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 ที่มีทั้ง 2 ส่วนทำงานพร้อมกัน
ปัจจัยที่เกี่ยวข้องกับการวัดการไหลสำหรับ Flow Meter
โดยธรรมชาติของของไหลจะมีตัวแปรต่างๆ ที่คอยส่งผลกระทบ เมื่อเราพิจารณาตัวแปรเหล่านี้จะพบว่าตัวแปรต่างๆ จะเป็นส่วนหนึ่งในการพิจารณาเลือก โฟลมิเตอร์ เพื่อให้สามารถใช้งานได้อย่างเต็มประสิทธิภาพ และ อ่านค่าได้อย่างถูกต้อง โดยตัวแปรต่างๆ ที่จะต้องพิจารณาจากการเลือกใช้ 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
- ความหนาแน่น (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