تحقیق در مورد سنسورهای اندازه گیری دبی



سنسورهای اندازه گیری دبی

مقدمه
اندازه گیری دبی مواد در پروسس های شیمیایی ، نفت و فولاد ، صنایع غذایی از اهمیت ویژه ای برخوردار است
حضور دبی سنج ها با انواع وکیفیت های مختلف در بازار انتخاب مناسب آن را دشوار کرده است.در اینجا هدف تشریح خصوصیات ومشخصات دبی سنج های مهم است که در صنایع مختلف کاربرد دارد.
دبی سیال عبارتست از مقداری از سیال که در واحد زمان از یک مجرا عبور می کند. ممکن است با استفاده از عناصری ، اختلالاتی در جریان سیال به وجود آورده و در نتیجه منبعی برای دریافت اطلاعات مربوط به جریان سیال ایجاد نموده و بدین وسیله دبی سیال را اندازه گرفت، روشهای اندازه گیری دبی سیال به مقدار سیال ، جنس سیال ، درجه حرارت ، ویسکوزیته ، مقدار اجسام معلق در سیال و هدایت الکتریکی آن بستگی دارد. در اندازه گیری دبی سیالات در صنعت از یکی از اصول زیر استفاده می کنند :
اندازه گیری حجمی : اندازه گیری حرارت لازم برای ثابت نگه داشتن درجه حرارت سیال اندازه گیری نیروی لازم برای شتاب دادن سیال در یک زانو ، اندازه گیری تغییر سرعت سیال در نتیجه تغییر سطح مقطع عبور جریان ، اندازه گیری نیروی وارد بر مانع قرار گرفته در مسیر سیال ، اندازه گیری سرعت گردش پروانه در مسیر سیال اندازه گیری گشتاور حاصله از جریان سیال روی یک پره و اندازه گیری ولتاژ حاصله از عبور سیال در یک میدان مغناطیس
اندازه گیری دبی سیال به طریق حجمی
اگر توسط سیال مورد اندازه گیری حجمی مرتبا پر و خالی شود به شرط آنکه حجم سیال باقی مانده ثابت باشد و تعداد دفعات پر و خالی شدن ظرف اندازه گیری شود می توان دبی سیال را مشخص نمود . از انواع این دبی سنج های حجمی ، دبی سنج پیستونی است که از یک طرف سیال وارد شده و پیستون را به انتهای مسیر خود می رساند . با رسیدن به انتهای مسیر یک مجرای دیگر از انتهای دیگر پیستون باز شده وطرف دیگر پیستون را که به طرف تغذیه وصل شده بود به طور خودکار به طرف مصرف وصل و در نتیجه پیستون به طرف عقب برگشت داده می شود. اگر تعداد دفعات رفت و برگشت مجموعا در هر دقیقه وطول مسیر و سطح پیستون باشد دبی سیال برای سیالی با دانسیته ی از رابطه ی زیر به دست می آید :

دبی سیال=ALN m/min=ρALN kg/min

دبی سنج توربینی
یک دبی سنج توربینی دارای یک روتور با تعدادی پره است که در مسیر جریان سیال معمولا به صورت معلق قرار می گیرد . محور چرخشی روتور موازی جهت حرکت سیال است . سیال در موقع جریان به پره های روتور برخورد می کند و آن را به حرکت در می آورد که سرعت چرخش روتور متناسب با دبی جریان سیال است . پره ها که تعداد آنها معمولا بین 4 تا 8 عدد است از جنس فلزات فرو مغناطیسی ساخته شده اند و یا بر روی هر کدام از آنها یک قطعه ی مغناطیسی دائم قرار می دهند . هر پره در موقع چرخش در مقابل یک سیم پیچ که در خارج لوله بوده و در داخل آن یک مغناطیس طبیعی است ، قرار می گیردو به این طریق هر بار که یک پره از مقابل سیم پیچ رد می شود مدار مغناطیسی یک بار بسته می شود و پس از هر عبور از آنجا دوباره باز می شود. فرکانس ولتاژ سینوسی که در سیم پیچ القا می شود خود متناسب با سرعت زاویه ای روتور است و سرعت زاویه ای روتور با دبی جریان متناسب است و به این ترتیب می توانیم دبی سیال را اندازه بگیریم.

دبی سنج مغناطیسی
مبنای کار دبی سنجهای مغناطیسی بر قانون فاراده است . اگر یک هادی به طول با سرعت عمود بر میدان مغناطیسی با چگالی حرکت کند در آن هادی ولتاژ القا می شود :
e=kLBv
که در آن ضریب تناسب است . حال اگر سیال هادی با سرعت متوسط از داخل یک لوله ی استوانه ای عمود بر میدان مغناطیسی حرکت کند ولتاژ تولید شده بین دو الکترود برابر خواهد بود .
E = B × D ×Vfluid
با محاسبه ی سرعت از رابطه ی بالا می توان دبی جریان سیال را به دست آورد در این روش هادی با سیال باید هادی جریان باشد

Inline model
اگر سیم پیچ های الکتریکی در گرداگرد لوله حامل سیال باشند و جفت الکترودهادرمیان جداره داخلی لوله0باشند
Insertion Model
اگر سیم پیچ های الکتریکی نزدیک لوله حامل سیال و در بالای آن باشدو جفت الکترودهادربیرون لوله باشند

خصوصیات کلی دبی سنج های الکترو مغناطیسی
1- افت فشار در سیال به وجود نمی آورد، به دلیل اینکه الکترودها سر راه جریان سیال قرار نگرفته است افت فشار در بین دو نقطه ی سیال ( بین قبل و بعد از نقطه اندازه گیری ) به وجود نمی آید .
2- این سنسور فقط در رابطه با اندازه گیری دبی با مایعاتی می تواند به کار گرفته شود که قابلیت هدایت آنها بزرگتر از باشد . این اصل تمام گازها و مایعات هیدروکربن را حذف می کند و بیشتر برای دوغاب ها صدق می کند که مشابه به حالت مایعی دارای قابلیت هدایت کافی است .
3- این مبدل ها دارای صحت 1 % ± هستند و کالیبراسیون آنها بستگی ویسکوزیته فشار و چگالی و دمای سیال ندارد.
4- سرعت سیالات مورد اندازه گیری بین 10 و 5. است و قطر لوله هایی که دراین رابطه قابل بکارگیری هستند از 2 تا 1200 است .
5- تلفات انرژی در این سیستم اندازه گیری در حدود کمتر از 30 است.
دبی سنج کششی
در این حالت با قرار دادن جسمی در مسیر جریان ،نیروی وارد بر آن را که با سرعت سیال طبق معادله ی زیر رابطه دارد به دست می آورند.

در این رابطه ضریب تناسب ، سطح مقطع حساس ، دانسیته ی سیال و سرعت سیال است . نیروی وارد بر جسم توسط یک کشش سنج حس می شود و سرعت سیال را محاسبه می کنند .

اندازه گیری دبی گازها
اگر یک مقاومت الکتریکی در مسیر جریان هوا یا گاز قرار گیرد در اثر عبور هوا یا گاز گرمای عنصر به محیط داده می شود و مقاومت الکتریکی آن تغییر می کند. این تغییر مقاومت به سرعت سیال بستگی داشته و در نتیجه می تواند عامل مناسبی برای تعیین سرعت باشد.

دبی سنج های التراسونیک
استفاده از روش التراسونیک در سنجش جریان سیالات علاوه بر محاسن دبی سنج مغناطیسی معایب آن را ندارد . عدم احتیاج به سیال هادی جریان و لوله ای با جنس مخصوص در محل اندازه گیری که این امر از نظر قیمت و هم از نظر ایمنی بسیار مناسب است، از دیگر محاسن این نوع دبی سنج می باشد . با توجه به اینکه این سنسور با سیال در تماس نیست، بنابراین در رابطه با اندازه گیری دبی سیالات خطرناک از جمله سیالات سمی ،رادیو اکتیو و همچنین سیالات با قابلیت آتش گیری و انفجار، نسبت به سنسورهای دیگر مناسب تر است.
نوع اول
دبی سنج های ماورای صوتی نوع اول (دوپلر )
از شرایط اساسی امکان استفاده از این روش حضور ذرات در تمام حجم سیال است که امواج ماورای صوتی ساطع شده از فرستنده به طرف گیرنده منعکس می کنند. این ذرات می توانند اجسام ریز یا حبابهای ریز در داخل سیال باشند. اگر ذرات معلق وجود نداشته باشند ،به صورت مصنوعی می توانیم وارد کنیم . ذرات به دلیل سرعت و جهت حرکتشان باعث تغییرفرکانس امواج دریافتی و انعکاس آنها می شوند. اندازه گیری این تغییر فرکانس امکان به دست آوردن سرعت سیال رابه ما می دهد.
سیستم اندازه گیری ماورای صوتی در کل از یک زوج فرستنده و گیرنده امواج ماورای صوتی که در سطح خارجی لوله ی حاوی جریان سیال نصب می شود،تشکیل شده اند.
بسته های امواج سینوسی با فرکانس 5. تا 20 مگا هرتز از فرستنده خارج و پس از برخورد با ذرات منعکس می شوند و به گیرنده می رسند .دلیل انتخاب این گستره فرکانسی تلاقی نداشتن ان با طیف فرکانس امواج صوتی است.
سرعت جریان سیال از رابطه زیر محاسبه می شود:

که درآن فرکانس های امواج ماورای صوتی ارسالی و دریافتی از طرف فرستنده و گیرنده و سرعت صدا در سیال و زاویه ای که امواج تابیده و منعکس شده از ذره مورد نظر با محور لوله حاوی جریان سیال می سازد. دبی حجمی سیال جاری حاصل ضرب سرعت به دست آمده با سطح مقطع لوله است .صحت سیستم اندازه گیری بستگی به عوامل زیادی از جمله ضخامت دیواره لوله و تعداد و اندازه معلق در سیال و دقت در سرعت اندازه گیری شده سیال داردکه حدود 10% است.اما روشهای جدیدی وجود دارد که دقت را در حدود 5% کاهش می دهد مثلا فرستنده و گیرنده را در جداره داخلی قرار می دهند. به دلیل دقت و صحت پایین این نوع دبی سنجها بیشتر به عنوان نمایشگر استفاده می شوند.و نه به عنوان مبدل سیگنال کنترل .

نوع دوم :
دبی سنجهای ماورای صوتی با اندازه گیری زمان انتقال پالس
این نوع دبی سنجها برای اندازه گیری مایعات صاف و گازها به کار گرفته می شوند سیستم حاوی یک زوج مبدل است که در دو طرف لوله تحت زاویه ی نسبت به محور نصب می شوند . هر کدام از این مبدلها دارای یک گیرنده و یک فرستنده هستند. با توجه به جهت جریان سیال داخل لوله و جهت حرکت امواج ماورای صوتی اختلاف بین زمان رفت امواج بازمان برگشت آنها می تواند مبنای محاسبه سرعت سیال در داخل لوله باشد.

صحت این دبی سنجها در حدود 5. % است و نسبت به دبی سنجهای ماورای صوتی نوع اول به دلیل مفصل بودن سیستم الکترونیکی گران ترند.
محاسن
عدم انسداد مسیر جریان
نداشتن بخش های متحرک وهزینه پایین تعمیر ونگهداری
صحت مناسب در رنج وسیعی از عدد رینولد
(عددی است بدون واحد که میزان آرام یاآشفته(متلاطم)بودن سیال را نشان می دهد)
عدم نیاز به لوله با جنس مخصوص
استفاده برای سیالات خورنده وخطر ناک
داشتن مدل قابل حمل برای تشخیص وعیب یاب

محدودیت های اندازه گیری به وسیله اثر دوپلر
مایعات مورد اندازه گیری باید دارای حدود دو درصد جامدات معلق حجیم اضافی در خود باشند.
باشد0.15 m/sسرعت مایعات باید بیشتر از
مواد لوله باید ترکیبی از مواد همجنس باشد
باشد 1.91 cmضخامت دیواره لوله نباید بزرگتر
دبی سنجهای پره متحرک
مخصوص سیالاتی که شفاف نیستند و دارای غلظت بالای ذرات معلق می باشند. پره متحرک که در مسیر جریان سیال قرار گرفته است متناسب با دبی سیال انحراف پیدا می کند. یکی از کاربردهای مهم این نوع دبی سنجها اندازه گیری دبی هوا در موتورهای احتراقی با انژکتور است.

دبی سنج های پره متحرک خصوصیات
1.کاربرد در گستره وسیعی از گازها و مایعات
2.گستره کاری تا
3. گستره کاری تا برای آب
4.صحت 4.%تا4%
5.حداکثر دمای سیال
6. حداکثرفشار کاری40
7.هزینه کم تولید سرویس و نگهداری
دبی سنجهای تفاضلی فشار
این سنسورها بیشترین کاربرد را در صنعت برای اندازه گیری سیالات صاف و گازها دارند. اصل اساسی دبی سنجهای تفاضلی فشار بر این است که درنقطه ای از لوله به نحوی قطر لوله کمتر می شود و به این وسیله اختلاف فشار بین دو طرف مقطع لوله با قطرکم بوجود می آید با اندازه گیری اختلاف فشار می توان دبی حجمی را حساب کرد.
معادله برنولی
براساس مبانی تئوری مکانیک سیالات مقدارکل انرژی سیال در حال جاری شدن عبارت است از مجموع انرژی های فشار ÷تانسیل وسینیتیک که به صورت زیر است:

برای محاسبه اختلاف فشار فرض های زیر را در نظر بگیرید:
جریان پایا تراکم ناپذیر بودن سیال()
بدون اصطکاک جریان در امتداد خط جریان

این معادله به دو دلیل قابل استفاده نیست:
1-فرض نادیده گرفتن انرژی های تلف شده از طریق اصطکاک خطای بزرگی ایجاد می کند.
2- و که سطح مقطع عرضی سیال در نقاط هستند و با سطح مقطع موثر سیال فرق می کنند.

بادر نظر گرفتن موارد بالا معادله تئوری به معادله کاربردی زیر تبدیل می شود.

Cd: ضریب تخلیه مقدار ثابتی نیست ومربوط به نوع دبی سنج وتابع عدد رینولد وشکل هندسی مسیر جریان سیال استوبه صورت تجربی ویا از طریق رابطه به دست می آید.

تکنیک های اختلاف فشار
در تمامی تکنیک های اختلاف فشاراز رابطه بالا استفاده میشود وتفاوت در ضریب تخلیه می باشد
1-صفحه ارفیس

2-لوله نازل

3-لوله ونتوری

لوله پایتوت

معادله برنولی

سرعت دردهنه ورودی صفراست

دبی سنج های گردابی
دبی سنج گردابی از مانعی در مسیر طبیعی دبی برای ایجاد ضربان در جریان سیال استفاده می کند. ضربانها وقتی تولید می شوند که به طور مناسب گردابهایی در یک طرف مانع شکل گرفتهو به همان طرف مایع بریزند و سپس در طرف دیگر مانع این عمل تکرار شود. ضربانها حاصله توسط یک کریستال پیزو الکتریک حس می شوند. فرکانس پالسها یا ضربانها به طور مستقیم با سرعت سیال متناسب بوده و در نتیجه مبنایی برای یک دبی سنج حجمی ایجاد می کند.
تعدادی از شرکت های مطرح تولید کننده سنسورها دبی رادر جدول زیر به همراه نمایندگی آنها در ایران درجدول زیر آمده است.

شرکت سازنده
نمایندگی درایران
FISHER ROSEMOUNT
Irosco
YAMATAKE
Faranegar Sanat
YAMATAKE
Shuttle Pars
ABB
Fimco
HIMA
Hanif
ENDRESS & HAUSE
PATSA
SAMSON
Tech control

دو شرکت در داخل کشور نیز کارهایی در زمینه دبی سنج انجام داده
اند.
SANGAN SANAT
AZMOON MOTAMAM
17