صفحه اصلی » کنترل و ابزاردقیق » کالیبراسیون-calibration-ابزاردقیق

کنترل و ابزاردقیق

کالیبراسیون-calibration-ابزاردقیق

نقطه کنترل

2016-10-02

368 مشاهده

کالیبراسیون”calibration” چیست؟

تعاریف متعددی برای کالیبراسیون ارائه شده است.

واسنجی.یا کالیبراسیون مطابقت با استاندارد را تعیین می‌کند. کالیبراسیون اندازه‌گیری و تعیین صحت وسیله اندازه‌گیری در مطابقت با مرجع تایید شده می‌باشد.

دراستاندارد ملی ایران در بخش “واژه ها واصطلاحات پایه و عمومی اندازه شناسی” کالیبراسیون چنین تعریف شده است :

مقایسه ابزار دقیق با یک مرجع استاندارد آزمایشگاهی در شرایط استاندارد، جهت اطمینان از دقت و سلامت آن و تعیین میزان خطای این وسیله نسبت به آن استاندارد وتنظیم آن در مقایسه با استاندارد .

کالیبراسیون مقایسه دو سیستم یا وسیله اندازه گیری است(یکی باعدم قطعیت معلوم ودیگری با عدم قطعیت نامعلوم)به منظورمحاسبه عدم قطعیت وسیله ای که عدم قطعیت آن نامعلوم است.

هدف کالیبراسیون ایجاد نظامی موثر به منظور کنترل صحت و دقت پارامترهای مترولوژیکی دستگاه‌های آزمون و وسایل اندازه‌گیری و کلیه تجهیزاتی است که عملکرد آنها بر کیفیت فرایند تاثیرگذار می‌باشد. این کار به منظور اطمینان از تطابق اندازه گیری‌های انجام شده با استانداردهای جهانی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

هدف نهایی کالیبراسیون برقراری قابلیت ردیابی عنوان شده‌است. قابلیت ردیابی traceability مهمترین ویژگی که یک اندازه گیری باید داشته باشد وجود قابلیت ردیابی نتایج آن تا استانداردهای ملی و سپس بین المللی می‌باشد.

وقتی سطح اطمینان و عدم قطعیت کلیه اندازه گیری‌ها بیان شود درستی و دقت نتایج اندازه گیری تضمین می‌گردد. قابلیت ردیابی قابلیت ارتباط دادن مقدار یک استاندارد یا نتیجه یک اندازه گیری با مرجع‌های ملی یا بین المللی از طریق زنجیره پیوسته مقایسه‌ها که همگی عدم قطعیتی معین دارند. کالیبراسیون تنها راه برقراری قابلیت ردیابی می‌باشد استقرار قابلیت ردیابی نتایج اندازه گیری (در کالیبراسیون) بوسیله تعیین نام دستگاه مرجع کالیبراسیون و عدم قطعیت آن محاسبه اعلام عدم قطعیت اندازه گیری برای نتایج کالیبراسیون و نیز بیان شرایط محیطی اثر گذار بر نتیجه اندازه گیری قابلیت ردیابی نتایج کالیبراسیون استقرار می‌یابد.

کالیبراسیون اولیه وسیله اندازه گیری چگونگی کارایی مورد ادعای سازنده را به مشتری نشان می دهد .پارامتر هایی که توسط دستگاه اندازه گیری می شود به استاندارد های اندازه گیری قابل ردیابی ارجاع داده می شود که اگر چنین نباشد اطمینانی به آنها نمی توان داشت.

کالیبراسیون مجدد به خاطر کنترل و نگهداری فرایند های اندازه گیری که با وسیله ی اندازه گیری انجام می شود لازم است . معمولا عدم قطعیت وسیله نسبت به زمان و با استفاده های مکرر از آن افزایش می یابد . شناسایی رشد تدریجی عدم قطعیت و افزایش آن به راحتی توسط کاربران امکان پذیرنیست . آنچه که در اندازه گیری بسیار ضروری است قابلیت ردیابی است .

برقراری قابلیت ردیابی که با کالیبراسیون امکان پذیر می شود در کنترل سیستم اندازه گیری و تجارت بین المللی ضروری می باشد . قابلیت رد یابی عبارت است از : قابلیت ارتباط مقدار یک استاندارد یا نتیجه یک اندازه گیری با مرجع های ملی و بین المللی، از طریق زنجیره ی پیوسته ی مقایسه ها که همگی عدم قطعیتی معین دارند که به صورت ملی یا بین المللی تعیین یا مشخص می شوند .

از ملزومات هر تحقیقات ،طراحی فعالیت های تولیدی ،آزمون های نهایی و کالیبراسیون تولیدات و تجهیزات قبل از تحویل می باشد . همچنین کالیبراسیون قابل ردیابی ،حصول اطمینان از عدم قطعیت اندازه گیری در یک بخش از فرایند را که بر بخش های دیگر فرایند تاثیر گذار است امکان پذیر می سازد.

اعتبار اندازه گیری ها مربوط به تحقیقات بستگی به درستی برآورد پدیده های تحت مطالعه و عدم قطعیت های به دست آمده دارد. کالیبراسیون وسیله هایی که در تحقیقات مورد استفاده قرار می گیرند، عدم قطعیت و کنترل رشد عدم قطعیت را مشخص می نماید و به محقق کمک می کند که به نتایج حاصل از تحقیقات خود اطمینان داشته باشد؛ که این نتایج ناشی از تغییرات واقعی پدیده هاست؛ نه ناشی از عدم درستی در تخمین عدم قطعیت های اندازه گیری است.

زمان کالیبراسیون:

تعیین زمان کالیبراسیون یکی از تصمیمات مهم و قابل توجه است که البته به نظر برخی منجر به اتلاف وقت و پول می گردد. عدم قطعیت های اندازه گیری سبب اتخاذ تصمیمات نادرستی می شود که این تصمیمات نادرست، ناشی از نتایج اندازه گیری فریبنده می باشد.

هدف، انجام کالیبراسیون مجدد در فواصل زمانی بهینه است؛ به طوری که بین هزینه کالیبراسیون و هزینه های ناشی از عدم کالیبراسیون تعادل ایجاد شود . در حال حاضر برای تعیین فواصل کالیبراسیون مجدد، بیشتر به درصد درستی مورد انتظار وسیله های اندازه گیری توجه می شود؛ که این درصد را می توان از مشخصات آن به دست آورد . بزرگی این درصد نشانگر کم بودن شانس بروز اندازه گیری نادرست بوسیله دستگاه اندازه گیری است. برخی از کاربران این درصد را به منظور اطمینان بیشتر از کنترل کیفیت اندازه گیری، 95 درصد و یا بیشتر انتخاب می کنند؛ که آن هم بستگی به سیاست و خط مشی کلی کیفیت در شرکت مربوطه دارد. بنابراین انتخاب این درصد قرار دادی بوده و راحت ترین انتخاب قابل قبول 85 تا 90 درصد است . فرایند تعیین زمان کالیبراسیون از محاسبات مشکل ریاضی و آماری است و نیازمند داده های درست و کافی در حین کالیبراسیون است .

مکان کالیبراسیون:

کالیبراسیون در آزمایشگاه های مرجع انجام می پذیرید. کالیبراسیون می تواند در مکانی که وسیله اندازه گیری مورد استفاده قرار می گیرد نیز انجام شود.

انواع ادوات کنترل وابزار دقیق ونحوه عملکرد وشرایط ایجاد تست وکالیبراسیون.

جریان سنج گردابی :

1) جریان سنج  ماورای صوت[1]

اساس کار جریان سنج ماورای صوت ، انتقال امواج صوتی در یک محیط شفاف از جنبه  صوتی (محیط  آکوستیک) است. امواج ماورای صوت از طریق یک فرستنده در سیال منتشر میشود . سرعت انتشار معادل سرعت صوت است که به سیال و شرایط آن بستگی دارد .در صورتیکه سیال در حال حرکت و دارای سرعت غیر صفر باشد، سرعت مطلق انتشار امواج ماورای صوت ، جمع برداری این دو سرعت خواهد بود.معمولا امواج صوتی منتشره، پالسهای کوتاهی از امواج با فرکانسی فراتر از فرکانس شنوایی انسان که حدود 20.000 هرتز است میباشد . بصورت نوعی این فرکانس حدود 10 مگاهرتز انتخاب میشود تا موج صوتی باریک و مناسبی ایجاد شود.

توسط فرستنده، انرژی الکتریکی به شکل پالسهای کوتاهی از ولتاژ با فرکانس بالا به یک کریستال اعمال و آنرا وادار به ارتعاش میکند. اگر کریستال در تماس با سیال باشد، ارتعاش آن به سیال منتقل و درآن انتشار پیدا میکند. کریستال گیرنده در معرض این نوسانات فشاری قرارگرفته  و مرتعش میشود. با این حرکت ارتعاشی، سیگنالی الکتریکی در خروجی کریستال  پدیده بوجود میآید.

بطور معمول جریان سنجهای ماورای صوت از یک یا چند زوج فرستنده – گیرنده ماورای صوت تشکیل میشوند که در داخل یا روی مجرای عبور سیال (مثل لوله) طوری قرار میگیرند که امواج ارسال شده توسط یکی از آنها ، توسط  دیگری دریافت و بالعکس آن میسر باشد. همیشه زوج اول با فاصله کمی در سمت پائین دست تر ، از زوج دوم قرارداده می شود .

جریان سنج ماورای صوت، میانگین سرعت سیال را در مسیر یا منطقه انتشار موج صوتی اندازه میگیرد . برای اینکه بتواند میزان جریان حجمی سیال را اندازه بگیرد ، علاوه بر سطح مقطع عبور سیال ، تاثیر پروفایل سیال عبوری و عدد رینولدزآن نیز بایستی مدنظر قرار گیرد.

دو روش عمده اندازه گیری ، براساس اصول اندازه گیری  متفاوت ،اندازه گیری سرعت جریان سیال به روش ماورای صوت  را انجام میدهند:

• جریان سنجهای که براساس زمان پرواز [1] ( زمان گذر [2] ) کار می کنند
• جریان سنجهای ماورای صوت که براساس پدیده داپلر کار می کنند

2) اندازه گیری جریان براساس اندازه گیری اختلاف زمان گذر

جریان سنج ماورای صوت زمان گذر یا زمان پرواز همانطور که از اسمش پیداست، اختلاف زمانی طی شده توسط پالسهای صوتی که درجهت و خلاف جهت حرکت سیال منتشر میشوند را اندازه میگیرد و این اختلاف زمانی بعنوان سرعت میانگین سیال در نظر گرفته میشود.این نوع جریان سنج ماورای صوت،  برای سیالاتی که شفاف هستند و جذب زیادی از انرژی منتشره انجام نمیدهند و  فاقد آلودگی هستند (مثل آب)مناسب میباشد . کریستالهای این جریان سنج میتوانند درتماس باسیال و درون لوله نصب شوند یا اینکه در سطح خارجی لوله  یا بصورت کمربندی دور لوله نصب شوند.

این نوع جریان سنج از دو مجموعه فرستنده –گیرنده A و فرستنده –گیرنده B تشکیل میشوند.آنها  با فاصله ای مناسب از هم در مسیر عبور سیال طوری نصب  میشوند که فرستنده–گیرنده B نسبت به فرستنده –گیرنده A در پائین دست قرار دارد . معمولا این دو مجموعه به دو صورت قطری[3] یا بازتابی[4]   (شکل 1) برروی لوله نصب میشوند.

 1) حالت بازتابی                                                    2) حالت قطری

شکل 1 ) حالتهای مختلف نصب فرستنده-گیرنده ماورای صوت برروی لوله

همانطور که درشکل 2 (زیر)  مشخص است، برای جریان سنج با کریستالهای نصب شده در حالت قطری ،  چون سرعت صوت بصورت برداری با سرعت جریان سیال جمع می شود ، بنابراین  رشته امواج از A به B زودتر از رشته امواج از B به A می رسند. این به این معنی است که زمان عبور موج ازA به B کوتاهتر از B به A می باشد،  یعنی  t₂ > t₁ (اگر سرعت عبور سیال بزرگتر از صفر باشد) .

شکل 2  ) اندازه گیری براساس اختلاف زمان گذر(درحالت قطری)

اختلاف در زمان عبور Δt ،  با میانگین میزان جریان سیال عبوری  متناسب میباشد و با رابطه زیر (رابطه 1 برای حالت قطری) بیان میشود:

رابطه 1

که:

• v  سرعت میانگین عبور سیال ( برحسب m/s)
• c  سرعت حرکت صوت در سیال (برحسب m/s)
• D  قطر لوله (برحسب m ) و برابر با L.cosa است
• L  فاصله بین دو مجموعه فرستنده – گیرنده A و B (برحسب m )
• t₁  فاصله زمانی ارسال موج توسط بخش فرستنده A و دریافت توسط بخش گیرنده B (برحسب ثانیه)
• t₂  فاصله زمانی ارسال موج توسط بخش فرستنده B و دریافت توسط بخش گیرنده A (برحسب ثانیه)
•  aزاویه بین محور مجرای عبور سیال و محور دو مجموعه  فرستنده –گیرنده A و B

همانطور که از رابطه فوق مشخص است ، اختلاف زمان گذر یا پرواز، معیاری خطی از سرعت متوسط جریان سیال در طول مسیر اندازه گیری است. یکی از مهمترین جنبه های رابطه فوق اینست که سرعت جریان سیال v هیچ وابستگی به سرعت حرکت صوت درسیال c ندارد . این به این دلیل اهمیت دارد که c ثابت نمیباشد و به عوامل زیادی مانند دمای سیال بستگی دارد، لذا نمیتواند رابطه خطی فوق را تحت تاثیر قراردهد و تغییرات آن خطایی در اندازه گیری پیش بیاورد.

اختلاف زمان گذر بسیار کوچک و معمولا در حد نانو ثانیه است ، لذا اندازه گیری زمان بایستی با درستی زیادی انجام گیرد . برای درک بهتر به مقادیر نوعی برای یک سیال آب جاری در یک لوله در زیر توجه کنید:

• قطر داخلی لوله  :100 میلی متر
• زاویه برخورد : 45 درجه
• سیال فرآیند: آب
• سرعت صوت درسیال : 1480 متر برثانیه
• سرعت سیال : 1 متر بر ثانیه
• زمان گذر در جهت حرکت سیال : 95.49 میکرو ثانیه
• زمان گذر در خلاف جهت حرکت سیال : 95.59 میکرو ثانیه
• اختلاف زمان گذر: 91.29 نانو ثانیه
• برای داشتن قدرت تفکیک 0.5%   قدرت تفکیک وسیله اندازه گیری زمان بایستی کمتر از 500 پیکو ثانیه باشد

سازندگان برای اندازه گیری زمان و اختلاف زمان، روشهای خاص و انحصاری خودرا دارند و معمولا از روشهای میانگین گیری چند اندازه گیری استفاده و آنرا به میزان جریان سیال تبدیل میکنند.

نکته 1) تعیین سرعت صوت

سرعت حرکت صوت درسیال نیز بسادگی از جمع زمانهای t₁ و t₂  بدست می آید و با رابطه زیر (رابطه 2) قابل محاسبه است:

رابطه 2

نکته 2) معادلات جریان سنج اختلاف زمان گذر درنوع بازتابی

برای جریان سنجی درحالتی که کریستالهای فرستنده و گیرنده امواج ماورای صوت بصورت بازتابی (شکل 1) قرار گرفته اند، رابطه سرعت متوسط جریان سیال با رابطه 1 تفاوت دارد و از رابطه زیر (رابطه 3) تبعیت میکند:

رابطه 3

که:

• K  ضریب ثابت
• t₀زمان گذر برای حالتی که سیال حرکتی ندارد و سرعت آن صفر است
• tزمان گذر پالسهای صوتی از طریق دیواره لوله و پوشش آن
• سایر پارامترها مشابه پارامترهای رابطه 1 هستند

نکته 3 ) خطای گرایش[5]

معمولا در جریان سنجهایی که دو مجموعه گیرنده – فرستنده   متشکل از 4 کریستال درون لوله و درتماس با سیال قرار میگیرند (به اصطلاح مبدل تر شده [6]) ، بدلیل رسوب و تشکیل لایه هایی از آلودگی و ذرات موجود درسیال برروی سطح کریستالها ، طول مسیری که امواج صوتی طی میکنند در ارسال و دریافت این طولها توسط دریافت کننده یکسان حس نشود و این موضوع باعث بروز خطای گرایش در اندازه گیری خواهد شد. این بدین معنی است وقتی سرعت سیال صفر است و انتظار میرود  اختلاف زمانی صفر باشد، درعمل اختلاف زمانی اندازه گیری شده صفر نخواهد بود.

درراستای کاهش هزینه های ساخت ، کاهش یا حذف این خطا و همچنین عدم نیاز به تمیز کاری کوتاه مدت مبدل ها ی تر ، امروزه اکثر جریان سنجهای زمان گذر  از یک مجموعه فرستنده – گیرنده شامل دو کریستال (بجای چهار کریستال در مدل پایه) استفاده میکنند. درعوض از روش تسهیم زمانی[7] استفاده میکنند، طوریکه بصورت متناوب یک کریستال بعنوان فرستنده و سپس گیرنده  عمل میکند و در همان لحظه کریستال دوم بعنوان گیرنده و سپس فرستنده برای کریستال اول نقش بازی میکند. مدارات کلیدزنی[8] با سرعت بالا ، این امکان تسهیم زمانی را فراهم میکند . دراین روش، حتی با وجود لایه های رسوبی برروی سطح مبدل های تر ، طول مسیر حس شده توسط دو کریستال همیشه یکسان میباشد . افزایش ضخامت لایه ای تشکیل شده رسوبی نیز با انجام کالیبراسیون دوره ای و بدون نیاز به بازوبست کردن مبدلها از محل نصب ، خنثی و خطای ناچیزی که بمرور پیش می آید اصلاح میشود.

نکته 4) جریان سنج گیره ای[9]

نوع خاصی از جریان سنجهای اختلاف زمان گذر که درسطح خارجی لوله با گیره، کمربند یا زنجیر بسته میشوند و به اصطلاح به آنها جریان سنج گیره ای اطلاق میشود، برای قطر لوله های DN15 تا DN5000 و معمولا سیال آب بکار برده میشوند(شکل 3) . معمولا به دو صورت دربازار عرضه میشوند، بصورت قابل حمل برای اندازه گیریهایی که جنبه بررسی[10] دارد و نوع دوم آن بصورت نصب دائمی در محلهای صنعتی است. از نوع قابل حمل آن معمولا درکاربردهایی که لازمست بصورت دوره ای میزان جریان سیال اندازه گیری شود، مثل اندازه گیری ظرفیت خروجی پمپها، استفاده میشوند. همچنین وقتی نصب جریان سنج برروی لوله ممکن نباشد، از این نوع جریان سنجها استفاده میشود.

شکل 3) جریان سنج گیره ای

از مزیتهای این جریان سنج گیره ای میتوان به حذف مشکل تشکیل لایه های رسوب که در نوع مبدل تر پیش می آید ، بدلیل در تماس نبودن با سیال اشاره کرد . علاوه براین راحتی نصب و امکان استفاده از لوله موجود برای سوار کردن و اجتناب از مسائل مربوط به عدم سازگاری نوع سیال و مبدل نوع تر از مزایای دیگر این نوع جریان سنج است.

در عوض این نوع جریان سنج دارای محدودیتهایی است مانند: بروز اتصال کوتاه بدلیل طی مسیر امواج از دو مسیر سیال و لوله که بخش لوله آن مطلوب نیست ، لغزش و سرخوردگی گیره و کمربند برروی لوله که منجر به تغییر در طول مسیر موج میشود و  تاثیرات نا مطلوب تغییرات دمایی محیط و انبساط و انقباض پیامد آن که روی درستی اندازه گیری اثر میگذارد.

3 ) اندازه گیری براساس پدیده داپلر[11]

این روش قدیمی در سال 1842 میلادی توسط کریستین داپلر کشف شد. اثر دوپلرهم با صوت و هم با امواج الکترومغناطیسی قابل ایجاد است . براساس این پدیده، وقتی یک منبع بصورت ثابت درمحیط قرار گرفته شده باشد و امواجی با فرکانس f_t در محیط منتشر کند، و گیرنده درحال نزدیک شدن به منبع با  سرعت v-  ، یا دور شدن ازآن  با سرعت v+ باشد  ، فرکانسی که گیرنده دریافت می کند یعنی f_r  ،  باآنچه فرستنده ارسال میکند یعنیf_t   متفاوت خواهد بود . در صورتیکه حرکت به سمت منبع باشد فرکانس دریافت شده f_r  افزایش و در صورتیکه در حال دور شدن از منبع باشد فرکانس f_r  کاهش خواهد یافت.  علت این پدیده نیز سرعت ثابت حرکت موج c  در محیط  است. اثر داپلر را با رابطه 4 میتوان بیان کرد :

رابطه 4

که:

• f_r  فرکانس دریافت شده توسط گیرنده (برحسب Hz)
• f_t   فرکانس ارسال شده توسط فرستنده (برحسب Hz)
• c  سرعت حرکت  موج در سیال (برحسب m/s)
• v  سرعت فرستنده و گیرنده نسبت به هم  (برحسب m/s)

در رابطه فوق علامت + برای وقتی است که فرستنده و گیرنده از هم دور میشوند و علامت – برای وقتی است که آنها به سمت هم حرکت میکنند.

در جریان سنجهایی که براساس پدیده داپلر کار میکنند ، در طی اندازه گیری ، منبع ارسال موج  یعنی مبدل فرستنده ودریافت کننده آن یعنی مبدل فرستنده نسبت به یکدیگر ثایت بوده و برروی لوله (و نه دردرون لوله) نصب میشوند. عامل درحال حرکت نسبت به فرستنده و گیرنده، سیال درحال حرکت است که با سرعتv از یکی دور و به دیگری نزدیک میشود.فرستنده نیز امواجی ماورای صوت با سرعت c در سیال منتشر میکند.

در حالیکه جریان سنجهای نوع اختلاف زمان گذر، بطور نسبی  نیاز به سیال تمیز دارند تا پراکنش[12] و تضعیف سیگنال به حداقل برسد ، جریان سنجهای نوع داپلر در صورتی کار میکنند که ذرات یا حبابهایی از هوا یا گاز درون سیال برای انعکاس امواج وجود داشته باشد. این ذرات بایستی در سیال معلق و با سرعتی معادل سرعت سیال درحال حرکت در جهت حرکت سیال باشند و تعداد و اندازه آنها به اندازه کافی باشد تا اندازه گیری با این روش از درستی مناسبی برخوردار شود. بطور مثال در یک لوله 200 میلی متری ، 10% حجم آن بایستی حاوی ذرات بااندازه تقریبی 40 میکرومتر یا 0.2% آن حاوی ذرات 100 میکرومتر باشد .

در این جریان سنج ، فرستنده موج پیوسته ای از ماورای صوت درفرکانس 0.5 تا 10 مگاهرتز رادرون سیال درحال حرکت با یک زاویه ثابت منتشر میکند (شکل 4) .

شکل 4الف) جریان سنج داپلر نوع گیره ای(دو مبدل)

این موج ماورای صوت با فرکانس f_t  به ذرات درحال حرکت که سرعت آنها با سرعت سیال یعنی v یکسان فرض میشود، برخورد میکند .طول موج ارسالی  از رابطه شناخته شده 5تبعیت میکند:

رابطه 5

چون ذرات درحال دورشدن از فرستنده ثابت هستند ، مطابق رابطه 4 فرکانس مشاهده شده توسط ذرات برخوردشده f_pبزرگتر و طول موج آن l_p کوتاهتر حس خواهدشد  . چون  ذره منعکس کننده ، با سرعت v از فرستنده درحال دور شدن است و همچنین با توجه به زاویه ای که مولفه سرعت سیال درراستای موج  منتشره میسازد، لذا مولفه موثر سرعت    v.cos  خواهد بود و   طول موج حس شده توسط ذره درحا ل حرکت کوتاهتر شده و از رابطه 6بدست می آید:

رابطه 6

درادامه ، مبدل گیرنده، فرکانس منعکس شده را بازاویه ای مساوی زاویه برخورد زاویه   ، دریافت میکند. چون درهرلحظه ذره درحال دورتر شدن است، طول موج دریافتی در محل گیرنده بازهم طبق رابطه زیر کوتاهتر میشود:

رابطه 7

اختلاف این دو فرکانس ارسالی f_tو دریافتی f_r ،یعنی رابطه 8 میتواند برای تعیین سرعت سیال مورد استفاده قرار گیرد:

رابطه 8

چون سرعت موج ماورای صوت c بسیار بیشتر از سرعت سیال v میباشد، میتوان از عبارت 2v.cos در مقابل c در مخرج کسر رابطه 8 صرف نظر کرد و به رابطه  9 که  معیاری خطی از سرعت حرکت سیال خواهد بود، دست پیدا کرد:
رابطه 9

که :

• f_r  فرکانس دریافت شده توسط گیرنده (برحسب Hz)
• f_t   فرکانس ارسال شده توسط فرستنده (برحسب Hz)
• deltaf  اختلاف فرکانس ارسالی و دریافتی یا فرکانس ضربان[13] (برحسب Hz)
• c  سرعت حرکت  موج در سیال (برحسب m/s)
• teta زاویه ارسال موج به سمت سیال (برحسب درجه)
• v  سرعت حرکت سیال  (برحسب m/s)

همانطور که از رابطه 9 پیداست، اختلاف فرکانس به سرعت صوت درسیال c بستگی دارد و شاید مناسب بنظر نرسد، ولی اینچنین نیست و درعمل میتوان نشان داد که تغییرات در c منجر به تغییرات در cos tetaمیشود و تغییرات این دو  یکدیگر را خنثی میکنند و رابطه خطی بین سرعت سیال و اختلاف فرکانس برقرار خواهد ماند.

نکته 1) استفاده از تحلیل فوریه در پردازش داده ها

در عمل سیگنال دریافتی در محل مبدل گیرنده ،بجای اینکه یک موج خالص سینوسی باشد، یک سیگنال پیچیده ، مخلوطی و دارای فرکانسهای ضربانی از تفاضل و جمع فرکانسهای f_t و f_r خواهد بود. لذا بااستفاده از تحلیل شناخته شده فوریه FFT[14] ، محتوای فرکانسی مورد نظر از سیگنال پیچیده استخراج و سیگنال با حداکثر دامنه و با فرکانسی برابر اختلاف دو فرکانس (deltaf) از آن جدا و بعنوان معیاری برای میزان جریان سیال استفاده میشود.

روش تغییر یافته این مدل پایه FFT ، استفاده از دو فرکانس مختلف برای سیگنال ارسالی است. دراین روش بهبود یافته، با استفاده از روشهای پردازش ویژه FFT ، بطور اثر بخشی سیگنالهای مزاحم ونویز از سیگنال اصلی جدا و حذف میشود. سیگنالهای نویز معمولا توسط درایوهای مورد استفاده برای پمپهای الکتریکی که برای پمپاژ سیال استفاده میشوند و در محیط وجوددارند ایجاد میشوند.

نکته 2)  جریان سنج یکپارچه و جریان سنج گیره ای

همانطور که از شکل 4 معلوم است، جریان سنج داپلربه دو صورت طراحی میشود. جریان سنجی که دو مبدل جداگانه دارد(شکل 4 الف) و جریان سنجی که فقط یک مبدل دارد(شکل 4 ب) .

در جریان سنجی که دو مبدل جداگانه دارد (جریان سنج گیره ای)، کریستال فرستنده در یک مبدل و کریستال گیرنده در مبدل دیگر قرار داده میشود. تنظیم و از آن مهمتر هم محور نمودن[15] آنها نسبت به هم ، اهمیت خاصی در درستی اندازه گیری دارد و این تنظیمات توسط کاربر در محل نصب انجام میشود و نیاز به پیش بینی تمهیدات لازم برای نصب موقت یا دائم برروی لوله دارد.

در جریان سنجی که یک مبدل دارد(جریان سنج یکپارچه)،  هردو کریستال فرستنده و دریافت کننده موج در یک مجموعه جاگذاری شده اند . معمولا تنظیم کریستال این نوع جریان سنج توسط سازنده انجام میشود و نصب ان راحت است. این نوع طراحی ، برای وقتی تعداد ذرات موجود درسیال زیاد و سرعت سیال در نزدیک دیواره لوله کمتر از سرعت میانگین ومرکز آن است ، خطای زیادی دارد .در اینصورت توصیه میشود از طراحی جریان سنج با دو مبدل یا گیره ای استفاده شود.

نکته 3) اندازه گیری سرعت نقطه ای[6]

در جریان سنج داپلر نوع یکپارچه (شکل 4 ب) منطقه ای که برای اندازه گیری تحت پوشش قرار میگیرد، شامل حجم محصور بین امواج ارسالی و دریافتی است که درمقایسه با حجم  جریان سنج کوچکتر است و جریان سنج داپلر ، سرعت میانگین سیال دراین منطقه محدود را اندازه می گیرد و میتوان ادعا کرد بگونه ای سرعت نقطه ای را اندازه می گیرد. با کالیبراسیون جریان سنج و با شرط اینکه پروفایل جریان سیال ثابت باشد ، می توان این سرعت نقطه ای را به کل حجم جریان سنج تعمیم داد. در صورتیکه هدف اندازه گیری سرعت نقطه ای سیال باشد، این از مزیتهای جریان سنج داپلر با یک مبدل خواهد بود.

نکته 4) اندازه گیری سرعت جریان خون در رگ ها

اگر بجای استفاده از امواج پیوسته صوتی، از سیستم ارسال پالس های صوتی استفاده شود، میتوان پروفایل سرعتی جریان دررگ های خونی را با استفاده از جریان سنج ماورای صوت بدست آورد.

نکته 5) اندازه گیری با سرعت سنج هایی با چند مبدل

برای بهبود عملکرد و درستی اندازه گیری برای لوله های با قطر بزرگ، برخی سازندگان جریان سنجهای دو، چهار یا بیشتر زوج مبدل که میتوانند همزمان مسیرهای متفاوتی برای انتشار و دریافت موج در سیال ایجاد کنند به بازار ارائه کرده اند.

4 ) ملاحظات درنصب جریان سنج های ماورای صوت

بطور کلی جریان سنجهای ماورای صوت (زمان گذر و داپلر) ،  الزامات خاصی برای نصب ، بجز اینکه لازمست روی لوله یا درون آن نصب شوند ندارند. با اینحال رعایت موارد زیر توصیه می شود :

• برای نصب محلی را انتخاب کرد که عاری از ارتعاشات باشد،  بالخصوص وقتی از جریان سنج نوع داپلر استفاده میشود، زیرا نوسانات باعث ایجاد سیگنالهای خطا واشتباه مدارات الکترونیکی می شود
• برای اندازه گیری درست ومطمئن ، پروفایل مناسبی ازسیال بایستی ایجاد شود. به همین دلیل لازمست لوله های متعادل کننده 10 تا 20 برابر قطر لوله در بالا دست و 5 برابر قطر در پایین دست جریان سنج نصب شده باشد تا درستی در حد 2 درصد را بتواند ارائه کند
• شیرهای پیلوت (سوپاپ تنظیم ) که نزدیک به پشت جریان سنج نصب می شوند ، تاثیر منفی روی اندازه گیری دارند . این تاثیر وقتی سرعت های مافوق صوت[17]  یا  کاویتاسیون[18] پیش بیاید بیشتر خواهد بود
• اگرفرآیند بگونه ای است که ، لوله نسبتا خالی است ، بهتر است از جریان سنج داپلر با یک مبدل استفاده کرد و آنرا در زیر لوله نصب کرد
• جنس لوله ای که جریان برروی آن نصب میشود، باید بگونه ای باشد که جاذب امواج صوتی نباشد . موادی مانند لوله های سیمانی، سفالی ، چدنهای متخلخل جاذب امواج ماورای صوت هستند.
• بسته به نوع سیال ، جنس مبدل (ها) و حفاظ ها و نگهدارنده های آنها بایستی طوری باشد که صدمه شیمیایی نبیند

 5) مشخصات جریان سنج های ماورای صوت

• افت فشار دائمی درلوله بوجود نمی آورد
• اجزای متحرک ندارد و نیاز به نگهداری و تعمیرات حداقلی دارد
• گستره اندازه گیری آن وسیع است
• امکان اندازه گیری بدون تماس با سیال (بصورت گیره ای بر روی لوله )را مهیا میکند
• برای هر محیطی  نیاز به کالیبراسیون جداگانه دارد
•  برای درستی اندازه گیری ، تثبیت پروفایل جریان سیال بالخصوص برای جریان سنج نوع داپلراهمیت دارد
• برای قطرهای کوچک مشکل دارد ودرخصوص جریان سنجهای زمان گذر این مشکل بیشتر است
• جریان سنج نوع اختلاف زمان گذر ،فقط برای سیال مایع که از نظر صوتی شفاف است مناسب میباشد ، وجود ذرات جامد یا حباب درسیال باعث تضعیف موج میشود و تضعیف حبابهای هوا وگاز از ذرات جامد بیشتر است
• جریان سنج نوع داپلر، به مقدار کمی ونه خیلی زیاد آلودگی درسیال مایع برای اثرداپلر نیاز دارد
• درستی اندازه گیری جریان سنج زمان گذر، حدود 1 تا 2 درصد جریان سیال است و بستگی به طراحی، سرعت سیال، اندازه لوله و فرآیند دارد و تکرار پذیری آن نیز حدود 0.5 درصد بوده و به سرعت سیال و کالیبراسیون وابسته است. نوع گیره ای آن معمولا توان ارائه درستی 1درصد راندارد.
• درستی اندازه گیری جریان سنج داپلر درحدود 3 درصد پهنه اندازه گیری میباشد و به سرعت سیال، اندازه لوله و کالیبراسیون جریان سنج وابسته است. تکرار پذیری آن نیز حدود 1درصد حداکثر بازه اندازه گیری است
• حداکثر دمای کاری جریان سنج داپلر، 100 درجه سلسیوس است
• در جریان سنج داپلر، سرعت سیال بایستی آنقدر باشد که بتواند ذرات جامد را درحالت معلق درسیال نگهدارد و آنها ته نشین نشوند.
• جریان سنج داپلر بیشتر برای سیالات مایع استفاده میشود . اما برای گازها و بخارات و حتی بخارات دمای بالا نیز قابل استفاده است. درحال حاضر 70درصد بازار آنها برای مایعات و 30درصد برای گازها و بخارات است.بطور مثال برای گاز مشعل نیروگاهها بطور عموم ازاین جریان سنج استفاده میشود. نوع گیره ای آن فقط برای مایعات کاربرد دارد.

شکل 5  ) چند نمونه جریان سنج ماورای صوت

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

[1]  Time-of-Flight

[2]  Transit Time

[3]  Diagonal Mode

[4]  Reflect Mode

[5]  Bias Error

[6] Wetted Transducer

[7]  Time Sharing

[8]  Switching Circuits

[9]  Clamp-on

[10]  Check Measurements

[11] Doppler Phenomena

[12]  Dispersion

[13]  Beat Frequency

[14]  FFT:Fast Fourier Transform

[15]  Alignment

[16]  Point Velocity

[17]  Supersonic

[18]  Cavitation
برچسب‌ها: جریان سنج ماورای صوت, جریان سنج اختلاف زمان گذر, جریان سنج داپلر, Ultrasonic Flow meter,ultrasonic flowmeter

+ نوشته شده توسط محسن جزمي در سه شنبه دوم شهریور ۱۳۹۵ و ساعت 10:6 | نظر بدهید

جریان سنج گردابی – Vortex Flow meters

جریان سنج گردابی

Vortex Flow meters

 کالیبراسیون”calibration” چیست؟

درادامه پست های مرتبط با جریان سنجهای سیالات یا فلومترها ، در این پست به جزئیات جریان سنجهای گردابی شامل تشریح اساس کار ، ساختارآنها، جزئیات حسگرها، ملاحظات نصب، مشخصات و ویژگیهای کارکردی و کاربردی آنها پرداخته میشود.

در پست های قبلی به جریان سنجهای مغناطیسی که در صنایع بصورت گسترده استفاده میشوند ،پرداخته شده است ، که درصورت نیاز میتوانید به پست زیر مراجعه فرمایید:

http://calibration-info.blogfa.com/post-80.aspx

1) اصول عملکرد جریان سنج گردابی

جریان سنج گردابی از پدیده ریزش گردابی[2] تبعیت میکند. این پدیده زمانی اتفاق می افتد که سیال درحال عبور (بخار ، گاز یا مایع ) به  یک مانع فیزیکی مقاوم با شکلی ساده که طوری طراحی شده که در برابر عبور سیال مقاومت میکند و  با عنوان  جسم مانع[3]  شناخته میشود ، برخورد میکند . دربرخورد سیال با جسم مانع، لایه ای مرزی تشکیل میشود که درسطح بدنه مانع گسترش پیدا میکند که بدلیل فشار معکوس سیال و حرکت آهسته سیال دراطراف بدنه جسم مانع ، لایه هایی از سیال  بریده شده و به گردابهایی تبدیل میشوند که در سمت پایین دست ، از کنار مانع شروع به پخش شدن (یا ریزش) می کنند. این فرآیند مدام تا جاری بودن سیال تکرار میشود .

از منظری دیگر، وقتی در  پایین دست جسم مانع ، گردابی از یک سمت آن پدیدار میشود، سرعت سیال دراین سمت افزایش و فشار کاهش می یابد. در سمت دیگر جسم مانع ،سرعت سیال کاهش ولی فشار افزایش پیدا میکند. بنابراین در پایین دست جسم مانع ،یک تغییر فشار خالص در دو سمت آن پیش می آید. این تغییر فشار و سرعت ، فرآیند تشکیل گرداب را معکوس کرده و گرداب بعدی از سمت مخالف گرداب قبلی پدیدار میشود. مادامیکه سیال درجریان است و با جسم مانع برخورد میکند،  بصورت متناوب گردابهای حلقوی در سمت پایین دست جسم مانع ایجاد و جاری میشوند. با ادامه فرآیند ریزش گردابی ، توزیع سرعت وفشار در نزدیکی جسم مانع با فرکانسی مشابه فرکانس پدیدار شدن گردابها تغییر میکند.

جریان گردابی متناوبی که در سمت پایین دست جسم مانع پدیدار و ریزش میکند به نام  “خیابان گردابی کارمان[4]” شناخته میشود (شکل 1) . این نامگذاری ، به افتخار تئودور ون کارمان که در1912 میلادی طراحی  جسم مانع به شکل لبه تیز را انجام داد که گردابهای حلقوی ایجاد شده پشت آن از استحکام وپایداری مناسبی برخوردار بودند انجام گرفته است.

شکل1) گردابهای حلقوی در جریان سنج گردابی

میتوان نشان داد ، فرکانس (تناوب) ایجاد این گردابهای حلقوی با سرعت متوسط سیال در محل برخورد با  جسم مانع نسبت دارد و با اندازه گیری این فرکانس یا دوره تناوب از طریق حسگرهای مناسب ، میتوان سرعت متوسط و بنوبه آن جریان حجمی سیال را اندازه گیری کرد.

معمولا برای جریان سیالی با  عدد رینولدز (Re) بزرگتر از 10.000 ، گردابهای حلقه ای ایجاد شده مناسب برای اندازه گیری هستند . فرکانس ایجاد گردابهای حلقه ای f از رابطه زیر تبعیت میکند:

f =N_st.v/d

که:

• v  سرعت میانگین سیال ( برحسب m/s)
• d  مشخصه ابعادی (عرض مانع) (برحسب m )
• N_st  عدد استروهال[5] ، عددی است که بصورت تجربی تعیین میشود و تقریبا در بازه اندازه گیری جریان سنج گردابی مقداری ثابت دارد( بطور مثال  0.21 برای سیلندرها)

در صورتیکه شکل  جسم مانع از طراحی مناسبی برخوردار باشد، N_st  را میتوان در گستره وسیعی از عدد رینولدز تقریبا ثابت فرض کرد و چون d برای هر جریان سنج گردابی ثابت است، میتوان استدلال کرد که فرکانس f متناسب با سرعت حرکت سیال v است و با اندازه گیری فرکانس ، سرعت سیال و با توجه به سطح مقطع عبور سیال A(قطر داخلی جریان سنج) جریان حجمی سیال Q_v را اندازه گیری کرد (رابطه زیر).

v=d.f / N_st

Q_v=v.A= d.A.f / N_st

Q_v= f / K

که K با فرضیات فوق تقریبا ثابت و برحسب تعداد پالس شمارش شده بر یکای حجم عبوری (مثلا تعدادپالس بر مترمکعب) بیان میشود.

جریان سنجهای گردابی توسط سازندگان مختلفی ارائه می شوند که تمایز آنها در شکل  جسم مانع ، نوع حسگر ، محل تشخیص و آشکار سازی و مدارات الکترونیک می باشد . این نوع جریان سنجها از 1970 میلادی در صنعت برای اندازه گیری جریان سیالات استفاده می شوند و از آن زمان  اجسام مانع با نسبت سیگنال به نویز بهتر طراحی و توسعه یافته اند.  بسیاری از تکنسین ها جریان سنج ها گردابی را بعنوان راه حل آنها برای اندازه گیری سیالات  غیرهادی و جایگزین جریان سنجهای روزنه ای و سایرروشهای اندازه گیری اختلافات فشار(ΔP) در نظر می گیرند.معمولا از آنها برای اندازه گیری جریان سیالاتی مانند بخار اشباع شده، بخار سوپر هیتها، بخارات خشک یا مرطوب ، گازهای خشک یا مرطوب ، روغن ، آب و… میتوان استفاده کرد.

2 ) ساختار جریان سنج گردابی

جریان سنج گردابی از  اجزای  محدودی مانند جسم مانع  (شکل2) ، حسگر برای اندازه گیری فرکانس گردابهای ایجاد شده و مدارات الکترونیکی برای پردازش فرکانس و تبدیل آنها به سرعت یا جریان حجمی سیالات عبوری  تشکیل شده است.

شکل 2)برخی شکلهای جسم مانع

1-2)جسم مانع  

با طراحی مناسب  جسم مانع، میتوان در بازه وسیعی از عدد رینولدز نسبت خطی بین سرعت عبور سیال و فرکانس گردابهای ایجاد شده در پشت جسم مانع فرض کرد. لذا میزان خطی بودن v/f بمیزان زیادی  بستگی به شکل وابعاد جسم مانع دارد .

1-1-2) جسم مانع با سطح مقطع گرد[6] :

این نوع جسم مانع سطع مقطع گرددارد و بصورت یک سیلندر درون جریان سنج تعبیه میشود. چون نقطه ریزش گرداب درآنها با میزان جریان سیال به سمت بالا و پایین می رود، درنتیجه فرکانس آنها متناسب با سرعت سیال نمی باشد ورابطه ای خطی بین سرعت سیال و فرکانس گردابها مهیا نمیشود.

2-1-2) جسم مانع با سطع مقطع مثلثی[7]:

آزمونهای بسیار زیادی ارتباط خطی بین سرعت سیال و فرکانس گردابها دراین نوع اجسام مانع را اثبات کرده است. زاویه ریزش گرداب ، طرح وشکل واضح پیدا میکند و تغییرات فشار ، چسبندگی یا سایر پارامترهای فرآیندی روی درستی  و خطی بودن آن تاثیر نمی گذارند.در بسیاری از طراحی ها،  نوک تیز مثلثی جسم مانع را که درپایین دست قراردارد را پخ وصاف میکنند که این تغییر طرح باعث بهبود سرعت پاسخ جریان سنج میشود.

3-1-2)جسم مانع مضاعف (دوتایی)[8] :

قراردادن دو جسم مانع  بصورت پشت سرهم و یا یکپارچه ، باعث میشودافت فشار دائمی در جریان سنج افزایش پیدا کند، ولی درعوض گرداب قویتری ایجاد می شود (تقویت هیدرولیکی) و درنتیجه از  حسگرهای با پیچیدگی کمتر  و تقویت کنند های معمول می توان استفاده کرد.

4-1-2)جسم مانع با با سطع مقطع مستطیل[9]:

وقتی وسایل اندازه گیری با این نوع  جسم مانع تجهیز می شوند،  میزان خطی بودن آنها با پارامترهای فرآیند تغییر میکند

2-2) حسگرها

از آشکار سازهای مختلفی برای اندازه گیری تغییرات زیر که بدلیل پدیده ریزش گردابی در اطراف جسم مانع پیش می آید میتوان استفاده کرد:

• جریان نوسانی در سیال در اطراف پیشانی(بالادست) جسم مانع
• اختلاف فشار نوسانی در اطراف جسم مانع
• جریان برقرار شده ای از سیال در دالان و راه عبور ایجاد شده از طریق حفر سوراخ در جسم مانع
• جریان یا فشار نوسانی سیال در پشت (پایین دست) جسم مانع
• حضور گردابهای آزاد در پشت (پایین دست) جسم مانع

روشهای مختلفی برای اندازه گیری فرکانس گرداب در جریان سنجهای گردابی وجود دارد .در حال حاضر هنوز هیچ حسگری که بتواند مستقل ازتمامی پارامترهای فرآیند، اندازه گیری انجام دهد وجود ندارد .  جزئیات مهمترین حسگرهای مورد استفاده در جریان سنجی گردابی  درادامه آورده شده است:

 1-2-2)حسگر مغناطیسی :

در این روش یک دالان و محل عبور  دوطرف  جسم مانع را بهم متصل میکند (شکل 3) . درون دالان  یک کره یا یک دیسک مغناطیسی بصورت محصور قرار دارد که میتواند با نوسان جریانات گردابی اطراف جسم مانع و اختلاف فشاری که در دوطرف این کره یا دیسک بصورت متناوب ایجاد میکند آنرا درحالت نوسانی  از یک سمت  به سمت دیگر قراربدهد. یک آشکار ساز مغناطیسی این حرکت نوسانی و دور و نزدیک شدن کره یا دیسک مغناطیسی را حس و آشکار میکند(شکل 4) .

شکل 3)  حسگر مکانیکی

مشکل زمانی رخ میدهد که آلودگی باعث انسداد مسیر حرکت نوسانی شود. هرگاه با بخار اشباع شده سروکار باشد حرکت مکانیکی بدلیل بخار تغلیظ شده کند می شود . لذا ازا ین حسگر برای سیالاتی مانند آب گرم، بخار ومایعات در دماهای پائین میتوان استفاده کرد.

شکل 4)  ساختار  جریان سنجی با حسگر مغناطیسی

2-2-2)ترمیستور گرم شده[10]

یک ترمیستور گرم شده که بصورت فیلمی نازک درون جسم مانع کار گذاشته شده است (شکل 5) و با نوسانات برخوردی سیال با مانع  مانند یک حسگر باد سنج عمل میکند و تغییرات دمایی با فرکانس نوسانات برخوردی را آشکار میکند .  ایراد عمده این نوع حسگر ، حساسیت  به آلودگی و زمان پاسخ بزرگ آن  است. بطور معمول از این نوع حسگر  برای سیالات گاز و مایع استفاده میشود.

شکل 5)  حسگر ترمیستور گرم شده

 3-2-2)حسگر کشش سنجی[11] :

آشکار سازهایی مانند یک کشش سنج[12]  در جسم مانع تعبیه شده و  میتوانند فشار و تغییرات فشار حول جسم مانع را اندازه گیری نمایند .

اختلاف فشار حاصل از پدیده ریزش گردابی ، می تواند جسم مانع را در حال حرکت تقریبی در حد واندازه حدود  10 میکرومتری نگه دارد . شبیه حسگر مکانیکی ، در درون دالن ومحل عبور تعبیه شده در جسم مانع،یک حسگر کشش سنج چسبانده میشود (شکل 6) که با حرکت دینامیکی جاصل از پدیده گردابی  مقدار مقاومت آن تغییر میکند  . بازه دمایی برای کارکرد درست این نوع حسگر، دمای زیر 120 درجه سیلسیوس میباشد . همچنین اگر قطر این حسگر خیلی بزرگ باشد، به نوسانات بیرونی نیز حساس خواهد شد .

شکل 6)  حسگر  کشش سنج

4-2-2)حسگر پیزوالکترویکی :

بجای استفاده ازنوارهای الاستیک  ، از اجرای پیزوالکتریک می توان بعنوان حسگر استفاده کرد . همچنین یک کریستال ثانویه برای آشکار سازی انحصاری ارتعاشات بیرونی می توان استفاده کرد . اختلاف سیگنال این دو حسگر ، صرفاً بدلیل  پدیده ریزش گردابی خواهد بود . عملکرد صحیح حسگر پیزوالکتریک در بازه های دمایی 40- تا 300 درجه سلسیوس بشرطی که تغییرات دمایی چندان سریع نباشد (بیشتر از 100 درجه سیلیوس در 0.5 ثانیه ) تضمین میشود.

5-2-2)حسگرفشاری:

جریان گردابی متناوب ایجاد شده در پشت  جسم مانع ، باعث وارد آوردن نیرویی متناوب یا فشار محلی به  آن میشود.با استفاده از حسگرهای فشار یا اختلاف فشار میتوان فرکانس جریانهای گردابی را اندازه گیری کرد(شکل 7).

شکل و طرح گرداب ایجاد شده باعث تغییرات فشار روی غشای[13] حسگر فشار (مثل دیافراگم یا پرده جداکننده) میشود. این تغییرات فشار را می توان با سلولهای فشار سنج پیزوالکتریک یا براساس تغییرات خازنی اندازه گیری کرد .مشکل وقتی پیش می آید که دما از 150 درجه سلیوس تجاوز کند یا غشای حسگر پاره شود.

بسته به ساختارحسگر ، بازه بزرگی از فشار لازم است تا اختلاف فشار را بتوان با قدرت تفکیک کافی اندازه گرفت . این یعنی که حساسیت این حسگر در بازه های کم جریان  سیال،  ضعیف خواهد بود . معمولاً حسگرهای فشار برای مایعات، گازهاو بخار در فشار پائین استفاده می شوند

شکل 7)  جریان سنج گردابی با حسگراختلاف فشار(دیسک مغناطیسی)

6-2-2)حسگر خازن متصل شده تفاضلی(DCC)[14]

این سیستم تقریبا مشابه وسایل اندازه گیری مجهز به حسگرهای پیزوالکتریک (کریستالهای پیزوالکتریک ) ونوارهای لاستیکی می باشد،  فقط ازیک حسگر برای تمامی مدلها استفاده می شود . دالان و محل عبور ایجاد شده در جسم مانع  پالسهای فشار را از گرداب به حسگر منتقل میکند. چون حسگر درون  جسم مانع تعبیه شده است، از شوکهای فشاری سنگین موجود درجریان سیال محافظت میشود. ساختار حسگر بسیار مستحکم و بصورت یک “حالت جامد”[15] ساخته میشود. دو الکترود ثابت در  جسم مانع جایگذاری میشوند ، یک الکترود مرتعش شونده بصورت زبانه ای[16]  نیز بین این دو الکترود جاسازی میشود. دو الکترودپایدار و این زبانه ،  دو خازن راتشکیل می دهند. امواج فشاری حاصل ازگرداب ایجاد شده زبانه رادر حرکت نگه می دارد و مقدار خازن ها تغییر می کند.  یک پیش تقویت کننده الکترونیکی ،  این تغییرات را اندازه گیری می کند . بااین طراحی تغییرات دمایی در بازه 200- تا 400 درجه سلسیوس ممکن میشود .

این حسگر برای کاربردهایی که با بخارها ، گازها، مایعات و گازهای سرماساز بسیار گرم مناسب است .

7-2-2) حسگر ماورای صوتی

یک فرستنده  و دریافت کننده ماورای صوت ، در پایین دست یعنی پشت جسم مانع قرار داده می شود  تا عبور گردابهای حلقوی را آشکار کند(بصورت شماتیک در شکل 1 نشان داده شده است).موج با فرکانس بالای منتشر شده در لوله حرکت و در محل گرداب بافرکانس گرداب درحال ریزش مدوله میشود. با استفاده از یک فیلتر الکترونیکی مناسب ، پوشش[17] موج مدوله شده استخراج میشودکه همان فرکانس ریزش گردابی است.

این وسیله به تنظیم صحیح نیاز دارد تا از تأثیر امواج صوتی ایستا[18] بر روی مقدار قرائت شده  جلوگیری شود. وجود سایر منابع صوتی غیر از فرستنده ماورای صوت،  قابلیت اطمینان به اندازه گیریها را مخدوش می کند.  این روش اندازه گیری برای مایعات وهمچنین گازها قابل کاربرداست.

3 ) ملاحظات در نصب جریان سنج گردابی

• جریان سنجهای گردابی را می توان بصورت افقی وعمودی نصب کرده درنصب عمودی جریان سیال بایستی ترجیحاً از پائین به بالا برقرار باشد. علاوه براین لازمست مشابه جریان سنجهایی مغناطیسی ، برخی مقررات نصب را برای آنها اجابت کرد
• لازمست لوله جریان سنج کاملا از سیال پر باشند (مشابه جریان سنجهای مغناطیسی )
• جریان سنج گردابی فقط در صورتی خوب کار می کند که پروفایل جریان سیال کاملاً تثبیت شده و بدون اختلال باشد به همین دلیل به لوله های متعادل کننده بلند نیاز دارد ، طوریکه در بالادست جریان سنج حداقل طول  5 برابر قطر لوله  و در پایین دست آن حداقل 3 برابر قطر لوله  باشد.حتی برخی سازندگان توصیه می کنند این  طولها 20 برابر در بالادست و  10 برابر در پایین دست  جریان سنج گردابی باشد .
• وسیله اندازه گیری بایستی با لوله تراز[19]  باشد
• نصب را در محلی با حداقل ارتعاش بایستی انجام داد. در صورت لزوم لوله ها بایستی در جلو و پشت جریان سنج گردابی با نگهدارنده مناسب محکم شوند
• وقتی علاوه بر اندازه گیری جریان سیال ، اندازه گیریهای دما و فشار سیال نیز لازم است انجام شود، فشارسنج بایستی در  فاصله یک برابر قطر لوله در سمت بالادست جریان سنج گردابی و دما سنج حداقل در  فاصله 5 برابر قطر لوله و در پایین دست آن نصب شوند

عوامل زیر بشدت برروی  درستی سیگنال خروجی وسیله اندازه گیری تأثیر می گذارد:

• تغییر شکل  جسم مانع در نتیجه خوردگی
• خوردگی لوله ای که جریان سنج بر روی آن نصب شده است
• آلودگی  جسم مانع
• ارتعاشات هیدرولیکی لوله و وسیله اندازه گیری
• پر نبودن کامل وسیله اندازه گیری از سیال

4 ) مشخصات جریان سنج گردابی

• هزینه های نصب آن ، بالخصوص در اندازه های قطر لوله زیر 6 اینچ پائین است
• پهنه[20] دینامیکی گسترده ای دارد
• حداقل سرعت قابل اندازه گیری بستگی به نوع حسگر دارد. حداکثر سرعت سیال تقریباً 7.5  متر بر ثانیه برای مایعات و  75 متر بر ثانیه برای گازها و بخارات می باشد
• حسگرآن معمولا ، خروجی دیجیتال مستقیم دارد ،لذا نیازی به استفاده از مبدل پیدا نمی کند
• سطح بالایی از درستی در عدد رینولدز  Re بزرگتر از 10.000 (10.000 < Re ) دارد (درستی   حدود 1 درصد برای مایعات و 1.5 درصد برای گازها )
• خطی بودن آن به چگالی ، چسبندگی و فشار سیال بستگی ندارد
• برای 10.000 Re < ، خطی بودن آن محدودیت پیدا میکند
• کالیبراسیون آن مستقل از شرایط عملیاتی و مشخصات فرآیند مانند چسبندگی،چگالی، فشار ، دما  وغیره است
• فرکانس گردابها در حداکثر جریان سیال ، درمحدوده 200 تا 500 هرتز است و با تغییر میزان جریان ، پاسخ فرکانسی تا یک سیکل میباشد
• برای داشتن سریعترین سرعت پاسخ، بهتر است طراحی جریان سنج با بکارگیری حسگرهای نوع ماورای صوتی و  جسم مانع مثلتی با لبه پخ  باشد
• پایداری بالا دارد و بدلیل اینکه سیستم اندازه گیری براساس فرکانس است و نه زمان، رانش مشخصات آن با زمان بسیار کم است
• فرکانس ریزش گردابی به شکل جسم مانع وابسته است و بدلیل ثابت ماندن شکل فیزیکی و ابعادی ، پایداری بلند مدت ازنظر کالیبراسیون و تکرار پذیری بهتر از 0.15 درصد را تضمین میکند
• برای کاربرد سیالات گازها، مایعات و بخار مناسب است
• افت فشار دائمی آن کم است
• اجزا و قطعات متحرک و مستهلک شونده ندارد، لذا نگهداری و تعمیرات آن کم می باشد و یا نیاز ندارد
• برای کارکرد درست و صحیح به پروفایل جریان سیال خوب و تثبیت شده ای نیاز دارد
• به شوکه ای دمایی تا 100 درجه سیلیوس بر ثانیه مقاوم است
• بسته به نوع حسگر ، به ارتعاشات تا 1g حساسیت ندارد(در فرکانس  1 تا 500 هرتز)
• برای اندازه قطر لوله زیر 12 میلیمتر، این روش عملی نیست

5) کاربردهای ویژه

بخار :

• بویلرهای بخار : در لوله های اصلی (بخارات بسیار گرم)
• شیمی : قابلیت اندازه گیری بخارات اشباع شده به مخازن واکنش حرارتی (راکتورحرارتی)
• فرآیندهای صنعتی : سیستم های سرمایش و گرمایش

گازها:

• تصفیه خانه ها : اندازه گیری جریان متان
• صنعت : اندازه گیری فشار کمپرسورها
• گازهای سرماساز : نیتروژن مایع در دماهای 200- درجه سلیوس

مایعات :

• مایعات غیرهادی : آب تقطیر شده[21] یا آب دمین[22] ، گلیکول و غیره
• هیدروکربنهای با چسبندگی پائین :بنزین،روغن موتور دیزل و روغن هیدرولیک و غیره

شکل 8  ) چند نمونه جریان سنج گردابی

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

[1]  Vortex Flowmeter

[2]  Vortex Shedding

[3]  Bluff Body

[4] Karman Vortex Street

[5]  Strouhal Number

[6]  Round Bluff Body

[7]  Delta Bluff Body

[8]  Double Bluff Body

[9]  Rectangular Bluff Body

[10] Heated Thermistor

[11] Strain Gauge

[12]  Strain Gauge

[13]  Membrane

[14] Differentially Connected Capacitor(DCC)

[15] Solid State

[16]  Tongue

[17]  Envelope

[18] Standing Sound Waves

[19]  Align

[20]  Span

[21] Distilled Water

[22]  Demineralized Water
برچسب‌ها: جریان سنج گردابی, bluff body, vortex flow meter, حسگر مغناطیسی, حسگر ماورای صوت

+ نوشته شده توسط محسن جزمي در چهارشنبه نهم تیر ۱۳۹۵ و ساعت 18:59 | نظر بدهید

جریان سنجهای مغناطیسی-Magnetic Flow meters

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 .

Q_v  =v.A=e.A/B.L=(e/B.D)(3.14D²/4)

Q_v  = K.e       رابطه 2 

• Q_v : 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

+ نوشته شده توسط محسن جزمي در سه شنبه هجدهم خرداد ۱۳۹۵ و ساعت 19:18 | یک نظر

ارزیابی عدم قطعیت به روش بالا-پایین (استاندارد ISO 21748-2010) و مقایسه آن بارویکرد پایین -بالا (GUM

” استفاده از برآوردهای تکرار پذیری ، تجدید پذیری و صحت در برآورد عدم قطعیت اندازه گیری”

(خلاصه استاندارد ISO 21748-2010 )

محسن جزمی –اردیبهشت 95

استاندارد بین المللی ISO 21748 منتشره در 2010 میلادی که در ایران نیز درحال تبدیل شدن به استاندارد ملی است، یک راهنمای خوب برای آزمایشگاههای آزمون و کالیبراسیون که  قصد دارند با استفاده از داده های مطالعات مشترک با آزمایشگاهها ، ارزیابی عدم قطعیت خودرا با روش به اصطلاح بالا-پایین انجام دهند ، ارایه نموده که دراینجا خلاصه این استاندارد بصورت اجرایی درآزمایشگاهها آورده شده است.

نکته: خوانندگان محترم !بدلیل اینکه دراین مطلب فرمولها و معادلات ریاضی و نمادهای آماری که دربلاگفا قابل تایپ نیست استفاده شده ، بجای متن از عکس مطالب استفاده شده است.امیدوارم عذرم را پذیرا باشید.

+ نوشته شده توسط محسن جزمي در چهارشنبه بیست و دوم اردیبهشت ۱۳۹۵ و ساعت 19:2 | 2 نظر

استراتژیهای “دفاع در عمق” پیشنهادی NIST در خصوص امنیت سیستمهای کنترل صنعتی (ICS)

استراتژیهای ” دفاع در عمق”  پیشنهادی NIST در خصوص امنیت سیستمهای کنترل  صنعتی (ICS)

محسن جزمی – فروردین   95

با توجه به درک نیاز کشور به استقرار سازوکارهای امنیتی برای سیستمهای کنترل صنعتی ICS بمنظور کاهش ریسک درصورت هرگونه تهدید یا حملات یا نفوذ سایبری و افزایش اطمینان و قابلیت دردسترس بودن این سیستمها، لازمست استراتژی مناسبی دراین خصوص در صنایع مختلف بالخصوص آنها که جنبه حیاتی و اقتصادی کلان برای کشور دارند طرح ریزی ، اجرا ، پایش و حفظ و نگهداری شود.

موسسه ملی استاندارد و فن آوری آمریکا NIST در فوریه 2015 در مدرک NIST 800-82 ، استراتژیهای زیر را با عنوان استراتژیهای “دفاع درعمق” پیشنهاد کرده است:

1- تدوین خط مشی امنیتی ، روشهای اجرایی و تهیه موضوعات آموزش و اعمال آنها

2- مد نظر قراردادن خط مشی و روشهای  اجرایی سازمانهای امنیتی و پدافند غیر عامل کشور

3- پوشش امنیتی در تمام مراحل از خرید ، نصب ، نگهداری  و مستند سازی در تمام طول عمر کاری

4- استقرار یک توپولوژی شبکه چند لایه (برقراری ارتباطات بحرانی در لایه های مطمئن تر و امن تر )

5- جداسازی منطقی بین شبکه های سطح شرکت  و ICS(دیواره های آتش ، دروازه های یک طرفه و…)

6- بکارگیری یک شبکه غیر نظامی DMZ (افزودن یک لایه امنیتی به شبکه محلی سازمان برای جلوگیری از ترافیک سیستم بین شبکه های سطح شرکت و ICS)

7- اطمینان از وجود افزونگی(Redundant) اجزاء بحرانی و شبکه های ICS

8- طراحی سیستم های بحرانی با هدف کاهش اثر مشکلات پیش آمده  و جلوگیری از رویدادهای متوالی و پشت سر هم

9-غیر فعال کردن درگاهها و خدمات بلا استفاده روی ICS

10- محدود کردن دسترسی فیزیکی به دستگاهها و شبکه های ICS

11- محدودسازی  کاربران با توجه به شرح شغل آنها

12-بکارگیری مکانیزم های احراز اعتبار دسترسی و تصدیق کاربران (کاربران مجاز ICS)

13-استفاده از کارتهای هوشمند برای شناسایی افراد (تکنولوژی مدرن و امن)

14- بکارگیری نرم افزارهای آشکار سازی نفوذ ، ضد ویروس و بررسی کننده یکپارچگی فایلها

15- در صورت کاربرد ، اعمال تکنیکهای رمزگذاری و پنهان سازی داده های ذخیره شده  و در حال ارتباط

16- تست سریع بسته های نرم افزاری توسط یک سیستم تست کننده قبل از نصب بر روی ICS(بکارگیری بسته های امنیتی)

17- ممیزی ،ردگیری و پایش مناطق بحرانی ICS

18-بکارگیری پروتکل ها و خدمات ایمن و مطمئن (در صورت امکان)

منبع : NIST Special Publication 800-82 Feb 2015

+ نوشته شده توسط محسن جزمي در چهارشنبه بیست و پنجم فروردین ۱۳۹۵ و ساعت 18:15 | یک نظر

امنیت سیستم های کنترل صنعتیICS -بخش اول: مقایسه بین امنیت سیستم های IT و ICS

امنیت سیستم های کنترل صنعتی 

محسن جزمی – فروردین  95

مقدمه :

سیستمهای کنترل صنعتی یا  ICS Industrial Control System – – دربرگیرنده سیستمهای زیرمی باشند:

• SCADA : سیستم دریافت داده ها و کنترل نظارتی
• DCS :سیستمهای کنترل توزیع شده
• PLC :کنترل کننده های منطقی قابل برنامه ریزی

سیستمهای کنترل صنعتی در تمامی صنایع مانند برق ، آب ، فاضلاب ، نفت وگاز ، حمل ونقل ، شیمیایی ، دارویی ، کاغذ ، غذا و نوشیدنی ، فولاد، خوروسازی و… وجود دارند و فرآیندهای تولیدو ساخت را کنترل می کنند.

یک سیستم کنترل صنعتی بطور نوعی شامل حلقه های کنترلی متعدد ،واسط های انسان-ماشین( HMI) ، ابزارهای عیب یابی ، نگهداری وتعمیرات از راه دور با استفاده از پروتکل های شبکه می باشد.

سیستم های کنترل در صنایع مختلف و زیر ساختهای بحرانی مانند ساخت و تولید ، توزیع و حمل ونقل بکارگرفته میشوند.

صنایع ساخت و تولید را می توان به دو دسته کلی زیر تقسیم بندی کرد:

الف) تولید فرآیندی و

ب‌) تولید ناپیوسته

دسته الف ) معمولاً در صنایع با قابلیت تولید فرآیندی ،از دو فرایند اصلی استفاده می شود که عبارتند از :

1)فرآیندهای تولید پیوسته مانند جریان سوخت و بخاردر نیروگاهها ، نفت در پالایشگاه و تصفیه در کارخانه های شیمیایی

2)فرآیندهای تولید انبوه و دسته ای (Batch) مانند تولید غذا و دارو

دسته ب) در صنایع با فرآیند تولید ناپیوسته، برای تولید محصول نهایی ، مجموعه ای از کارها روی یک قطعه یا تجهیز در مراحل مختلف انجام می گیرد، مانند صنایع ماشین کاری و مونتاژ قطعات مکانیکی و الکترونیکی

در صنایع توزیع و حمل ونقل مانند توزیع آب ، برق ،جمع آوری فاضلاب ، لوله های نفت و گاز ، سیستم های حمل ونقل ریلی ، برخلاف صنایع ساخت و تولید که داراییهای فیزیکی در یک منطقه فیزیکی محصور هستند، داراییهای فیزیکی آنها از جنبه جغرافیایی پراکنده شده اند . لذا شبکه ارتباطات صنعتی در صنایع ساخت و تولید ، معمولاً از نوع فن آوری LAN (شبکه های منطقه ای محلی)و در صنایع توزیع و حمل ونقل از نوع WAN (شبکه منطقه ای گسترده) و فن آوریهای بی سیم وRF هستند.

سیستم هایSCADA برای کنترل داراییهای پخش شده که جمع آوری داده های آنها بصورت متمرکز نیازکاربران است استفاده میشوند و سیستم های DCS برای کنترل تولید در یک محل جغرافیایی مناسب هستند. PLC ها در هر دو سیستم SCADA و DCS بعنوان جزء کنترل کننده در یک هرم اتوماسیون از سطح کارگاه تا سطوح اطلاعات مدیریت بکار گرفته می شوند .همچنین از آنها در سیستمهای کنترل کوچکتردر فرآیندهای ناپیوسته مانند خطوط مونتاژ خودرواستفاده میشود.

بخش 1) مقایسه بین امنیت سیستم های فن آوری اطلاعات (IT) و سیستم های کنترل صنعتی(ICS)

بطور خلاصه می توان گفت ICS کنترل جهان فیزیکی وIT مدیریت داده ها را بعهده دارند .لذا در موضوع امنیت، ریسکها و اولویتهای متفاوتی خواهند داشت. بصورت چکیده، در جدول زیر تفاوت ها و ویژگیهای خاص امنیت در IT وICS که بایستی در طراحی امنیت ICS مدنظر قرارگیرد آورده شده است:

منبع :   NIST Special Publication 800-82 Feb 2015

+ نوشته شده توسط محسن جزمي در چهارشنبه هجدهم فروردین ۱۳۹۵ و ساعت 18:10 | نظر بدهید

راهنماي کاربردي ارتباط HART-بخش سوم : فرمانهای HART

فرمانهاي HART

مجموعه فرمانهاي HART بگونه‌اي است که ارتباط يکنواخت و سازگار براي تمامي دستگاههاي HART که در سايت نصب مي‌شوند را فراهم مي‌سازد. اين مجموعه فرمانها را مي‌توان به 3 دسته تقسيم کرد :

• فرمانهاي کلي[1]
• فرمانهاي مشترک[2]
• فرمانهاي خاص وسائل[3]

فرمانهاي کلي (Universal Commands)

تمامي وسايل و دستگاههایی که از پروتکل HART استفاده مي‌کنند بايستي فرمانهاي کلي را تشخيص و پشتيباني کنند. فرمانهاي کلي ،امکان دسترسي به اطلاعات مورد استفاده در عمليات معمولي (مثل خواندن مقدار متغير اصلي ويکاهاي اندازه‌گيري) را مهيا مي‌سازند.

فرمانهاي مشترک(Common Commands)

فرمانهاي مشترک در برگيرنده وظايفي است که توسط بسياري، اما نه الزاماً همه وسایل و دستگاههاي ارتباطي HART بکار گرفته مي‌شوند.

فرمانهاي خاص وسائل (Device Specific Commands)

اين فرمانها وظايفي که بطور انحصاري  و خاص به هر يک از دستگاههاي نصب شده در سايت تعلق دارد را در بر مي‌گيرند. اين فرمانها شامل دسترسي به تنظيمات برقراري[4]  ، اطلاعات کاليبراسيون و همچنين اطلاعاتي در مورد ساخت دستگاههاست.

اطلاعات مربوط به فرمانهاي خاص وسايل، توسط سازندگان وسايل مورد نظر ارائه مي‌شوند.

خلاصه جدول  برخي فرمانهاي HART

1-5) برقراري ارتباط با يک وسيله HART

هر وسيله HART داراي آدرس 38 بيتي اختصاصي است که از :

• کدشناسائي (ID) سازنده
• کد نوع وسيله
• مشخص کننده انحصاري وسيله[16]

شکل مي‌گيرد.

آدرس اختصاصي هر وسيله در زمان ساخت مشخص و در آن کدگذاري ميشود. در يک شبکه متشکل از وسايل HART ، لازمست ارباب[17] از آدرس تمامي وسايل نصب شده در سايت مطلع باشد تا بتواند با آنها ارتباطي موفق برقرار کند. ارباب شبکه با ارسال يک يا دو فرمان مي‌تواند از آدرس هر برده[18]  ! مطلع شود ، زيرا با ارسال اين فرمانها برده آدرس خود را براي ارباب ارسال مي‌کند. اين فرمانها عبارتند از :

فرمان 0 ( صفر) ،  براي خواندن « مشخص کننده انحصاري وسيله‌» :

فرمان صفر ، روش ترجيحي براي شروع ارتباط با وسايلي که در شبکه برده (Slave) تلقي ميشوند ميباشد،  زيرا به ارباب(Master) امکان اطلاع از آدرس آنها ، بدون نياز به مداخله کاربر را مي‌دهد. با اين فرمان يکي از آدرس‌هاي 0 تا 15 ، بعنوان آدرس انحصاري به هر يک از وسائل اختصاص داده مي‌شود که به آن آدرس سرشماري[19]  نيز مي‌گويند.

فرمان 11 ، براي خواندن «مشخص کننده انحصاري وسيله از طريق برچسب (Tag) » :

فرمان 11،  وقتي بيش از 15 وسيله در شبکه موجود باشد يا اگر وسايل شبکه از طريق روش آدرس سرشماري انحصاري پيکره‌بندي نشده باشند .

پيکره‌بندي چند افتي يا  Multi drop با بيش از 15 وسيله، وقتي امکان دارد که هر يک از وسيله‌ها بصورت انفرادي تغذيه و ايزوله شده باشند.  بايستي توجه داشت فرمان 11 نياز به مشخص نمودن شماره برچسب (Tag No)توسط کاربر براي سرشماري را دارد.

1-6 ) شرح وسيله[20] يا DD -Device Description

ارتباطات HART ، اولين پروتکل براي اجراي استاندارد[ EDDL[21 (زبان شرح الکترونيکي وسيله) مي‌باشد. EDDL  يا همان  استاندارد IEC 61804-2تنها فنآوري تأييد شده توسط بنيان ارتباطات ارتباطاتHART یا همان HCF ، براي پيکره‌بندي وسايل HART است.

در حال حاضر EDDL ، بطور گسترده استفاده و بعنوان بهترين زبان شرح ارتباطات الکترونيکي است و بستري پايدار براي سازندگان محصولات  HART بصورت فرمتي انفرادي ، باز و سازگار مهيا نموده است.

شرح وسيله (DD) که با استاندارد EDDL ايجاد شود، اطلاعات مورد نياز يک سيستم کنترل يا سيستم کاربردي ميزبان[22] را بگونه‌اي مهيا مي‌کند که دسترسي و نمايش اطلاعات مهم وسيله که در بخش هوشمند وسيله جاسازي شده است را آسان مي‌سازد. شرح وسيله (DD) شامل تمامي اطلاعات مورد نياز براي کاربردهاي ميزباني است تا ارتباط کاملي با وسايل نصب شده در سايت برقرار شود. از استاندارد EDDL براي نوشتن شرح وسيله (DD) در يک فايل ساخت يافته که تمامي اطلاعات مورد نياز براي کاربردهاي ميزباني را بصورت ترکيبي در خود دارد، استفاده مي‌شود.شرح وسيله (DD)   فرمان‌هاي مشترک که توسط وسيله پشتيباني مي‌شود را مشخص کرده و همچنين فرمت و ساختار فرمانهاي خاص وسيله را معين مي‌کند. بطور کلي شرح وسيله (DD) را مي‌توان معادل با يک برگه مشخصات فني[23]  فرض کرد.

يک DD ، تصويري از تمامي پارامترها و وظايف وسيله را در قالب يک زبان استاندارد بيان مي‌کند. سازندگان وسايل  HART اختيار ارائه يک شرح وسيله (DD) براي محصولات HART خود را دارند. اگر آنها يک DD براي محصولات خود انتخاب کنند، آن DD اطلاعات براي فعال سازي DD در کاربردهاي ميزباني جهت نوشتن يا خواندن داده‌ها مطابق با روش اجرايي وسيله را خواهد داشت.

فايل‌هاي منبع[24]  DD براي وسايل HART ،‌مشابه فايل‌هاي نوشته شده به زبان برنامه‌نويسي C مي‌باشد. فايل‌هاي DD در اختيار بنيان ارتباطاتHART  یا همان HCF قرار داده مي‌شود تا در کتابخانه آن بنيان ثبت شود. بررسيهاي کيفي بر روي هر DD انجام تا از تطابق مشخصات آن اطمينان  حاصل شود و عدم تطابق آنها با ساير DD هاي موجود و ثبت شده و همچنين عملکرد آنها با ميزبانهاي استاندارد HART تصديق شود.  کتابخانه DD در بنيان ارتباطات HART ، مکاني مرکزي براي مديريت و توزيع تمامي شرح وسايل HART تلقي مي‌شود تا در کاربردهاي ميزبان مانند PC ها و پايانه ‌هاي دستي کار براحتي انجام شود.

DD ها را مي‌توان از آدرس www. hartcomm.org دانلود کرد.

[1] Universal

[2] Common

[3] Device Specific

[4] Setup

[5]  Tag

[6]  Description

[7]  Damping Time Constant

[8]  Final Assembly Number

[9]  Polling Address

[10]  Span

[11] Self Test

[12]  Gain

[13]  Variable Assignments

[14] Totalizer

[15] Travel Limit

[16] Unique Identifier

[17] Master

[18]  Slave

[19] Polling Address

[20] Device Description

[21]  EDDL: Electronic Device Description Language

[22] Host Application

[23]  Data Sheet

[24]  Source Files

مرجع : جزوه راهنمای کاربردی HART- ترجمه از HART Communication Application Guide منتشره توسط بنیان ارتباطی HART – محسن جزمی 1391
مطالب مرتبط :

راهنمای کاربردی ارتباط HART -بخش دوم : شبکه های HART

راهنمای کاربردی ارتباط HART – بخش اول : شبکه های HART

+ نوشته شده توسط محسن جزمي در چهارشنبه چهارم بهمن ۱۳۹۱ و ساعت 15:22 | 4 نظر

نکات کاربردي در مورد محيطهاي دمايي مورد استفاده براي کاليبراسيون دما

نکات کاربردي در مورد  محيطهاي دمايي مورد استفاده براي کاليبراسيون  دما

محسن جزمی

مقدمه

محيطهاي دمايي شامل حمامها و کوره هاي مورد استفاده در آزمايشگاههاي کاليبراسيون ،  براي کاليبراسيون انواع حسگرهاي دما مانند ترموکوپلها ، دماسنجهاي مقاومت پلاتيني ، ترميستورها ، سوئيچهاي دما و همچنين انواع نشانگرها ، نمايشگرها و مبدلهاي (ترانسميترهاي) دما همراه با حسگر آنها را ميتوان  بصورت زير دسته بندي کرد:

• حمام نقطه يخزدگي
• نقاط انجماد
• نقطه سه گانه آب
• حمامهاي  سيال (آب ، روغن ، پودر ، نمک و…)
• يخچال يا حمام سرماساز
• حمام بخار
• حمام خشک يا  کوره مجهز به بلوکه هاي فلزي
• کوره لوله اي

سه پارامتر (مشخصه ) مهم در محيطهاي دمايي عبارتند از :

•  پايداري (Stability) : معياري براي ثابت بودن دما نسبت به مروز زمان (در کوتاه مدت يا بلند مدت)
• يکنواختي (Uniformity)  : معياري براي يکسان نبودن دما در محلهاي فيزيکي مختلف محيط دمايي
• عمق فروبري (Depth of Immersion) : معياري براي امکان کاليبراسيون حسگرها با طولهاي مختلف (بلند و کوتاه)

شرايط مورد نياز براي حمامها يا کوره هاي کاليبراسيون بعنوان مقايسه گر عبارتند از:

• بايستي دماي محيط دمايي (حمام يا کوره) چنان کنترل شود که اتصال اندازه گيري ترموکوپل تحت کاليبره در دماي يکسان با  دماسنج مرجع قرار گيرد
• در منطقه اي از محيط دمايي که کاليبراسيون در آن انجام ميشود ، بايستي شرايط هم دمايي و يکنواختي فضايي از جنبه دما  وجودداشته باشد
• يکنواختي و پايداري دمايي منطقه کاليبراسيون فوق بايستي از طريق روشهاي مناسب و منظم  مثل رسم نمودار کنترلي و در صورت نياز درزمان آزمون بايستي مورد اندازه گيري و پايش قرارگيرد و درصورت نياز اصلاحات لازم انجام گيرد
• تمامي حسگرهاي دمايي يا ساير وسايل دمايي تحت کاليبره و دماسنج مرجع بايستي تا ميزان مناسب در اين منطقه فروبرده شوند تا اطمينان حاصل شود که دماي نقطه اتصال مرجع تحت تاثير زياد اثر هدايت حرارتي در طول ساختار فيزيکي حسگرها و وسايل دمايي و دماسنج مرجع قرار نمي گيرد
• براي جلوگيري از آلوده شدن سيمهاي حسگرها بالخصوص براي  ترموکوپل و عايق ماندن آنها نسبت به يکديگر ، بايستي از تماس مستقيم  سيالات ومايعات موجود در حمامها اجتناب کرد

انواع حمامها

1          حمام نقطه يخزدگي Ice-Point

• ساده ترين و متداولترين نقطه ثابت دمايي ، نقطه يخزدگي است
• نقطه يخزدگي (مخلوط آب و يخ که باروش خاصي ايجاد ميشود ASTM-E563  ) دماي صفر درجه سلسیوس را با خطاي کمتر از 0.01 درجه سلسیوس ايجاد ميکند

2         حمام نقاط انجماد Freezing Points

اين حمامها طوري طراحي ميشوند که براساس استاندارد بين المللي دما ITS-90 در نقاط ثابت انجماد دمايي عناصر و مواد با خلوص بسيار بالا ميتوانند يک دماي انجماد ثابت را ايجاد کنند.

• نقطه انجماد حالت تعادل مايع و جامد ماده خالص است
• گستره دمايي  29  تا 1085 درجه سلسیوس است

  3        نقطه سه گانه آب Triple Point of Water -TPW

نقطه سه گانه آب ، دماي مرجع براي تعريف يکاي اندازه گيري دما است و در بسياري از کاليبراسيونهاي دما و کنترل مياني حسگرهاي بادرستي بالا مثل SPRT يا حتي IPRT استفاده ميشوند

• يکي از نقاط ثابت دمايي متداول در کاليبراسيون دماسنجهاي مقاومتي
• تعادل سه فاز آب ، يخ و بخار آب
• دماي ايجادي: 273.16 کلوین (معادل ۰.۰۱ درجه سلسیوس) براساس ITS-90
• بسته به روش آماده سازي (ASTM E 1750) عدم قطعيت گسترده آن بين  0.1mK±و  0.05mK±  ميباشد
• براي حفظ دماي نقطه سه گانه آب و جلوگيري از انتقال حرارت با محيط بيرون،  از حمام نگهدارنده مخصوص که دمايي نزديک دماي ذوب يخ دارد استفاده ميشود

بترتيب از راست: حمام نگهدارنده ، سلول سه گانه آب و سازنده پوشش يخ در سلول ساخت ISOTECH

4  حمام هاي سيال  Fluid Baths

حمام روغن ، آب ،ضد يخ، پودر سيال خشک و نمکهاي مذاب و فلزات درحالت مايع در اين دسته قرار ميگيرند.

•  دماي اين حمامها با گرم يا سرد شدن سيالي که هم ميخورد کنترل ميشود
•  دماي حمام بايد ثابت نسبت به زمان  و يکنواخت در کل فضاري کاري آن باشد
• براي آزمون پايداري دما ، از يک دماسنج مرجع استفاده و آنرا در فضاي کاري حمام فرو برده و تغييرات دمايي نسبت به زمان  را بعنوان معيار پايداري دمايي ثبت کنيد
• براي آزمون يکنواختي از دو دماسنج مرجع استفاده کنيد. يکي را در يک نقطه از فضاي کاري حمام ثابت نگهداريد و ديکري را در نقلط مختلف ان بجرخانيد و اختلاف دما آن دو را بعنوان معيار يکنواختي ثبت کنيد
• استفاده از بلوکه هاي فلزي مسي ،آلومينيومي يا ساير بلوکه هاي فلزي که با سيال موجود تطابق دارند و کاملا در سيال حمام شناور شده باشند ميتواند پايداري و يکنواختي دمايي را بهبود ببخشد
• معمولا سوراخهايي در اين بلوکه ها براي اعمال دماسنجها پيش بيني شده است

بترتيب از راست: حمام مايع و حمام پودرسيال (اکسيد آلومينيوم) ساخت ISOTECH

4-1    حمامهاي( سيال) مايع Liquid Baths

• معمولا از حمامهاي مايع در گستره دمايي ۱۵۰- تا ۶۳۰ درجه سلسیوس براي کاليبراسيون استفاده ميکنند
• حمامهاي مايع بايستي مجهز به کنترل تثبيت و يکنواخت کننده دما و همزن باشند
• در دماي ۱۵۰- تا ۱۹۶- درجه سلسیوس ساختار حمامها پيچيده و سيستمهاي تجاري بيشتر براساس سرد شدن با نيتروژن مايع  ساخته ميشوند
• در دماي۱۰۶- درجه سلسیوس که نقطه جوش نيتروژن مايع است ،  بلوکه هاي مسي را در ظروف دو جداره و عايق بندي شده سر بازي که از نيتروژن مايع پر شده اند فرو ميکنند تا شرايط هم دمايي ايجاد شود
• يک حمام مايع خوب ، داراي گراديان دمايي کمتر از حمامهاي پودر سيال يا کوره هاي لوله اي است
• بطور دوره اي و منظم بايستي گراديان دمايي حمامهاي روغن  ارزيابي شود زيرا چسبندگي روغن براثر استفاده در دماهاي بالا افزايش زيادي مي يابد
• عيب عمده  هرحمام مايع  در محدود بودن گستره دمايي آن با توجه به سيال مورد استفاده در آن است
• حمامهاي مايع مجهز به چند گرمکن ،نياز به سيستمي دارند که روشن يا خاموش بودن آنها را نشان دهد

ساختار اصولی یک حمام مایع مجهز به همزن(طراحی شرکت Fluke-Hart Scientific)

4-1-1        حمام هاي آب  Water Baths

يکي از انواع حمامهاي مايع  محسوب ميشود وداراي ويژگيهاي نوعي زير است:

• مناسب براي بازه دمايي صفر تا ۱۰۰ درجه سلسیوس
• اکثر انواع تجاري آنها مجهز به تجهيزات زير هستند:
  • گرمکن (هيتر)
  • کويلهاي خنک کننده
  • همزن برقي
  • کنترل کننده دما

4-2   حمامهاي پودر سيال

• معمولا از حمامهاي پودر سيال در گستره دمايي  ۷۰- تا ۹۸۰ درجه سلسیوس استفاده ميشود
• اين حمامها از پودر اکسيد آلومينيوم يا پودرهاي مشابه که با سيال گاز هم ميخورند تشکيل ميشوند
• تقريبا هميشه لازمست تا از بلوکه هاي يکسان کننده دما (Equalizing Blocks)  در درون حمامهاي سيال استفاده شود تا تغييرات دمايي در فضاي حمام يا تغييرات موقت دمايي را کاهش داد
• تثبيت گراديان حرارتي در اين بلوکها به ثابت نگه داشتن سطح پودر در حمام و تثبيت جريان (فلو) گاز در پودردارد
• بررسي و تصديق گراديان دمايي حمامهاي پودر سيال بايستي با اضافه کردن يک دماسنج مرجع دوم يا ترموکوپل استاندارد انجام شود

4-3   حمام هاي نمک  Salt Baths

• مناسب براي بازه دمايي ۲۰۰ تا ۶۲۰ درجه سلسیوس
• پايداري دمايي بالايي دارند
• از ورود هر ماده ارگانيک يا مايع با نقطه جوش پايين مثل آب به  نمک مذاب بايستي اجتناب کرد تا آتش سوزي يا انفجاري پيش نيايد (بالخصوص در دماي بالاتر از 400ºC )
• حمام رابايستي به آهستگي گرم کرد تا از تشکيل حبابهاي نمک مذاب که ميتواند بترکد و نتايج فاجعه باري در برداشته باشد جلوگيري شود
• در دماهاي پايين ، دماسنجهاي شيشه اي را ميتوان مستقيم درون نمک قرارداد
• در دماهاي بالا تماس دماسنج با بدنه شيشه اي ممکن  است منجر به شکستن شيشه شود ، لذا استفاده از چاهکهاي فولادي توصيه ميشود
• معمولا حمامهاي نمک نياز به سيستم تهويه هوا دارند تا بخارات خورنده از محيط خارج شود

حمام نمک تا 500 درجه سلسيوس ساخت شرکت Fluke-Hart Scientific

4-4   سيالهاي مورد استفاده در حمامها  Fluids Bath

پارامترهاي مهم درانتخاب سيال حمام عبارتند از :

• بازه دمايي قابل استفاده
• چسبندگي  Viscosity
• نقطه اشتعال Flash Point
• ظرفيت گرمايي Heat capacity
• هدايت حرارتي Thermal Capacity
•  انبساط حرارتي Thermal Expansion
• وزن مخصوص(چگالي نسبت به آب)   Specific Gravity
• فشار بخار (دمايي که ميزان تبخير سيال از ميزان تغليظ آن فراتر برود و بخار سيال به هواي محيط وارد شود)
• دلمه شدن Gelling
• جذب يا وجود آب
• تهويه مورد نياز
• در ادمهسایت نقطه کنترل نظر شما عزیزان را به تماشای ویدیوی کالیبراسیون گیج فشار جلب مینماید.

Atmospheric pressure affects the usable ranges of some fluids. The temperatures quoted are at sea level.
^† Flash point is the temperature at which a vapor (not the fluid) will ignite if exposed to an open flame. When the flame is removed, the vapor will stop burning. (Open cup method.)

جدول انواع سیالهای مورد استفاده در حمامهای ساخت شرکت Fluke-Hart Scientific

5     حمام هاي سرماساز  Refrigerated Baths

• مناسب براي دماهاي سردتر (کمتر)از دماي محيط
•  براي سرد کردن اين حمامها از مواد سرماساز(Cryogens) مانند نيتروژن مايع يا يخچال استفاده ميکنند
• بسته به بازه دمايي از سيالات مختلفي بايستي استفاده کرد
• طراحي اين حمامها بايستي بگونه اي باشد که تشکيل و تجميع رطوبت در حمام صورت نگيرد
• برخي از سيالهاي مورد استفاده در اين حمامها بخارات سمي دارند يا در دماي محيط مشتعل ميشوند، لذا کارباآنها نياز به مراقبت اضافه دارد

بترتيب ازراست: حمام نوع يخچالي (to -40 ºC ethanol) و حمام نوع يخچالي(to -80 ºC methanol)

6         حمام هاي بخار Vapor Baths

• مناسب براي دماهاي زير صفر درجه سلسيوس
• براي سرد کردن اين حمامها از مواد سرماساز(Cryogens) مانند نيتروژن مايع استفاده ميکنند
• يک فضاي همدما براي قرار گرفتن دماسنج تحت کاليبره و دماسنج مرجع دارد
• يک گرمکن الکتريکي حول اين فضاي همدما (بلوکه) قرار گرفته است
• بخارات حاصل از ماده سرماساز مثل نيتروژن مايع بلوکه فوق  را سرد ميکند
• •اعمال چند ميلي وات به گرمکن اکتريکي حول بلوکه ، دما را بميزان مورد نظر بالا ميبرد.معمولا از کنترل کننده دما براي اين منظور استفاده ميشود.
• از يک منبع تغذيه تثبيت شده براي تثبيت ميزان بخار شدن ماده سرماساز استفاده ميشود
• براي تثبيت دماي بلوکه  معمولا از هدايت کننده هايي(Baffles) براي انتقال گرما استفاده ميشود

7        حمام خشک (کوره) مجهز به بلوکه هاي فلزيDry Blocks (کوره هاي عمودي)

• مناسب براي دماهاي بيش از 300 درجه سلسيوس
• براي تثبيت ويکنواختي دما از بلوکه هاي فلزي  بزرگ استفاده ميکند
• دماي بالاي کوره باتوجه به يکنواختي دماي بلوکه و خطاي ناشي از هدايت حرارتي دماسنج تحت کاليبره محدود ميشود
• دماسنج تحت کاليبره و دماسنج مرجع در دو سوراخ که عمق کافي داشته و نزديک هم هستند قرار ميگيرند تا خطاي ناشي از اتلاف حرارتي کوره قابل صرف نظر باشد

کوره کالیبراسیون عمودی -سمت راست مدل Hart 9150T ساخت شرکت Fluke-Hart Scientific و سمت چپ مدل CL1201 ساخت شرکت Omega

7-1         بلوکه هاي همدما کننده

• بلوکهاي هم دما کننده نقش  کم کننده اختلافات دمايي بين دماسنج مرجع و ترموکوپلهاي تحت کاليبره رادارند
• اين بلوکها بايستي از مواد با هدايت حرارتي بالا که درضمن آلاينده ترموکوپلهاي تحت کاليبره نيستندساخته شوند
• خاصيت هدايت حرارتي بالا ، باعث کم شدن تغييرات دمايي در فضاي بلوکه شده و منجر به برقراري بهتر تعادل حرارتي بين دماسنج مرجع و ترموکوپلهاي تحت کاليبره ميشود
• بلوکه هاي هم دماکننده ميتوانند از افت و خيز و نوسانات موقتي  دماسنجها جلوگيري کنند
• هرچه ظرفيت حرارتي بلوکه بيشتر باشد يا اينکه انتقال حرارت به محيط اطراف کوره يا حمام کاهش پيداکند ، افت وخيز و نوسانات موقتي کاهش مي يابد
• با کم شده ميزان اين  افت وخيز و نوسانات  ، زمان لازم براي پايداري دمايي بلوکه بيشترميشود
• بنابراين بايستي بطور تجربي بلوک را نه چندان بزرگ و حجيم و نه چندان عايق شده انتخاب کرد
• اختلاف دمايي بين  دماسنج مرجع و ترموکوپلهاي تحت کاليبره را بايستي درکل گستره دمايي  ارزيابي کرد:
  • ارزيابي عمق فروبري (اختلاف دما در عمقهاي مختلف) با استفاده از ترموکوپلهاي استاندارد
  • ارزيابي پايداري دمايي بااستفاده از ترموکوپلهاي استاندارد که در سوراخهاي مختلف قرار ميگيرند

8        کوره هاي لوله اي (افقي)

• معمولا از کوره هاي لوله اي در دماهاي بيشتر از حدود 620  درجه سلسیوس استفاده ميشود
• معمولا اين کوره ها بصورت الکتريکي گرم شده و داراي يک منطقه همدما  است
• از کوره هاي لوله اي آزمايشگاهي  ميتوان براي کاليبراسيون در هر دمايي استفاده کرد ، بشرط آنکه عدم قطعيت افزوده شده بخاطر تغييرات دمايي لحاظ شود
• در طراحي اين کوره ها بايستي به تثبيت دمايي ±1  درجه سلسیوس در طول زماني 10 دقيقه  براي کل گستره استفاده توجه شود
• پروفايل دمايي محوري (Axial)  کوره لوله اي بايستي پايش شود تا محل منطقه همدما که بيشترين پايداري دمايي را دارد رابتوان معين کرد
• کوره هاي مجهز به چند گرمکن ،نياز به سيستمي دارند که روشن يا خاموش بودن آنها را نشان دهد
• پروفايل دمايي کوره هاي تک منطقه اي ، معمولا باافزايش عمر المنت گرم کننده تغيير ميکنند و نياز به ارزيابي و پايش پروفايل دمايي بيشتري پيدا میکنند

یک نمونه کوره لوله ای (افقی) برای کالیبراسیون ترموکوپلها ساخت Fluke

مرجع : جزوه دوره آموزشی کالیبراسیون تخصصی دما-محسن جزمی -۱۳۹۱

+ نوشته شده توسط محسن جزمي در دوشنبه هجدهم دی ۱۳۹۱ و ساعت 18:13 | نظر بدهید

تكرار پذيري و تجديد پذيري معيارهائي براي كمي كردن دقت اندازه گيري

تكرار پذيري و تجديد پذيري معيارهائي براي كمي كردن دقت اندازه گيري

(از مجموعه مطالب مرتبط با روشهای کنترل کیفیت در آزمایشگاههای آزمون وکالیبراسیون)

آزمايشگاها براي اطمينان از دقت (Precision) و مناسب بودن وضعيت عوامل تأثير گذار تصادفي و پراكندگي مناسب نتايج اندازه گيريهاي خود در طول زمان كاري و همچنين اختلاف قابل قبول نتايج حاصل از استفاده از روشها ، تجهيزات ، نفرات ، مكانها و همچنين زمانهاي كاري  مختلف نياز به كنترل تكرار پذيري و تجديد پذيري خود دارند . اينكار بسادگي با استفاده از تكرار مجدد (تجديد) يك آزمون قابل انجام است.

تكرار پذيري(Repeatability) و تجديد پذيري (Reproducibility) معيارهاي حدي براي بيان دقت (Precision) محسوب ميشوند و اين مطلب بروشني از تعريف آنها پيداست.

آماره هاي r و R بترتيب براي كمي كردن تكرار پذيري و تجديد پذيري استفاده ميشوند و بشرح زير تعريف ميشوند :

• تكرار پذيري (r) : مقداري است كه پيش بيني ميشود با يك احتمال معين (مثلأ 95%) ، قدرمطلق اختلاف بين دو نتيجه آزمون انفرادي حاصل از اندازه گيري برروي يك نمونه يكسان (ثابت) با روش اندازه گيري يكسان در شرائط مشابه (مجري يكسان ، دستگاه يكسان، آزمايشگاه يكسان و فاصله زماني كوتاه بين  آزمونها) از آن كوچكتر باشد.

|x₁-x₂|< r

r =t (p,v)SQRT(2) S_r

منظور از SQRT همان جذر ریشه دوم است.

• تجديد پذيري(R) : مقداري است كه پيش بيني ميشود با يك احتمال معين (مثلأ 95%) ، قدرمطلق اختلاف بين دو نتيجه آزمون انفرادي حاصل از اندازه گيري برروي يك نمونه يكسان (ثابت) با روش اندازه گيري يكسان تحت شرائط متفاوت (مجريان متفاوت ، دستگاههاي متفاوت يكسان، آزمايشگاههاي متفاوت و يا زمانهاي متفاوت) از آن كوچكتر باشد.

|x₁-x₂|< R

R =t (p,v)SQRT(2) S_R

در روابط فوق ضريب t با توجه به سطح اطمينان p و تعداد درجات آزاديn=n-1  و با مراجعه به جدول توزيع t تعيين ميشود و S_r و S_R بترتيب انحراف استانداردهاي تكرار پذيري و تجديد پذيري روش آزمون هستند كه يا معلوم هستند و يا معمولاأ ازرابطه زير  (انحراف استاندارد نمونه) برآورد ميشوند:

توجه : درصورتيكه اختلاف دو نتيجه آزمون در شرائط تكرار پذير (يا تجديد پذير ) كمتر از r (يا R) باشد ، بيانگر مناسب بودن نتايج و اطمينان بخش بودن آنهاست.