درادامه مطالب قبلی درخصوص تشریح  اصول عمکرد ، ساختار ، مزایا و محدودیتهای عملکردی جریان سنجهای (فلومترهای) مغناطیسی ، گردابی ، ماورای صوت و توربینی (لینک های زیر) ، دراین پست به جریان سنج های کوریولیس پرداخته میشود.

لینک جریان سنج مغناطیسی : http://calibration-info.blogfa.com/post-80.aspx

لینک جریان سنج گردابی : http://calibration-info.blogfa.com/post-81.aspx

 لینک جریان سنج ماورای صوت :http://calibration-info.blogfa.com/post-82.aspx

 لینک جریان سنج توربینی: http://calibration-info.blogfa.com/post-85.aspx

 

 جریان سنج کوریولیس[1]

مقدمه

دربسیاری کاربردهای اندازه گیری جریان سیالات ، جریان جرمی بسیار مهم تر از جریان حجمی است. گستره عملیاتی یک هواپیما بطور مثال با جرم مایع (سوخت) آن ونه حجم آن سنجیده می شود. بنابراین جریان سنجهای سیال برای استفاده در پرکردن باک هواپیما بجای حجم ، جرم را مشخص میکنند. درصنایع شیمیایی نیز اندازه گیری جریان جرمی بسیار مهم است .بطور کلی جرم یک کمیت غیر قابل تغییر با عوامل جانبی محسوب می شود، در حالیکه حجم بستگی به دما و فشار دارد . جریان سنجهای کوریولیس بصورت مستقیم میزان جرم سیال عبوری را اندازه میگیرند و این مزیت آنها بر سایر فناوریهای جریان سنجی سیالات است که سرعت عبور سیال و  جریان حجمی آنرا مستقیم اندازه میگیرند.  جریان سنج های کوریولیس از درستی بالایی برخوردارند و  حدود 20 درصد بازار جریان سنج ها را بخود اختصاص میدهند.

 

بخش 1) اصول کارکرد جریان سنج های کوریولیس

1-1 ) اثر کوریولیس:

قبل از پرداختن به اساس کار و ساختار جریان سنجهای کوریولیس، بهتر است با پدیده و اثر کوریولیس آشنایی پیدا کرد:

اثر کوریولیس اثری است که درآن یک جرم درحال حرکت در یک سیستم دوار ، نیرویی با عنوان نیروی کوریولیس را تجربه میکند. این نیرو عمود برجهت حرکت و همچنین محور چرخش سیستم دوار بر جرم درحال حرکت  اعمال میشود. این اثر در حرکت چرخشی زمین نیز پیش می آید و باعث میشود تا اجسام در حال حرکت درنیم کره شمالی تمایل به راست و درنیم کره جنوبی تمایل به چپ پیدا کنندو این موضوع در شکل گیری سیستمهای آب و هوایی طوفانی اهمیت دارد. همچنین دراثر این نیرو جهت چرخش آب در حال تخلیه در سینک های ظرفشویی یا دستشویی در یک نیمکره با نیمکره دیگر متفاوت است در یکی در جهت عقربه ساعت و در نیمکره دیگر خلاف آن تخلیه صورت میگیرد.

 

جریان سنجهای کوریولیس از اثر و پدیده فوق استفاده و  با طراحی های مختلفی عرضه میشوند که بیشتر بدو صورت لوله (های) U شکل و لوله(های) راست هستند . این جریان سنجها از سه بخش عمده زیر تشکیل میشوند:

  • لوله (های) عبور سیال که معمولا یک جفت لوله  Uشکل یا لوله راست هستند و توسط یک محرک مناسب در ارتعاش با فرکانس حدود 80 تا 1000 هرتز  با سرعت زاویه ای ثابتی قرار میگیرند. ارتعاش لوله های مزدوج نیز خلاف جهت یکدیگر اتفاق می افتد تا حساسیت وسیله اندازه گیری ایجاد شده به ارتعاشات بیرونی به حداقل برسد.دامنه این ارتعاش خیلی کوچک بوده ومعمولا قابل مشاهده نیست ولی با لمس دست میتوان آنرا حس کرد.
  • حسگر که تغییر فاز نوسانات را در ابتدا وانتهای لوله (ورودی سیال و خروجی سیال) اندازه میگیرد
  • بخش الکترونیک که پردازش اطلاعات خروجی حسگر و تبدیل آنها به سیگنالی الکتریکی متناسب با جرم سیال عبوری را بعهده دارد

 

2-1) اساس کار و ساختار جریان سنج کوریولیس با لوله (های) راست

ساختار کلی این نوع جریان سنج  در شکل1 نمایش داده شده است . سیال دارای جرم از دو لوله راست وموازی که  توسط یک محرک مناسب درحال ارتعاش (در جهت خلاف هم) بصورت هارمونیک با سرعت زاویه ای ثابت   است عبور میکند.

 اگر جرم سیال عبوری  m درنظر گرفته شود و سرعت سیال عبوری از مسیر لوله بصورت برداری با  نمایش داده شود، آنگاه میتوان نشان داد که نیروی کوریولیس وارد شده از رابطه زیرتبعیت میکند:

نیروهای کوریولیس وارده از طرف سیال در بخش ورودی  و بخش خروجی  در جهت های مختلف به لوله وارد میشوند و  لوله را تغییر شکل میدهند.

شکل 1)اساس کار جریان سنج کوریولیس با لوله راست

 

جزییات بیشتر این فرایند تغییر شکل، در بخش ورودی به شرح زیر است (شکل 1 ):

  • ذره دارای جرم m با سرعت  در لوله های اندازه گیری که با سرعت زاویه ای ثابت  درحال ارتعاش است در بخش ابتدایی لوله درجریان است
  • سپس این جرم بایستی به سرعت بالاتر  شتاب بگیرد تا بتواند با همان سرعت زاویه ای  حرکت کند(شتاب افزایشی)
  • چون ذره دارای جرم ثابت است ، زمانیکه شتاب پیدا کند ، به دیواره لوله نیرویی وارد میکند
  • فشار وارده به دیواره لوله به سمت پایین است و بنابراین حرکت لوله را آهسته به سمت پایین متمایل میکند

 

حال اگر نگاهی نیز به بخش خروجی سیال از لوله انداخته شود، جزییات فرآیند تغییر شکل لوله ها دراین بخش به شرح زیر است(شکل 1):

  • ذره دارای جرم m با سرعت  در لوله ها که با سرعت زاویه ای ثابت  درحال ارتعاش است در بخش انتهایی لوله درجریان و درحال خروج از لوله اندازه گیری است
  • سپس این جرم بایستی به سرعت پایین تر برسد  تا بتواند با همان سرعت زاویه ای  حرکت کند (شتاب کاهنده)
  • چون ذره دارای جرم ثابت است ، زمانیکه شتاب آن کاهش پیدا میکند ، به دیواره لوله نیرویی وارد میکند
  • فشار وارده به دیواره لوله به سمت بالا است و بنابراین حرکت لوله را آهسته به سمت بالا متمایل میکند

اگر نوسان لوله (های) اندازه گیری درورودی و خروجی با حسگر مناسب (درنقاط A و B در شکل 1)  اندازه گیری شود ، سیگنالها در حالتی که سیال در حرکت نیست، همفاز خواهند بود و نیروی کوریولیس صفر میباشد. افزایش جریان جرمی سیالات ، نیروی کوریولیسی متناسب به لوله های اندازه گیری (رابطه 9-1) وارد میکند که درحقیقت حرکت نوسانی لوله ها را کاهش یا شتاب میدهد. دراین حالت دو سیگنال اختلاف فازی (Δφ) متناسب با جریان جرمی پیدا میکنند.

 

3-1 ) اساس کار و ساختار جریان سنج کوریولیس با لوله (های) U شکل یا خمیده

در این نوع جریان سنج، سیال به دو قسمت تقسیم و به دو لوله U شکل که توسط یک محرک مغناطیسی ،درحال ارتعاش با سرعت زاویه ای  (ودرخلاف جهت هم) هستند وارد میشود و سپس از آن خارج میگردد (شکل 2)

ساختار جریان سنج کوریولیس با لوله U شکل

شکل 2) ساختار جریان سنج کوریولیس با لوله U شکل

 

سپس نیروهای کوریولیس وارده از طرف سیال لوله ها را تغییر شکل میدهد و مولفه اضافه تری از فشار به لوله درحال ارتعاش وارد می کند. این مولفه اضافی منجر به تغییر فاز در نقاط A و B (شکل 2) یا پیچش در بخشی از هر یک از دو لوله U شکل میشود. شکل 3 بصورت واضحی این تغییر شکل ومحل آنرا در یکی از لوله ها نشان میدهد.

 

طرزکارکلی جریان سنج کوریولیس با لوله U شکل

شکل 3) طرز کار کلی جریان سنج کوریولیس با لوله U شکل

 

این تغییر فاز که مستقیم متناسب با میزان جرم عبوری است ، با کمک حسگرهای نصب شده (درمحلهای Aو B در شکل 2) اندازه گیری میشود. میتوان نشان داد اگر t اختلاف زمان پیش آمده (بدلیل اختلاف فاز سیگنالها در نقاط A و B ) بدلیل عبور جریان سیال از لوله های U شکل در حال نوسان با سرعت زاویه ای ثابت ω باشد ، آنگاه جریان جرمی عبوری از رابطه خطی زیر بدست می آید:

که :

  • Qm  جریان جرمی سیال (برحسب Kg/s )
  • t  اختلاف زمانی (برحسب ثانیه s)
  • Ku  ضریب سفتی[2] لوله
  • Iu   اینرسی لوله
  • ω   سرعت زاویه ای نوسان لوله (برحسب دور برثانیه rev/s)
  • K  ضریب وابستگی شکل لوله
  • d  قطر خم لوله (برحسب متر m )
  • r  شعاع لوله (برحسب متر m )

 

براساس رابطه فوق جریان جرمی تناسب مستقیم با اختلاف زمانی (اختلاف فاز)  آشکار شده توسط حسگرهای نصب شده درورودی و خروجی لوله های اندازه گیری دارد و برای هر جریان سنجی تمامی پارامترهای موجود درابطه ،بجز t ثابت میباشد . لذا میتوان ادعا کرد جریان سنج کوریولیس ، مقدار جریان جرمی سیال عبوری را مستقل از عوامل تاثیر گذار محیطی و فرآیندی اندازه گیری میکند و بهمین دلیل از درستی و پایداری بالایی برخوردار است.

 

نکته: لازمست به این نکته توجه داشت که ارتعاش در جریان سیال صفر یا جریان سیال بدون ارتعاش لوله ها، جریان سنج کوریولیس نیز خروجی تولید نخواهد کرد و جریان جرمی صفر را نشان خواهد داد.

 

4-1) محرک یا نوسانساز لوله های اندازه گیری

محرک یا نوسانساز وظیفه ایجاد ارتعاش با فرکانس ثابت در لوله های اندازه گیری رادارد ، بطوریکه درهرلحظه جهت نوسان یک لوله نسبت به دیگری درخلاف جهت و به همان اندازه باشد.محرک معمولا از یک سیم پیچ که به یکی از لوله ها متصل است و یک آهن ربای دائمی که به لوله دیگر متصل است ساخته میشود. یک جریان متناوب بادامنه مناسب و فرکانس ثابت حدود 80 تا 1000 هرتز به سیم پیچ اعمال میشود که باعث میگردد آهن ربا بصورت متناوب جذب و دفع نماید و درنتیجه لوله هارا با فرکانس ثابتی به سمت هم نزدیک یا ازهم دور کند.

 

5-1 ) حسگر در جریان سنج کوریولیس

حسگر در جریان سنج کوریولیس میتواند موقعیت، سرعت ، شتاب حرکت لوله ها یا کشش و گشتاور وارده به لوله ها را اندازه بگیرد. بسته به طراحی از حسگرهای مختلفی میتوان استفاده کرد که برخی ازآنها عبارتند از:

  • حسگر الکترومغناطیس

اگر از حسگرهای الکترومغناطیسی استفاده شود (شکل 4 )، موقعیت آهن ربا و سیم پیچ  با ارتعاش لوله ها نسبت به هم تغییر میکنند و میدان مغناطیسی سیم پیچ را تغییر می دهند. بنابراین ولتاژ خروجی سینوسی از سیم پیچ ، میتواند نمایانگر مقدار حرکت لوله ها باشد. از اختلاف فاز بین سیگنالهای  خروجی دو  حسگر نصب شده در ورودی لوله و خروجی آن میتوان مقدار پیچیدگی یا تغییر شکل لوله و درنتیجه جریان جرمی را تعیین کرد.

 

  • مبدل نوری[3] و حسگر نزدیکی[4]

.در برخی جریان سنجهای کوریولیس که مقدار تغییر شکل و پیچیده شدن لوله را میتوان با استفاده از دو مبدل نوری یا دو حسگر نزدیکی که در دو طرف  لوله  Uشکل بعنوان حسگر نصب میشوند اندازه گیری کرد.

 

  • کشش سنج

 درجریان سنج کلاسیک برای اندازه گیری گشتاور ناشی از  اندازه حرکت زاویه ای گرفته شده از سیال که به  حسگر وارد میشود استفاده میگردد

 

 

قرارگیری نوعی حسگرها ومحرک الکترومغناطیس درجریان سنج کوریولیس

 شکل 4) قرارگیری حسگرها و محرک الکترو مغناطیس درجریان سنج کوریولیس

 

6-1 ) اندازه گیری چگالی سیال عبوری با جریان سنج کوریولیس

وقتی هیچ جریانی در لوله های اندازه گیری برقرار نباشد، ارتعاش بوجود آمده توسط محرک الکترو مغناطیسی منجر به جابجایی یکسان هر دولوله درتمامی نقاط آن میشود و هیچگونه تغییر شکل بصورت پیچیدگی یا خمیدگی درلوله های اندازه گیری پیش نمی آید. فرکانس تشدید طبیعی ساختار لوله های اندازه گیری تابعی از شکل هندسی آن ، جنس لوله ، جرم لوله بعلاوه جرم سیال درون آن است. جرم لوله ثابت است. چون جرم سیال حاصلضرب چگالی سیال ( ρ ) و حجم آن (V) است (که حجم سیال درلوله همیشه ثابت میباشد) ، فرکانس نوسان را میتوان بطور مستقیم به چگالی سیال جاری درفرآیند نسبت داد.بنابراین چگالی سیال را میتوان با اندازه گیری فرکانس تشدید نوسانات لوله تعیین کرد. توجه داشته باشید که چگالی را میتوان در جریان سیال صفر ، مادامیکه لوله ها درحال ارتعاش و پر از سیال هستند اندازه گرفت.

 

 بخش 2) ملاحظات درنصب جریان سنج های کوریولیس

  • لوله های اندازه گیری بایستی کامل پراز سیال باشند، حتی برای تنظیم نقطه صفر اندازه گیری این موضوع بایستی رعایت شود
  • بهترین حالت ، نصب در لوله های عمودی با جریان سیال رو به بالا است
  • نگهدارنده های کافی لوله ها در جلو و پشت جریان سنج نیازاست
  • به لوله های متعادل کننده در سمت پایین دست و بالا دست نیاز ندارد
  • طراحی آن معمولا فشرده و محل نصب زیادی نیاز ندارد
  • هزینه های نصب بالا دارد

 

بخش 3 ) مزایا و محدودیت ها

مزایا :

  • اندازه گیری جریان جرمی واقعی را بصورت مستقیم و بادرستی خیلی زیادی انجام میدهد. لذا در بسیاری از کاربرد ها مانند رنگ ، آهک ، CO2 ، شیر، خامه ، سوپ، چسب ها ، اسیدها، گازطبیعی، مایعات تمیز، سیالات مخلوط ،کف ها، دوغاب و...  بصورت فراگیر بکار گرفته میشود.
  • چگالی سیال را با درستی زیادی  میتواند اندازه گیری کند
  • سطح بالایی از درستی و تکرار پذیری را ارائه میکند، بصورت نوعی برای مایعات 0.15 درصد و برای گازها 0.5 درصد جریان جرمی سیال و تکرار پذیری نوعی 0.05 درصد
  • ظرفیت اندازه گیری آن از کمتر از 0.05کیلوگرم بر دقیقه تا بیش از 10.000کیلوگرم بر دقیقه  می باشد
  •  تحت تاثیر عوامل دما، فشار و چسبندگی سیال قرار نمی گیرد
  • نیازی به لوله های مستقیم متعادل کننده پروفایل سیال در ورودی و خروجی خود ندارد
  • برای سیالات مواج و نوسانی میتواند بکار برده شود
  • در هردو جهت عبور سیال (رفت وبرگشتی) کار میکند
  • برای کاربردهای بهداشتی، امکان گندزدایی و استریل شدن را دارد ،لذا در بسیاری از صنایع مانند صنایع غذا، مواد مصنوعی ، دارویی و بهداشتی کاربرد دارد
  • تنظمیات بازه اندازه گیری برای میزان جریان سیال و چگالی قابلیت بهینه شدن دارد
  • امکان تخلیه خودکار دارد
  • تاحد زیادی قرائت پایدار دارد
  • تقریبا افت فشار ، روی جریان اندازه گیری شده توسط جریان سنج تاثیری ندارد
  • مدارات الکترونیک پیچیده ای دارد و گرانقیمت است و مصونیت ارتعاشی بالایی دارد

 

محدودیت ها :

  • از ناخالصی گاز در سیال مایع، تاثیر پذیر است
  • درصورت نصب نامناسب ، میتواند تحت تاثیر ارتعاش و لرزش قرار گیرد
  • در انتخاب مواد جهت ساخت محدودیت دارد

 

 

شکل 5) چند نمونه جریان سنج کوریولیس موجود دربازار و صنعت

 

 

منبع: حسگرها و روشهای اندازه گیری جریان سیالات-محسن جزمی 94-97

 

[1] Coriolis Flowmeter

[2]  Stiffness

[3]  Optical Transducer

[4]  Proximity Sensor