فلومتر الکترومغناطیسی | جریان سنج مغناطیسی

 فلومتر های الکترومغناطیسی (یا مگمترها) نوعی جریان سنج سرعت یا حجمی هستند که طبق قانون القای الکترومغناطیسی فارادی کار می کنند – که بیان می کند زمانی که هادی در میدان مغناطیسی حرکت می کند ولتاژ القا می شود. مگمترها فقط می توانند سرعت جریان سیالات رسانا را تشخیص دهند. طراحی‌های ماگمتر اولیه برای عملکرد خود به حداقل رسانایی سیال 1-5 میکروزیمن بر سانتی‌متر نیاز داشتند. طرح های جدیدتر این نیاز را صد برابر کرده و بین 0.05 تا 0.1 کاهش می دهند. فلومتر الکترومغناطیسی شامل یک لوله غیر مغناطیسی است که با یک ماده عایق پوشانده می شود. یک جفت سیم پیچ مغناطیسی مانند شکل 1 قرار دارد و یک جفت الکترود به لوله و پوشش آن نفوذ می کند.

اجزای فلومتر الکترومغناطیسی

اگر یک سیال رسانا از طریق لوله ای با قطر (D) از طریق چگالی میدان مغناطیسی (B) ایجاد شده توسط سیم پیچ ها جریان یابد، مقدار ولتاژ (E) ایجاد شده در سراسر الکترودها همانطور که توسط قانون فارادی پیش بینی شده است متناسب با سرعت مایع (V) خواهد بود. مایع از آنجایی که چگالی میدان مغناطیسی و قطر لوله مقادیر ثابتی هستند، می توان آنها را در یک ضریب کالیبراسیون (K) ترکیب کرد و معادله به زیر کاهش داد:

E = KV

تفاوت سرعت در نقاط مختلف پروفیل جریان توسط یک فاکتور وزن سیگنال جبران می شود. جبران نیز با شکل دادن به سیم پیچ های مغناطیسی به گونه ای فراهم می شود که شار مغناطیسی در جایی که ضریب وزنی سیگنال کمتر است و بالعکس بیشترین مقدار را خواهد داشت. سازندگان ضریب K هر مغناطیس را با کالیبراسیون آب هر لوله جریان تعیین می کنند. مقدار K که بدین ترتیب به دست می آید برای هر مایع رسانای دیگری معتبر است و در کل محدوده فلومتر خطی است. به همین دلیل، لوله های جریان معمولاً تنها با یک سرعت کالیبره می شوند. مگمترها می توانند جریان را در هر دو جهت اندازه گیری کنند، زیرا جهت معکوس قطبیت را تغییر می دهد اما بزرگی سیگنال را تغییر نمی دهد.

شکل 1: مگمتر و اجزای آن

مقدار K بدست آمده با آزمایش آب ممکن است برای سیالات غیر نیوتنی (با ویسکوزیته وابسته به سرعت) یا دوغاب مغناطیسی (آنهایی که دارای ذرات مغناطیسی هستند) معتبر نباشد. این نوع سیالات می توانند بر چگالی میدان مغناطیسی در لوله تأثیر بگذارند. کالیبراسیون درون خطی و طرح های جبرانی ویژه باید برای هر دوی این سیالات در نظر گرفته شود.  

تحریک مگمتر (فلومتر الکترومغناطیسی)

ولتاژی که در الکترودها ایجاد می شود یک سیگنال میلی ولت است. این سیگنال معمولاً به یک جریان استاندارد (4-20 میلی آمپر) یا خروجی فرکانس (0-10000 هرتز) در یا نزدیک لوله فلومتر الکترومغناطیسی تبدیل می شود. فرستنده های مغناطیسی هوشمند با خروجی های دیجیتال امکان اتصال مستقیم به یک سیستم کنترل توزیع شده را می دهند. از آنجایی که سیگنال مگمتر ضعیف است، اگر فرستنده از راه دور باشد، سیم سرب باید محافظ شود و بپیچد.

سیم پیچ های ماگمتر می توانند با جریان متناوب یا مستقیم تغذیه شوند (شکل 2). هنگامی که از تحریک ac استفاده می شود، ولتاژ خط به سیم پیچ های مغناطیسی اعمال می شود. در نتیجه، سیگنال جریان (در جریان ثابت) نیز شبیه یک موج سینوسی خواهد بود. دامنه موج متناسب با سرعت است. علاوه بر سیگنال جریان، ولتاژهای نویز را می توان در حلقه الکترود القا کرد. نویز خارج از فاز به راحتی فیلتر می شود، اما نویز درون فاز مستلزم آن است که جریان قطع شود (با لوله پر) و خروجی فرستنده روی صفر تنظیم شود. مشکل اصلی طراحی‌های ماگمتر ac این است که نویز می‌تواند با شرایط فرآیند متفاوت باشد و برای حفظ دقت، نیاز به صفر کردن مجدد مکرر است.

شکل 2: روش های تحریک

طرح های تحریک

در طرح های تحریک dc از یک پالس dc با فرکانس پایین (7-30 هرتز) برای تحریک سیم پیچ های مغناطیسی استفاده می شود. هنگامی که سیم‌پیچ‌ها در حالت پالس قرار می‌گیرند (شکل 2)، فرستنده هم سیگنال‌های جریان و هم سیگنال‌های نویز را می‌خواند. در بین پالس ها، فرستنده فقط سیگنال نویز را می بیند.

بنابراین، نویز را می توان به طور مداوم پس از هر چرخه حذف کرد. این یک صفر پایدار را فراهم می کند و رانش صفر را حذف می کند. مترهای dc علاوه بر دقیق تر بودن و توانایی اندازه گیری دبی های کمتر، حجم کمتری دارند، نصب آسان تر هستند، انرژی کمتری مصرف می کنند و مقرون به صرفه ترین نسبت به مترهای ac هستند.

یک طراحی جدید dc به طور قابل توجهی از توان بیشتری نسبت به نسل های قبلی استفاده می کند و در نتیجه سیگنال جریان قوی تری ایجاد می کند. طراحی جدید دیگر از یک طرح تحریک دوگانه منحصربه‌فرد استفاده می‌کند. سیم‌پیچ‌ها را در ۷ هرتز برای پایداری صفر و همچنین در فرکانس ۷۰ هرتز برای به دست آوردن سیگنال قوی‌تر، پالس می‌کند. فرستنده های مگمتر می توانند با برق ac یا dc عرضه شوند. یک فلومتر مغناطیسی دو سیمه با منبع تغذیه dc با طراحی ذاتا ایمن نیز موجود است، اما عملکرد آن به دلیل محدودیت های قدرت کاهش می یابد.  

ادعاهای تحریک dc

امروزه، تحریک dc در حدود 85 درصد از تاسیسات استفاده می شود و مغناطیس های جریان متناوب 15 درصد دیگر را زمانی که با شرایط زیر توجیه می شوند، ادعا می کنند: هنگامی که هوا در مقادیر زیادی در جریان فرآیند به دام می افتد. هنگامی که جریان فرآیند دوغاب است و اندازه ذرات جامد یکنواخت نیست و یا فاز جامد به طور همگن در مایع مخلوط نشده است. یا هنگامی که جریان در فرکانس زیر 15 هرتز ضربان دارد. هنگامی که هر یک از سه شرایط فوق وجود داشته باشد، خروجی یک dc متر پالسی احتمالاً نویزدار است. در برخی موارد، با فیلتر کردن و میرایی سیگنال خروجی، می توان مشکل نویز را به حداقل رساند (نوسانات را در 1٪ از نقطه تنظیم نگه دارید). اگر برای از بین بردن نویز به بیش از 1 تا 3 ثانیه نیاز است، همیشه بهتر است از یک متر ac استفاده بشود.  

لوله های جریان، لاینرها و پروب ها

ابعاد رو به رو لوله های جریان فلنجی (طول لایه) معمولاً با توصیه های سازمان بین المللی استاندارد (ISO) مطابقت دارد. ابعاد ماگمترهای فرم کوتاه معمولاً با این دستورالعمل ها نیز مطابقت دارد.

لوله ها و آسترهای جریان مغناطیسی در بسیاری از مواد موجود هستند و به طور گسترده در تمام صنایع فرآیندی از جمله مواد غذایی، دارویی، معدن و فلزات استفاده می شوند. برخی از مواد آستر (به ویژه PFA) ممکن است در هنگام استفاده از میله‌های پرکننده هنگام نصب آن یا خارج کردن آن از لوله‌کشی فرآیند آسیب ببینند. آنها همچنین می توانند با گشتاور بیش از حد پیچ های فلنج آسیب ببینند. محافظ های لاینر برای کمک به جلوگیری از چنین آسیب هایی در دسترس هستند.

به طور کلی می توان از هر لوله جریانی با هر فرستنده ای که توسط همان سازنده ارائه می شود استفاده کرد. بسته به ساختار و ویژگی های آن، هزینه یک فلومتر مغناطیسی 2 اینچی می تواند بین 1500 تا 5000 دلار باشد. این هزینه در حال کاهش است، اما هنوز هم بالاتر از هزینه سنسورهای جریان کم هزینه است.

فلومترهای مغناطیسی را نیز می توان به عنوان پروب بسته بندی کرد و از طریق شیرها وارد لوله های فرآیند کرد. این پروب ها حاوی الکترودها و سیم پیچ های مغناطیسی هستند. سیال فرآیند جاری ولتاژی را در الکترودها القا می کند که سرعت را در نوک پروب نشان می دهد و نه متوسط سرعت سیال را در سراسر لوله. این مگمترها ارزان و قابل جمع شدن هستند. بنابراین، برای نصب یا حذف آنها نیازی به خاموش شدن فرآیند نیست. دقت اندازه گیری به رابطه بین سرعت اندازه گیری شده و سرعت متوسط در لوله بستگی دارد.  

الکترودهای فلومتر الکترومغناطیسی

در لوله های جریان معمولی، الکترودها با سیال فرآیند در تماس هستند. اگر توسط قطره‌ای از پلاتین مایع تولید می‌شوند، آن‌ها می‌توانند قابل جابجایی یا دائمی باشند، زیرا از طریق یک آستر سرامیکی متخلخل می‌شود و با اکسید آلومینیوم ترکیب می‌شود تا یک مهر و موم کامل ایجاد کند. این طرح به دلیل هزینه کم، مقاومت در برابر ساییدگی، عدم حساسیت آن به تشعشعات هسته ای و مناسب بودن آن برای کاربردهای بهداشتی ترجیح داده می شود. زیرا هیچ حفره ای وجود ندارد که باکتری ها در آن رشد کنند. 

از طرف دیگر، لوله سرامیکی نمی تواند خم شدن، کشش یا سرد شدن ناگهانی را تحمل کند و نمی تواند اسیدهای اکسید کننده یا سوزاننده داغ و غلیظ را تحمل کند. در طراحی جدیدتر جفت شده خازنی، از الکترودهای بدون تماس استفاده می شود. در این طرح‌ها از نواحی فلزی استفاده می‌شود که بین لایه‌های مواد آستر قرار می گیرد.

آنها در اندازه های کمتر از هشت اینچ و با آسترهای سرامیکی موجود هستند. مگمترهایی که از این الکترودهای غیر تماسی استفاده می کنند، می توانند سیالاتی را که رسانایی آنها 100 برابر کمتر از مقدار مورد نیاز برای به کار انداختن لوله های جریان معمولی است، “read” کنند. از آنجایی که الکترود پشت آستر قرار دارد، این طرح‌ها برای کاربردهای پوشش‌دهی شدید نیز مناسب‌تر هستند  

پیشرفت های اخیر فلومتر الکترومغناطیسی

هنگامی که یک فلومتر مغناطیسی با یک سنسور سطح خازنی تعبیه شده در لاینر ارائه شود، جریان را در لوله های نیمه پر اندازه گیری می کند. در این طرح، الکترودهای مغناطیسی در پایین لوله (تقریباً در 1/10 قطر لوله) قرار می گیرند تا تحت پوشش سیال باقی بمانند. جبران برای عملکرد موج و کالیبراسیون برای لوله کامل، بدون جریان (سطح استاتیک) و عملیات لوله نیمه پر ارائه شده است. یکی دیگر از پیشرفت‌های اخیر یک فلومتر الکترومغناطیسی با یک لوله فولادی کربنی بدون خط است. در این طرح، الکترودهای اندازه‌گیری به‌صورت خارجی روی لوله جریان بدون خط نصب می‌شوند و سیم‌پیچ‌های مغناطیسی میدانی 15 برابر قوی‌تر از یک لوله معمولی ایجاد می‌کنند. این میدان مغناطیسی به عمق سیال فرآیند نفوذ می کند (نه فقط در اطراف الکترود مانند پروب های مگمتر استاندارد). مزیت اصلی هزینه های اولیه و تعویض کم است، زیرا فقط سنسورها باید تعویض شوند.  

انتخاب فلومتر الکترومغناطیسی

فلومترهای مغناطیسی می توانند جریان مایعات و دوغاب تمیز، چند فازی، کثیف، خورنده، فرساینده یا چسبناک را تا زمانی که رسانایی آنها از حداقل مورد نیاز برای طراحی خاص فراتر رود، تشخیص دهند. اگر سرعت جریان از 1 فوت بر ثانیه بیشتر شود، عدم دقت و دامنه قابل انتظار طرح های بهتر از 0.2-1٪ نرخ، در محدوده 10:1 تا 30:1 است. در سرعت‌های جریان آهسته‌تر (حتی زیر 0.1 فوت بر ثانیه)، خطای اندازه‌گیری افزایش می‌یابد، اما خوانش‌ها قابل تکرار باقی می‌مانند.

مهم است که هدایت سیال فرآیند یکنواخت باشد. اگر دو سیال با هم مخلوط شوند و رسانایی یک ماده افزودنی به طور قابل توجهی با سیال فرآیند دیگر متفاوت باشد، مهم است که قبل از اینکه مخلوط به ماگمتر برسد، کاملاً مخلوط شوند. اگر ترکیب یکنواخت نباشد، سیگنال خروجی نویز خواهد داشت. برای جلوگیری از آن، می توان با نصب یک میکسر استاتیک در بالادست ماگمتر، حفره های رسانایی متفاوت را از بین برد.

نوموگراف ظرفیت برای فلومتر الکترومغناطیسی

اندازه مگمتر با جداول ظرفیت یا نمودارهایی که توسط سازنده منتشر می شود تعیین می شود. شکل 4-3 یک نوموگراف ظرفیت جریان را برای اندازه خطوط از 0.1 اینچ تا 96 اینچ ارائه می دهد. برای اکثر کاربردها، سرعت جریان باید بین 3 فوت بر ثانیه و 15 فوت بر ثانیه باشد. برای سیالات خورنده، محدوده سرعت نرمال باید 3-6 فوت بر ثانیه باشد. اگر لوله جریان به طور مداوم کمتر از 3 فوت در ثانیه کار کند، دقت اندازه گیری بدتر می شود، در حالی که عملکرد مداوم بیش از حد بالای محدوده سرعت عادی، عمر کنتور را کوتاه می کند.

شکل 3: نوموگراف ظرفیت برای فلومتر الکترومغناطیسی

ماهیت بدون انسداد ماگمتر احتمال اتصال را کاهش می دهد و افت سر جبران نشده را به طول معادل لوله مستقیم محدود می کند. افت فشار کم مطلوب است زیرا هزینه های پمپاژ را کاهش می دهد و به سیستم های تغذیه گرانشی کمک می کند.  

برنامه های کاربردی مشکل

مگمتر نمی تواند حباب را از سیال فرآیند تشخیص دهد. بنابراین، حباب های هوا باعث می شود که مغناطیسی بالا بخواند. اگر هوای محبوس شده به طور همگن پراکنده نباشد، ولی به شکل حباب های هوای بزرگ (به اندازه الکترود) می شود، این باعث ایجاد نویز سیگنال خروجی یا حتی اختلال در آن می شود. جریان عادی 6-12 فوت بر ثانیه باشد. پوشش الکترودها یکی دیگر از مشکلات رایج ماگمتر است. تجمع مواد روی سطوح داخلی متر می تواند الکترودها را از سیال فرآیند جدا کند.

این می تواند باعث از دست دادن سیگنال یا خطای اندازه گیری شود. چه با تغییر قطر لوله جریان و چه با ایجاد شیفت های دهانه و صفر. طبیعی است که بهترین راه حل پیشگیری است. یکی از گام‌های پیشگیرانه اندازه‌گیری کنتور به‌گونه‌ای است که در شرایط جریان عادی، سرعت جریان نسبتاً بالا باشد: حداقل 6-12 فوت بر ثانیه یا به اندازه عملی با توجه به احتمال فرسایش و خوردگی. یکی دیگر از روش های پیشگیری، استفاده از الکترودهایی است که در جریان جاری بیرون زده اند تا از اثر تلاطم و شستشو استفاده کنند. در سرویس های شدیدتر، می توان یک سیستم تمیزکننده مکانیکی را نصب کرد و به طور متناوب یا مداوم برای حذف پوشش و تجمع استفاده کرد.  

مگمترهای امگا

ماگمترهای درج

این فلومترهای همه کاره و با نصب ساده، اندازه گیری دقیق جریان را در محدوده دینامیکی گسترده در اندازه لوله از 0.5 تا 8 ارائه می دهند که نیازهای بسیاری از کاربردهای متنوع را برآورده می کند. مغناطیس های سری FMG3000 گزینه های خروجی مختلفی را برای استفاده با ابزار دقیق جریان Omega که دارای فرکانس یا خروجی 4 تا 20 میلی آمپر هستند، ارائه می دهند. اندازه گیری سرعت جریان برای دما از طریق یک سنسور دمای یکپارچه جبران می شود.  

مگمترهای درون خطی

فلومترهای الکترومغناطیسی سری FMG90B برای اندازه گیری مایعات رسانا طراحی می شوند. مغناطیس‌های FMG90B فاقد قطعات متحرک و پوشش PTEFE هستند، آنها می‌توانند کاربردهای مربوط به فاضلاب، خمیر کاغذ، مواد غذایی و دوغاب را مدیریت کنند.  

ماگمترهای جریان کم

FMG-2000 فاقد قطعات متحرک است و الکترودها برای جلوگیری از رسوب گیری طراحی می شوند. این مغناطیس در کاربردهایی که زباله ها مانع از کنتورهای مکانیکی می شوند، نیازی به تعمیر و نگهداری ندارد. حداقل نیازهای لوله مستقیم به مترهای سری FMG-2000 اجازه می دهد تا در پیکربندی های لوله کشی که فضای کمی بین متر و زانویی وجود دارد استفاده شود. کنتورهای سری FMG-2000 برای کاربردهایی که ممکن است برای مدت طولانی تا عمق 3 متری (10′) زیر آب باشد، دارای رتبه IP68 هستند. نرخ و شاخص کل استاندارد هستند. نرخ و واحدهای کل و خروجی پالس از طریق صفحه کلید لمسی پانل جلویی توسط کاربر قابل تنظیم است.  

نصب دبی سنج الکترومغناطیسی

فلومتر مغناطیسی باید همیشه پر از مایع باشد. بنابراین، مکان ارجح برای ماگمترها در خطوط جریان عمودی رو به بالا است. نصب در خطوط افقی در صورتی قابل قبول است که قسمت لوله در نقطه پایین باشد و الکترودها در بالای لوله نباشند. این از تماس هوا با الکترودها جلوگیری می کند. هنگامی که سیال فرآیند دوغاب است و ماگمتر در نقطه پایینی نصب می شود، باید در طول دوره های طولانی خاموشی آن را حذف کرد تا مواد جامد ته نشین نشوند و اجزای داخلی را پوشش ندهند.

اگر تخلیه دوره ای مگمتر ضروری است، باید یک گزینه لوله صفر خالی برای آن ارائه شود. با فعال شدن این گزینه، خروجی فرستنده به صفر می رسد. تشخیص شرایط لوله خالی توسط مدار متصل به مجموعه های اضافی از الکترودها در لوله جریان است. ویژگی صفر لوله خالی نیز می تواند توسط یک کنتاکت خارجی مانند کنتاکت وضعیت پمپ فعال شود.

ماگمترها به پنج قطر لوله مستقیم در بالادست و دو قطر پایین دست نیاز دارند تا دقت خود را حفظ کرده و سایش لاینر را به حداقل برسانند. محافظ‌های لاینر برای محافظت از لبه جلویی آسترها در برابر اثرات سایشی سیالات فرآیندی در دسترس هستند. اگر مگمتر در یک لوله افقی با طول بیش از 30 فوت نصب شود، لوله باید در هر دو طرف متر نگه داشته شود.

فلومتر یا جریان سنج الکترومغناطیسی باید به طور الکتریکی به مایع فرآیند متصل شود:

این به این دلیل است که ماگمتر بخشی از مسیر هر جریان سرگردانی است که از خط لوله یا مایع فرآیند عبور می کند. باندینگ، با اتصال متر در دو سر به سیال فرآیند، اتصال کوتاهی را برای جریان های سرگردان ایجاد می کند و آنها را به جای عبور از لوله در اطراف لوله جریان می دهد. اگر سیستم به درستی زمین نشده باشد، این جریان ها می توانند یک جابجایی صفر در خروجی فلومتر مغناطیسی ایجاد کنند.

اتصال الکتریکی به سیال فرآیند را می توان با تسمه های زمین فلزی به دست آورد. این تسمه ها هر انتهای لوله جریان را به فلنج های خط لوله مجاور متصل می کنند که به نوبه خود با مایع فرآیند در تماس هستند. تسمه ها زمانی استفاده می شوند که لوله ها رسانای الکتریکی باشند. هنگامی که لوله نارسانا باشد، از حلقه های زمین استفاده می شود. حلقه اتصال به زمین مانند یک صفحه روزنه با سوراخی برابر با اندازه اسمی (قطر داخلی) لوله جریان است.

بین فلنج های لوله جریان و لوله های فرآیند مجاور در دو طرف بالادست و پایین دست نصب می شود. لوله جریان با اتصال به حلقه های فلزی اتصال به سیال فرآیند متصل می شود و با سیم کشی به یک هادی خوب مانند لوله آب سرد به زمین متصل می شود.  

بیشتر بخوانید:

تفاوت بین انواع مختلف فلومتر

در صورت هرگونه سوال و نظر با مجموعه پرگاران تماس حاصل فرمایید.

جهت کسب اطلاعات بیشتر اینجا کلیک کنید.