بخشی از مقاله
چکیده
اندازهگیری جریان سیال به عنوان یکی از مهمترین پارامترهای اندازهگیری در صنایع مختلف است که اهمیت ویژهای دارد. اندازهگیری بر اساس پدیده کوریولیس سریعترین فنآوری اندازهگیری جریان سیال در طول چند دهه گذشته بوده است.
هدف از انجام این پژوهش تحلیل رفتار دینامیکی یک جریانسنج جرمی کوریولیس با استفاده از روش باندگراف و شبیهسازی این وسیله اندازهگیری توسط نرمافزار 20Sim میباشد. در این مقاله برای رسم باندگراف جریانسنج کوریولیس، لولههای جریان این دستگاه به صورت جسم صلب فرض شده است.
جریانسنج جرمی کوریولیس در ابتدا به چندین زیرسیستم تبدیل گشته و سپس باندگراف هر یک از زیر سیستمها در نرمافزار رسم میشود و درنهایت تمام باندگرافهای رسم شده به همدیگر اتصال داده میشوند تا باندگراف کل سیستم به دست آید. در مرحله بعدی توسط نرمافزار رفتار دینامیکی جریانسنج جرمی کوریولیس در دو حالت، با وجود جریان داخل لولههای جریانسنج و نیز بدون وجود جریان در داخل لولههای جریانسنج، تحلیل میشود.
سیگنالهای خروجی از سنسورهایی که روی لولههای -Uشکل به صورت قرینه نصب شدهاند . با روش باندگراف جریان سنج جرمی کوریولیس با لوله های -Uشکل همراه با جریان در درون آن مدل سازی شد و توسط نرم افزار 20 sim شبیه سازی صورت گرفت. نتیجه بدست آمده از نرم افزار برای حالت جریان غیرصفر با اصول عملکرد جریان سنج واقعی مطابقت داشته و نشان دهنده اختلاف فاز بین خروجی دو سنسور است. با توسعه این پژوهش و مقایسه نتیجه تئوری بدست آمده با نتایج آزمایش تحقیقات آینده، روش باند گراف و همچنین نرم افزار 20 sim می تواند مبنای طراحی های بعدی با توجه به قابلیت آنها قرار گیرد.
مقدمه
در سالهای اخیر علاقه و توجه وافری به جریانسنجهای وزنی کوریولیس معطوف شده است. جریانسنجهای وزنی کوریولیس در اواخر دهه1980میلادی شروع به رشد کرده است. امروزه استفاده از این جریانسنجها بهطور گستردهای در بسیاری از زمینههای صنعتی پذیرفته شده و عملکرد آنها به صورت فزایندهای افزایش پیدا کرده است.
اثر کوریولیس درجریانسنجهای صنعتی در مقایسه با جریانسنجهای اختلاف فشار یا جریانسنجهای جابهجایی مثبت، برای اندازه-گیری مستقیم جریان جرمی،فنّاورینسبتاً جدیدی است. آخرین نسل این نوع جریانسنج بسیار دقیق و مطمئن استمعمولاً - خطای آنها بین 0/1 تا 0/3 درصد است - . جریانسنجهای جرمی کوریولیس، کاربرد گستردهای در کاربردهای اندازهگیری جریان مایعات، دوغاب و گازها دارد.
موفقیت این دستگاه بر مبنای اندازهگیری مستقیم جریان جرمی است و مستقل از ویژگیهای مایع مانند ویسکوزیته، فشار، دما و چگالی سیال میباشد. علاوه بر اندازهگیری جریان جرمی، این جریانسنج قادر به اندازهگیری موارد دیگری مستقل از جریان جرمی، مانند چگالی و دما است و هزینه آنها نیز با توجه به کل هزینهی نصب، تعمیر و نگهداری و قابلیتهای خروجی حقیقی، بسیار مناسب است.
کلارک1 و همکاران [3]، در سال 2006 جریانسنجهای جرمی کوریولیس بسیار کوچک را با روش اجزاء محدود تحلیل نموده و نتایج به دست آمده را مورد ارزیابی قرار دادند. این جریانسنج میکرو قادر بود میزان دبی جرمی جریانهای خیلی کم 0/1 - تا 100میلیگرم بر ساعت - را در کاربردهای بسیاری مانند تحویل دارو ،تزریق داروی پزشکی به بیماران و طیف گستردهای از دستگاههای وابسته به سیالات با دقت خیلی بالا محاسبه کند. نتایج به دست آمده از این دستگاههای میکرو، نشان میداد که این دستگاهها دارای حساسیت اندازهگیری بسیار بالایی هستند و اندازهگیری دبی جرمی در آنها مستقل از چگالی سیال و دما است. نتیجه دیگری که از این تحلیل به دست آمد این است که هرگاه سختی لولههای جریانسنج افزایش پیدا میکند، حساسیت اندازهگیری کاهش و فرکانس آشکارسازها افزایش مییابد.
چی لی هو 2 و همکاران [4]، در سال 2013 یک فرستنده دیجیتالی جریانسنج جرمی کوریولیس با یک تراشه DSP برای تحقق روش پردازش سیگنال دیجیتال با الگوریتم تبدیل فوریه زمان-گسسته 3، طراحی و توسعه دادند. درتحقیق آنها، کالیبراسیون اندازهگیری دبی جرمی، توسط سیال آب برای اعتبار بخشیدن به این روش صورت گرفته است. نتایج نهایی آنها، ارائه برخی مقیاسها و اندازههای مؤثر برای به دست آوردن دقت بالا و زمان واقعی در اجرا بود.
رواف 4 [6] ، و همکاران در سال 2014 جریانسنج جرمی کوریولیس را بهوسیله روش اجرا محدود تحلیل کردند و شرایط متغیر مدلسازی را بررسی کردند. در این روش از نظریه تیر تیموشنکو، روش اجزاء محدود و شبیهسازی سیمولینک برای طراحی یک مدل مناسب استفاده شده است. در این مقاله کمیتهای فیزیکی مختلفی از جمله نیروی اینرسی کوریولیس، نیروهای گریز از مرکز، نیروی گرانشی، جریان جرمی و نیروهای جریان ناپایدار برای افزایش دقت مدل در نظر گرفته شده است. با این روش، هندسه لوله و موقعیت تحریککنندهها بهصورت بهتری بهینهسازی شدند.
یاکینگ توو5 و همکاران [7] ، در سال2014 برای اندازهگیری اختلاف فاز سیگنال آشکارسازها با دقت بالا، دو الگوریتم جدید ارائه دادند. به منظور افزایش دقت و صحت اندازهگیری اختلاف فاز بین دو سیگنال ورودی به فرستنده، دو الگوریتم تبدیل فوریه زمان - گسسته با ساختار جدید پیشنهاد شد. نتایج این پژوهش بهصورت استخراج دو فرمول جدید برای محاسبه اختلاف فاز ایجاد شده بود. در این روش میزان پیچیدگی و حجم محاسبات بسیار کاهش و دقت اندازهگیری افزایش پیدا کرد.
بوباوینگ6 و همکاران [9]، در سال 2015 با استفاده از تحلیل عددی، اثرات نصب و راهاندازی جریانسنجهای جرمی کوریولیس را با ساختار تکلوله مستقیم جریان و دو لولهی U شکل مورد بررسی قرار دادند. در این مقاله همچنین از دو نوع شکافدهنده جریان در پیکربندی دولولهای استفاده شده است. اثرات نصب و راهاندازی بوسیله مقایسه حساسیت جریان جرمی و آشفتگی و شرایط جریان، مورد بررسی قرار داده شده است. در بررسی آنها برای پیکربندی دولولهای U شکل خطا یک دهم درصد محاسبه شده است.
اسوت7 و همکاران [10]، در سال 2015 تحقیقات نظری و تجربی را در مورد اثرات ضربان جریان درون لولهها، بر روی جریانسنج جرمی کوریولیس انجام دادند. درک صحیح از اثرات ضربان جریان در رفتار دینامیکی جریانسنجهای کوریولیس بسیار مهم میباشد. نتایج حاصل از مدل دینامیکی یک نمونه خطی دو درجه آزادی جریانسنج جرمی کوریولیس نشان داد که پالسهای جریان میتوانند دقت اندازهگیری جریانسنج کوریولیس را کاهش دهند.
دراین مقاله به منظور تحقیق و بررسی اثرات پالسهای جریان، ابتدا یک جریانسنج کوریولیس با پیکربندی دولولهای مستقیم درنظرگرفته شده است. سپس با پردازش پاسخ سیگنالها به طور مستقیم از سنسورهای لولههای جریان، روش مدولاسیون و مربعسازی از دادهها، اختلاف فاز بین دو سیگنال و اطلاعات مورد نظر بدست آورده شده است. نتایج تجربی نشان داد که اثرات ضربان جریانعمدتاً ناشی از هندسه لولههای اندازهگیری است. همچنین، نتایج نشان داد برای کاهش این اثرات و افزایش دقت اندازهگیری و نیز استفاده بهتر از نیروهای اینرسی کوریولیس، استفاده از جریانسنجها جرمی کوریولیس با پیکربندی جفتلولههای U شکل مناسبتر است.
اکثر کارهای گذشته که صورت گرفته است روی فرستنده جریان سنج از جمله قسمت پردازش سیگنال مدل سازی آن توسط روش اجزا می باشد. تاکنون با روش باند گراف، جریان سنج کوریولیس مدل سازی و نیز توسط نرم افزار 20 sim شبیه سازی نشده است. این پژوهش از این نظر اهمیت دارد که تمام قسمت های الکتریکی، مکانیکی، هیدرولیکی و الکترومغناطیسی با روش باندگراف به یکدیگر به طور همزمان متصل شده اند و مورد ارزیابی قرار گرفته اند.
در این مقاله ابتدا جریانسنج جرمی کوریولیس به چندین زیرسیستم تبدیل می شود و سپس باندگراف هریک از زیر سیستمها در نرمافزار رسم میشود و درستی علییت هر باند آن توسط نرم افزار مورد ارزیابی قرار می گیرد. تمام باندگرافهای رسم شده به همدیگر اتصال داده میشوند تا باندگراف کل سیستم به دست آید. در مرحله بعدی اندازه پارامترها را به نرمافزار داده می شود. سپس، توسط نرمافزار رفتار دینامیکی جریانسنج جرمی کوریولیس در دو حالت، با وجود جریان داخل لولههای جریانسنج و نیز بدون وجود جریان در داخل لولههای جریانسنج تحلیل می شود.
به دست آوردن باندگراف زیرسیستمهای جریانسنج کوریولیس
در این قسمت ابتدا باندگراف جریانسنج جرمی کوریولیس را بوسیله نرمافزار 20Sim بدست آورده می شود. پس از آن، سیگنالهای ارسالی از آشکارسازها، بوسیله نرمافزار رسم و آنها در دو حالت با جریان و بدون جریان با همدیگر مقایسه میشوند. برای این منظور، در ابتدا جریانسنج جرمی کوریولیس به چهار زیرسیستم، - 1 سیستم مغناطیسی، - 2 سیستم الکتریکی، - 3 سیستم هیدرولیکی، - 4 سیستم مکانیکی تجزیه شده است. مدل فیزیکی هریک از این زیرسیستمها رسم شده است. با توجه به مدل فیزیکی آنها بوسیله نرمافزار 20Sim، باندگراف هر کدام را نوشته و علییت آنها بوسیله نرمافزار مورد بررسی قرار داده میشود. در انتها تمام باندگرافهای زیرسیستم-ها را به همدیگر متصل کرده و باندگراف کل سیستم بدست میآید.
-1-2 باندگراف زیرسیستمهای مغناطیسی جریانسنج
در این جریانسنج قسمت مغناطیسی دارای سه جزء میباشد که عبارتاند از:
- 1 محرک1
- 2 آشکارساز2 a
- 3 آشکارساز3 b
-1-1-2 باندگراف محرک
این جریانسنج، همانگونه که در شکل 1 نشان داده شده است به سه لوله تقسیم کرده که شامل دو لوله عمودی که آشکارساز a و آشکارساز b روی آنها به صورتکاملاً قرینه در دو طرف لوله افقی قرار گرفته است و یک لوله افقی تقسیم شده است. محرک واقع در مرکز انحنا روی لوله افقی و در نقطه c قرار گرفته است.
