كاليبراسيون و اندازه گیری

جریان سنجهای مغناطیسی- بهار 1395

Magnetic Flow meters

اندازه گیری جریان  مایعات ، گازها ، بخار یا مواد جامد از دو جنبه فرآیندهای صنعتی و قرائت های موردی مقادیر مهم هستند . در بسیاری از اندازه گیری های میزان جریان،  اگر اندازه گیری با خطا توام باشد ،  منجر به سود و زیان (یکی از دو طرف فروشنده و خریدار ) خواهد شد. در برخی موارد ، عدم اندازه گیری درست جریان می تواند مشکلات جدی یا حتی خطرناک زیست محیطی یا ایمنی بدنبال داشته باشد .

برای اندازه گیری جریان سیالات از روشها و وسایل اندازه گیری مختلفی که معمولا به نام فلومتر شناخته میشوند استفاده میشود . یکی از متداولترین آنها بالخصوص در کاربردهای صنعتی و تجاری جریان سنجهای مغناطیسی ( یا الکترو مغناطیسی) هستند.  دراین نوشته سعی میشود اصول کارکرد ، ساختار، مزایا و محدوددیتهای عملکردی این نوع جریان سنج تشریح شود.

1)  اصول عملکرد جریان سنج مغناطیسی

جریان سنج مغناطیسی (یا بصورت دقیقتر جریان سنج الکترو مغناطیسی) بر اساس ایجاد جریان الکتریکی در یک سیال هادی درحال حرکت  دریک میدان مغناطیسی کار میکند (شکل 1) .

شکل 1- اساس کار جریان سنج مغناطیسی

براساس اصل القای الکترومغناطیسی (قانون فارادی[1])، اگر یک ماده هادی با طول L با سرعت v در یک میدان مغناطیسی با شدت B (عمود برجهت حرکت هادی)  حرکت کند، نیرویی به ذرات باردار (شامل الکترونها یا یونهای آزاد) موجود در ماده هادی وارد میشود که باعث می گردد بارهای مثبت به یک سمت ماده هادی و بارهای منفی به سمت دیگر آن حرکت کنند و میدانی الکتریکی عمود بر میدان مغناطیسی موجود و عمود بر جهت حرکت ماده هادی ایجاد شود (قانون انگشتان دست چپ) . بنابراین یک اختلاف پتانسیل ( گرادیان پتانسیل) القایی در طول ماده هادی بوجود میآید که بصورت اختلاف ولتاژ e در دو سر انتهایی ماده هادی ظاهر میشود. اگر دو انتهای ماده هادی از طریق دو الکترود مناسب  به یک مدار بیرونی که قصد اندازه گیری این ولتاژ القایی رادارد وصل گردد ، جریان i در مدار برقرار و بدلیل مقاومت R هادی[2] ، ولتاژ   e=Ri را  اندازه گیری میکند.مطابق  قانون فارادی این ولتاژ القایی e  از حاصلضرب سه کمیت  طول هادی L ، سرعت آن v وشدت میدان مغناطیسی B بدست می آید و با رابطه ساده زیر بیان میشود: 

رابطه 1               e=B.L.v

که :

• e   اختلاف ولتاژ بین دو الکترود (برحسب ولت V)
• B   شدت میدان مغناطیسی (چگالی شار[3]) (بر حسب Wb/m2 یا V.s/m2 یا تسلا[4])
• L   فاصله بین الکترودها (برحسب متر m)
• v   سرعت جریان سیال (برحسب m/s )

در جریان سنج مغناطیسی ، شدت میدان مغناطیسی B  ثابت میباشد و هادی همان سیال درحال حرکت که بایستی هدایت الکتریکی حداقلی داشته باشد . ازطرفی سطح داخلی لوله جریان سنج مفناطیسی  بایستی دارای پوششی عایق مغناطیسی باشد تا از نفوذ میدان مغناطیسی به بخش فلزی لوله  جلوگیری کند ،درغیر اینصورت بین پتانسیلهای مثبت و منفی ایجاد شده اتصال کوتاه پیش خواهد آمد و ولتاژ القایی e شکل نخواهد گرفت.  با توجه به شکل 1  و رابطه 1 ،  بیشینه ولتاژ القا شده e ، با توجه به   ثابت بودن شدت میدان مغناطیسی B و سرعت میانگین سیال v  ، در خط مرکز   مجرای عبور سیال اتفاق می افتد و بنابراین الکترودهای اندازه گیری را دراین محل قرار میدهند ، لذا  L در رابطه  1  همان قطر لوله (D)  یا قطر داخلی جریان سنج مغناطیسی خواهد بود .

به این نکته هم بایستی توجه کرد که ولتاژ تولید شده به پارامترهایی مانند فشار ، دما، چسبندگی ، هدایت الکتریکی و غیره  بستگی ندارد . فقط ماده عبوری لازمست سطح حداقلی از هدایت الکتریکی داشته باشد تا سیگنال گفته شده با توان کم (خیلی کوچک) ایجاد شود. این سیگنال متناسب با جریان حجمی سیال است .

 Qv  =v.A=e.A/B.L=(e/B.D)(3.14D2/4)

Qv  = K.e       رابطه 2 

• Qv : مقدار جریان حجمی سیال(برحسب m3/s)
• A : مساحت داخلی جریان سنج مغناطیسی (برحسب مترمربع m2 )
• D : قطر داخلی جریان سنج مغناطیسی (برحسب متر m)
• B   شدت میدان مغناطیسی  (بر حسب Wb/m2 یا V.s/m2)
• e   اختلاف ولتاژ بین دو الکترود (برحسب ولت V)
• K : ضریب ثابت

2) ساختار جریان سنج مغناطیسی

سطح داخلی جریان سنج مغناطیسی که با سیال هادی در تماس است، توسط لایه عایقی پوشش داده میشود بطوریکه سیال هادی  از بدنه فلنج که فلزی است عایق میشود. حسگر اندازه گیری جریان سنج مغناطیسی از دو الکترود از جنس مواد غیر مغناطیسی تشکیل شده و درون پوشش با لایه عایق الکتریکی نصب میشود تا با سیال در تماس باشد (شکل2).

 شکل 2- اجزای تشکیل دهنده جریان سنج مغناطیسی

 لایه عایقی یا پوشش داخلی جریان سنج  ، معمولا از مواد زیر می باشد :

• لاستیک طبیعی یا نئو پرن[5] که ارزان می باشد و استحکام محدودی در دمای بالا دارد . معمولاً از لاستیک برای کاربردهایی که  سیال آب است  استفاده می شود .
• تفلون (PTFE) یک ماده عایقی خوب است،  اما چسباندن آن به فولاد مشکل است و این یعنی در کاربردهای خلاء از آن نمی توان استفاده کرد.  تفلون در کاربرد مایعاتی که به دلیل نفوذ به درون آن  باعث ایجاد اتصال کوتاه یا خوردگی می شوند محدودیت دارد.
•  پرفلور آلکوکسی(PFA)  ماده ای است که نفوذ مایعات در آن کمتر اتفاق می افتد،  اما از نظر ابعادی پایداری ندارد ،لذا   نیاز به پوشش مستحکم کننده فولادی (RVS) پیدا می کند. PFA از تفلون گرانتر می باشد ولی در کاربردهای خلاء می تواند کارکند.
• مواد سرامیکی قابلیت نفوذ مایعات راندارند ، از نظر ابعادی پایدار هستند ، در مقابل سایش و فرسودگی مقاوم بوده و توانایی تحمل دماهای بالا را دارند. عیب مواد سرامیکی قابلیت آسیب پذیری مکانیکی و هزینه ساخت بالای آنهاست.  شوکهای دمایی و تنش های مکانیکی در مواد سرامیکی که در فرآیند ساخت خوب عمل نشده باشد ،باعث ترکیدگی با شکستن حسگر می شوند .

سیم پیچهای الکترومغناطیسی که وظیفه ایجاد میدان مغناطیسی درون لوله رابعهده دارند دربالا و پایین  الکترود ها قرار میگیرند (شکل 1) . پوشش خارجی این سیم پیچها ، فولاد کربنی انتخاب می شود تا چگالی میدان مغناطیسی درون بخش اندازه گیرجریان سنج مغناطیسی را افزایش دهد و ازنشت میدان مغناطیسی به بیرون جلوگیری نماید،  ولی عیب اینکار سنگین تر شدن جریان سنج مغناطیسی خواهد بود.

دوالکترود در جریان سنج مغناطیسی، طوری قرار می گیرند که عمود بر محور سیم پیچهای مغناطیسی باشند. الکترودها به پوشش عایق داخلی لوله  ثابت و محکم شده  (شکل 3) و در تماس با مایع سیال درون لوله می باشند . الکترودها معمولااز جنس فولاد ضدرنگ هستند ولی ازسایر مواد مانند تیتانیوم ، c-hastelloy یا پلاتین نیز می توانند باشند.

الکترودهای تماسی معمولا درکاربردهایی که سیال درحال عبور اثر تخریبی کمتری برروی الکترود دارد استفاده میشود و درکاربردهایی که سیال عبوری خوردگی و سایش زیادی ایجاد میکند و یا سیال بصورت مواد سنگین یا ذرات جامد است که دربرخورد با الکترودها میتوانند نویز و اغتشاش درسیگنال خروجی جریان سنج ایجاد کنند یا برروی آنها ته نشین شوند ،ترجیح داده میشود از نوع غیر تماسی یعنی از الکترودهای پوشش داده شده و خازنی استفاده شود.

شکل 3- الکترود درتماس با سیال

در جریان سنج الکترومغناطیسی باآشکار سازی خازنی ، الکترودها در تماس با سیال عبوری نیستند و آشکار ساز سیگنال  از صفحات خازنی تشکیل شده است که  در پوشش داخلی عایق جریان سنج ریخته گری شده اند و بعنوان الکترودهای یک خازن عمل می کنند . برای این مدل آشکارسازی  حداقل هدایت الکتریکی که سیال لازمست داشته باشد ،  100 برابر کمتر از مدلی است که از الکترودمای تماسی استفاده می کند.

میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط سیم پیچ ها بستگی به نوع سیگنال تحریک میدان دارد . انواع مختلفی جریان سنج با تحریکات متفاوت وجود دارد که عبارتند از :

• جریان سنج های الکترومغناطیسی با تحریک میدان مستقیم  (DC) :

 فقط برای فلزات مایع  مانند جیوه کاربرد دارد و بدلیل احتمال الکترولیز و پلاریزاسیون در محل الکترودها ، استفاده از این روش بندرت اتفاق می افتد. دراین نوع کاربردها نیازی نیست تا سطح داخلی جریان سنج از عایق پوشانده شده باشد، زیرا هدایت الکتریکی فلزات مایع درحد لوله فلزی که معمولا فولاد ضدزنگ است میباشد و مشکل اتصال کوتاه پتانسیلهای مثبت و منفی در محل الکترودها پیش نمی آید. همچنین نیاز به الکترود خاصی نیست، زیرا ولتاژ خروجی را از خود لوله فلزی در محلی که بیشترین ولتاژ رادارد میتوان گرفت. مدارات الکترونیکی این نوع جریان سنجها ساده و ارزان بوده ، زمان پاسخ سریعی داشته ، پایداری نسبی و درستی متوسطی دارند و درکاربردهای تحقیقاتی مختلفی بکار میروند.

• جریان سنج های الکترومغناطیسی تحریک سینوسی (AC) :

توسط یک جریان متناوب ، میدان مغناطیسی متناوبی با فرکانس تغذیه اصلی (معمولا 50 یا 60 هرتز)  ایجاد می شود . چون دراین روش اثر پلاریزاسیون الکترودها کمتر است ، اعوجاج زیادی در پروفایل جریان سیال بدلیل اثرات مغناطیسی- هیدرودینامیکی  پیش نمی آورد. با استفاده از فیلترهای الکترونیکی بالا گذر[6] میتوان براحتی  ولتاژهای رانشی[7] مزاحم که به بمرور از پدیده های تشکیل پیل شیمیایی و ترموکوپل ناشی میشود را   حذف کرد. همچنین درمقایسه با نوع تحریک مستقیم (DC) ، از تقویت کننده های الکترونیکی متناوب با بهره بالا که رانش کمتری دارند میتوان استفاده کرد .

درمقابل مزایای اشاره شده فوق،عیب عمده  این روش اینست که نویزالکترونیکی حاصل از سیم پیچهای متناوب پیش بینی شده در مدار تحریک ، سیگنالهای مزاحم متناوبی را به مدار اندازه گیری القا میکند و  باعث می شود نقطه صفر اندازه گیری پس از  مدت زمان مشخصی تغییر کرده و جابه جا شود (رانش صفر) ،  لذا لازمست در دوره های مشخصی، جریان سیال را متوقف تا لوله دروضعیت پر از سیال و شرایط سرعت صفر  قرار گیرد و  خروجی جریان سنج مغناطیسی را روی نقطه صفر تنظیم مجدد نمود.

• جریان سنج های الکترومغناطیسی با تحریک سوئیچینگ DC :

این نوع جریان سنج از 1975 میلادی به بازار عرضه شده و هم اکنون بازار درکاربردهای صنعتی بین نوع تحریک متناوب سینوسی و تحریک سوئیچینگ مستقیم تقسیم شده است. دراین نوع ، سیم پیچهای مغناطیسی با جریانی که بصورت موج مربعی با فرکانس پایین (3 تا 6 هرتز)  است تحریک می شوند . وقتی میدان مغناطیسی صفر است، سیگنال خروجی جریان سنج بعنوان خطا محسوب میشود و آنرا بعنوان خطای صفر ذخیره و از سیگنال خروجی جریان سنج برای وقتی میدان مغناطیسی اعمال میشود کسر میگردد و بگونه ای هوشمند  ویژگی"صفر خودکار" در این وسیله بکار میرود و خطای صفر را چندبار درثانیه حذف میکند . مزیت دیگر این روش، توان مصرفی پایین آن است (5 تا 25 وات ) و تا 75درصد توان تلف شده کمتری دارد. دربرخی کاربردها سرعت پاسخ آن کند و حدود 7 ثانیه میباشد که درمقایسه با نوع تحریک متناوب با فرکانس 50 یا 60 هرتز که حدود 2 ثانیه میباشد ، این روش کندتر محسوب میشود.

3 ) نصب جریان سنج مغناطیسی

• حسگر جریان سنج مغناطیسی در هر موقعیتی می تواند نصب شود، به شرط اینکه دستگاه اندازه گیری کاملا از سیال پر شود . علاوه برای این تنظیم نقطه صفر آن نیز نیاز به پر شدن کامل جریان سنج دارد.
• اگر سیال حاوی ذرات یا چربی باشد، جریان سنج مغناطیسی بهتر است عمودی نصب شود. وقتی بصورت افقی نصب شود ذرات سنگین تر در کف جریان سنج رسوب کرده و ذرات سبکتر به بالا می آیند و این تجمع آلودگی بر روی میدان مغناطیسی ودر نهایت روی نتیجه اندازه گیری تاثیر می گذارد.
• قرار دادن عمودی الکترودها در یک جریان سنج نصب شده افقی مطلقاً ممنوع است ،زیرا آلودگی ها که سنگینتر هستند برروی الکترودها می نشینند و  باعث قرائت کاملاً غلط جریان سنج می شود .
• در تئوری جهت عبور سیال تا زمانیکه اتصال الکتریکی درست باشد مهم نیست (اما اغلب سازندگان جهت بهینه عبور سیال را مشخص می کنند )
• در میزان جریانهای سیال کم (کمتر از 1 متر بر ثانیه ) به درستی مورد نظر نمی توان دست یافت ،لذا سرعت را می توان با کاهش قطر لوله در ورودی جریان ستج مغناطیسی  افزایش داد .
• برای جریان سنجهای مغناطیسی، پروفایل جریان عبوری خیلی مهم نیست ،اما در عمل اغلب سازندگان و یا تأمین کنندگان پیشنهاد نصب لوله های متعادل کننده که حدود 5 برابر قطر لوله است را در پایین دست وبالادست  جریان سنج می دهند .
• زمین نمودن الکتریکی جریان سنج یک موضوع بسیار مهم است،  زیرا مقدار ولتاژ روی الکترودها در حد چند میلی ولت است و  اصطکاک سیال مایع با لوله می تواند باعث ایجاد ولتاژاستاتیک شود.

4) مشخصات جریان سنج مغناطیسی

• برای اندازه گیری درست لازمست جریان سنج همواره از سیال پر باشد.
• دربرابر عبور سیال ، کاملاً بدون مانع عمل می کند و درنتیجه افت فشاری بوجود نمی آورد
• سطح بالایی از درستی اندازه گیری دارد معمولاً تا زمانیکه میزان جریان سیال به اندازه کافی بالا باشد (بیشتر از 1 متر بر ثانیه ) درستی اندازه گیری آن بهتر از یک درصد حداکثر مقیاس اندازه گیری 1%FS   خواهد بود . حداقل و حداکثر سرعتهای قابل اندازه گیری 0.3 و 12 متر بر ثانیه می باشد . بعنوان یک قاعده کلی پیشنهاد می شود سرعتی بین 2 تا 3 متر بر ثانیه در حداکثر مقیاس اندازه گیری[8] ( FS ) انتخاب شود.
• پهنه اندازه گیری[9] وسیعی همراه با میزان خطی بودن خوبی دارد و به تغییرات جریان پاسخ خوبی میدهد (برای نوع نحریم مستقیم پاسخ آنی و برای نوع تحریک متناوب حدود 7 ثانیه  و سوئیچینگ مستقیم حدود 2 ثانیه  دارد)
• ااندازه گیری آن به فشار ، دما ، چگالی یا چسبندگی سیال یا محیط و همچنین به اغتشاشات جریانی سیال تا زمانیکه پروفایل سرعت آن متقارن  باقی بماند  بستگی ندارد
• به صورت تئوری به لوله های متعادل کننده نیازی ندارد (ولی در عمل نصب آنها پیشنهاد می شود )
• بدلیل الکترونیکی بودن ، گران می باشد
• به هدایت الکتریکی حداقلی نیاز دارد (5 میکرو زیمنس بر سانتی متر)و بنابراین در عمل فقط هنگامی استفاده می شود که سیال مایع باشد (در روش آشکار سازی خازنی ، هدایت موردنیاز  0.05 میکرو زیمنس بر سانتی متراست )  . بنزین با هدایت  8-10 میکرو زیمنس بر  سانتی متراصلا با این روش قابل اندازه گیری نیست ، الکل با 0.2 میکرو زیمنس بر سانتی متر مشکل اندازه گیری میشودو جیوه با 1010 میکرو زیمنس بر سانتی متر هیچ مشکلی برای اندازه گیری ندارد.
• به پروفایل جریان عبوری سیال  بستگی ندارد
• برای مایعات آلوده ایده آل است
• همراه با لوله می توان آن را در محل تمیز کرد

منبع : حسگرهای اندازه گیری جریان سیالات-محسن جزمی تابستان 94

[1]  Faraday's Law

[2] بصورت تئوری مقدار مقاومت R سیال از  sd-1بدست می آید که s هدایت الکتریکی سیال و d قطر الکترود است. بطور مثال برای آب اشامیدنی با هدایت 200 میکرو زیمنس بر سانتی متر  ، اگر قطر الکترود 0.64 سانتی متر باشد، مقاومت سیال حدود  7800 اهم خواهد بود.

[3]  Flux Density

[4] Tesla

[5]  Natural Rubber or Neoprene

[6]  High Pass Filters

[7]  Drift

[8]  Full Scale

[9]  Span