تحقیق درباره طراحی فلومیتر الکترومغناطیسی

لینک دانلود و خرید پایین توضیحات

فرمت فایل word  و قابل ویرایش و پرینت

تعداد صفحات: 26

مقدمه

اساس عملکرد یک فلومیتر الکترومغناطیسی بر پایه ایجاد ولتاژ القایی ناشی از حرکت مایعات از میان یک میدان مغناطیسی ایجاد شده، است که با استفاده از قانون القای فارادی بیان می‌شود[3,1]. فلومیترهای الکترومغناطیسی به‌طور گسترده‌ای در اندازه‌گیری حجم شار قابل اندازه‌گیری در محیط صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرند که آن هم به‌خاطر دقت بسیار زیاد آنها می‌باشد. این خصوصیات، استفاده فلومیترهای صنعتی را برای سیالات مختلف و مسئله دار نظیر پس‌آب‌ها، خمیر کاغذ، مخلوط‌های غیریکنواخت در صنایع غذایی و غیره پیشنهاد می‌کند.

تاکنون تحقیقات زیادی در زمینه طراحی فلومیترهای الکترومغناطیسی و مسائل مربوط به آنها انجام شده است [11,1]. در مراجع [2,1] ایده‌ای اولیه به‌صورت تابع وزن دو بعدی ارائه شده است که درجه توزیع پروفیل سرعت مایع به سیگنال فلوی عبوری در مقطع عرضی لوله را نشان می‌دهد. همچنین مشخص شده است که برای یک فلومیتر با میدان مغناطیسی یکنواخت و الکترودهای نقطه‌ای، هر پروفیل فلوی خطی متقارن با سرعت متوسط عبوری ، ولتاژی را به‌مقدار ایجاد خواهد کرد[2,1]. البته ایده تابع وزن به‌صورت سه بعدی با استفاده از مفهوم جریان مجازی (Virtual Density Current) قابل توسعه است که در این حالت، شرایط برای یک فلومیتر ایده‌آل با یک سیال تراکم‌ناپذیر دارای می‌باشد. در این وضعیت، سیگنال در الکترودها متناسب با نرخ فلوی عبوری بدون در نظر گرفتن توزیع سرعت خواهد بود[3,5,6].

در مراجع [4,7] نحوه عملکرد یک فلومیتر الکترومغناطیسی برای یک لوله با مقطع دایره‌ای شکل ارائه شده است و این در حـالی است که در مقاطـع چهـارگوش و سـرباز، میـزان ولتـاژ القـایی، مستقل از توزیع سرعت سیال می‌باشد[11,8]. همچنین در مراجع [9,8] کالیبراسیون فلومیترهای الکترومغناطیسی برای کانال با مقطع چهارگوش و سرباز با استفاده از شبکه‌های عصبی انجام شده است.

در این مقاله، هدف آن است که افزون بر ارائه اصول کلی طراحی فلومیترهای الکترومغناطیسی با مقطع دایره‌ای شکل، چگونگی کالیبراسیون آنها را با استفاده از روش جدید شبکه‌های عصبی و با فرض مقطع دایره‌ای شکل لوله مورد نظر نشان دهیم. بدین منظور در بخش‌های (2) و (3)، اصول کلی و تحلیل فلومیترهای الکترومغناطیسی ارائه گردیده و با استفاده از نرم‌افزار Matlab طراحی فلومیتر الکترومغناطیسی در قالب یک برنامه m_file آورده شده است. سپس در بخش (4)، نحوه کالیبراسیون فلومیترهای الکترومغناطیسی برای لوله با مقطع دایره‌ای بیان شده است. به‌منظور ارزیابی مطالب ارائه شده در بخش‌های (3) و (4)، در بخش (5) نیز نتایج شبیه‌سازی طراحی فلومیتر الکترومغناطیسی و اثرات ضریب رسانایی و ارتفاع مایع در لوله بر ولتاژ القایی بین دو الکترود ارائه گردیده است. همچنین با توجه به غیر‌خطی بودن تابع ضریب تصحیح در کالیبراسیون فلومیتر و استفاده از شبکه عصبی پیشنهادی، این ضریب تصحیح به شکل مطلوب و دقیقی تعیین شده است. این موضوع باعث کاهش خطا در فلومیتر می‌شود.

اصول کلی عملکرد فلومیتر- تعاریف اساسی

عملکرد یک فلومیتر الکترومغناطیسی بر اساس قانون ولتاژ القاء فارادی می‌باشد. از میان آنالیزهای تئوریک دیده شده است که برای میدان‌های مغناطیسی پایا، سیگنال فلوی عبوری، متناسب با نرخ حجم عبوری فلوی سیال در پروفیل سرعت عبوری می‌باشد. وابستگی بین ولتاژ الکتریکی القاء شده در ناحیه اندازه‌گیری به سرعت مایع (بر حسب متر) و چگالی میدان مغناطیسی (بر حسب تسلا) در شکل (1) نشان داده شده است.

شکل 1 مدل الکتریکی فلومیتر الکترومغناطیسی

به‌طور کلی، برای یک فلومیتر الکترومغناطیسی متداول شامل قسمت‌هایی نظیر لوله با مقطع دایره‌ای برای عبور فلوی سیال و تولید کنندة یک میدان مغناطیسی در مسیر فلوی سیال و یک جفت الکترود در دیوارة لوله را می‌توان مانند شکل (2) در نظر گرفت. در صورتی‌که سـیال در لوله‌ای با مقطع عرضی دایره‌ای شکل حرکت ‌کند، آنگاه میدان مغناطیسی از یک سمت به سمت دیگر لوله (معمولاً توسط سیم‌پیچ‌های تحریک با یک جریان متناوب) ایجاد می‌شود. لوله نیز باید از مواد غیرمغناطیسی ساخته شود، چرا که میدان مغناطیسی می‌تواند خودِ لوله‌ را تحت تأثیر قرار دهد[4,1].

شکل 2 شماتیک یک فلومیتر الکترومغناطیسی

فعل ‌و انفعالات میدان مغناطیسی با حرکت بارهای مثبت و منفی سیال و با استفاده از قانون لورنتز (Laurents Law)، سبب ایجاد یک میدان الکتریکی در درون سیال می‌گردد. تحت هر شرایطی، این میدان می‌تواند به‌صورت گرادیان پتانسیل الکتریکی بیان گردد. بدین‌ترتیب، ولتاژ القاء شده بین الکترودها در یک فلومیتر ساده را می‌توان به‌صورت زیر تعیین نمود:

(1)

که در این رابطه، و به‌ترتیب اختلاف پتانسیل (بر حسب ولت) و فاصله بین دو الکترود (بر حسب متر) می‌باشد. همچنین سرعت متوسط در مقطع عرضی (بر حسب متر بر ثانیه) و نرخ فلوی عبوری (بر حسب m3/sec) می‌باشد. گفتنی است که در معادله (1) به ضریب رسانایی الکتریکی، ویسکوزیته و فشار مایع عبوری وابسته می‌باشد. البته رابطه (1)، یک معادله اساسی برای فلومیتر است و زمانی این رابطة ساده برقرار خواهد بود که: 1- میدان مغناطیسی یکنواخت باشد. 2- پروفیل سرعت، متقارن باشد[7,5].

بنابر این، توضیح و شرح اصول عملکرد فلومیتر الکترومغناطیسی برای تعیین مشخصات الکتریکی و مغناطیسی محیط فلومیتر، لازم می‌باشد. از این‌رو، مایع عبوری به‌وسیلة ضریب نفوذپذیری مشخص شده است. ضریب رسانایی آب و دیواره لوله (که بر حسب زیمنس بر متر S/m می‌باشد) دارای خواص یکسان هستند و هیچ‌کدام تابعی از میدان مغناطیسی و چگالی شار مایع نمی‌باشند که این موضوع، اتفاقات اثر هال Hall Effect)) را به‌حساب نمی‌آورد[8,9]. نوع شار عبوری و میدان به‌کار رفته نیز اثرات خودالقائی را در خود نخواهد داشت.

از دیگر فرض‌هایی که برای ساده شدن طراحی در نظر گرفته شده، این است که بردار سرعت را در سطح میدان مغناطیسی دارای یک مؤلفه در نظر گرفته‌ایم؛ یعنی بردار سرعت، دارای مولفه‌ای در راستای است و در نتیجه می‌باشد. البته بردار سرعت در حالت شرایط کاملاً توپر لوله تعریف شده است و آنالیز میدان مغناطیسی توزیع شده فقط می‌تواند به حالت پایدار محدود شود که این هم به‌خاطر بررسی در فرکانس پایین می‌باشد (یعنی است که متغیر z ، مقدار یا پارامتر اندازه‌گیری شده را نشان می‌دهد)[9,8].

آنالیز فلومیتر الکترومغناطیسی

در این مقاله، طراحی فلومیتر الکترومغناطیسی با استفاده از شبیه‌سازی کامپیوتری و برنامه‌نویسی m_file توسط نرم‌افزار Matlab ارائه می‌شود.

آشکارسازی و پردازش سیگنال خروجی. الکترومگنتِ یک فلومیتر الکترومغناطیسی می‌تواند توسط دو نوع سیستم تحریک AC وDC تغذیه گردد. از آنجا ‌که بیشتر اندازه‌گیری‌ها روی سیالات با رسانایی کم انجام می گردد، می‌توان از سیستم تحریک سینوسی با استفاده از منبع AC بهره جست. این نوع منبع تغذیه را می‌توان به‌وسیله یک کنورتر فرکانسی و یک سیستم منبع تغذیه بدون ‌وقفه UPS Uninterrupted Power Supply)) کنترل کرد. استفاده از تبدیل فرکانسی منبع تغذیه الکترومگنتِ فلومیتر، به‌خاطر کاهش پیک نویزهای ایجاد شده توسط ولتاژ AC می‌باشد که معمولاً به‌صورت سیگنال‌های خطا در قسمت آشکارسازی این نوع فلومیترهای با تحریک AC بوجود می‌آید[1,2,7].

به‌طور کلی، فلومیترهای الکترومغناطیسی از دو قسمت آشکارسازی سیگنال (Signal Detecting Unit) و پردازش سیگنال (Signal Processing Unit) تشکیل می‌گردند. قسمت آشکارسازی سیگنال از بخش‌هایی نظیر یک لوله‌ فلوی سیال و غیر رسانا، الکترودها و یک الکترومگنت تشکیل شده