–۲۰ میلی‌آمپر و خروجی دیجیتال (که به‌صورت پیش‌فرض به‌عنوان خروجی پالس تنظیم شده است) می‌باشد.برخی از مدل‌ها همچنین دارای دو خروجی رله و یک ورودی دیجیتال هستند.دو توتالایزر مستقل امکان اندازه‌گیری دبی حجمی را فراهم می‌کنند.