مکانیک سیالات
صفحات وبلاگ
آرشیو وبلاگ
نویسنده: مهدی عربی - شنبه ۱۳٩٤/٤/٦

 

اندازه گیری جریان گاز کدام جریان سنج را انتخاب کنیم

 

در مبحث اندازه گیری جریان، دستگاهها و روشهای متعدد و بسیاری وجود دارد کهبسته به فرآیند ، خصوصیات سیال مورد استفاده ، فشار و بخصوص دقت مورد نیاز وغیرهیکی ازآنها را میتوان جهت اندازه گیری استفاده نمود ضمن اینکه برای انتخابدستگاههای اندازه گیری نمیتوان نسخه ای از قبل پیچیده شده را برای تمامی شرایطتجویز نمود. شرایط ویژه گاز پس از عبور از خطوط انتقال از نقطه نظر ذرات معلقموجود و آلودگی های احتمالی بخصوص روغنها، گریسها به همراه محصولات خوردگی همه وهمه ایجاب مینماید که در انتخاب سیستم اندازه گیری برای هر شرایط تفاوتهائی را قائلشد0 شاید در واحدهای عملیاتی (پالایشگاه و000 ) یکی ازدستگاههای مناسب اندازه گیری ORIFICE METER ها باشد (درحال حاضر رویکرد جهانی بنا به مستندات موجود و تحقیقاتبعمل آمده حتی درصنایع ، به سمت استفاده از سیستمهای اندازه گیری جدید با پتانسیلهای بالاتر میباشد و حتی درایران نیز درشرکت ملی صنایع پتروشیمی در پروژه هایجدید ونیز درقسمت بارگیری و فروش محصولات جهت صادرات از METER های دیگر غیر از ORIFICE استفاده شده که اطلاعات آنها موجود می باشد) ولی استفاده از ORIFICE METER ها را نمیتوان بطور کلی درهمه موارد تعمیم داد0 دقت اندازه گیری در مدیریت گازرسانیو فروش از بالاترین اهمیت برخوردار است چراکه در جهان کنونی همه چیز وهرکارکردی برمبنای اقتصاد و سودآوری با ریزنگری بسیار بالا مدنظر میباشد طبیعی است هرچه میزانگاز عبوری از دستگاه اندازه گیری بیشتر گردد ، دقت اندازه گیری نیز میبایست بالاتررود بدلیل اینکه حتی خطائی معادل 0.5% ممکن است درحجمهای میلیونی در دراز مدتزیانهای مالی بسیاری را بر شرکت تحمیل نماید واین دقیقا" همان چیزی است که باعث شدهافزایش ACCURACY یک دستگاه اندازه گیری به میزان %1 قیمت دستگاه را نسبت به مشابهخود دو برابر نماید درعلم اقتصاد و بحث مدیریت صنعتی میتوان با افزایش CAPITAL COST میزان VARIABLE COST راکم کرد و بنابراین با خرید و سرمایه گذاری جهت سیستمهایاندازه گیری مطمئن تر و با دقت بالاتر حتی با قیمت چند برابر در دراز مدت اثرات آندر سود آوری شرکتها کاملا" آشکار خواهد شد (جهت اطلاع بیشتر به REFRENCE شماره 8مندرج در مقاله ORIFICE METER عملکرد ومعایب وخطاها که قبلا" توسط این واحد ارسالشده( تحت عنوان NEW PERSPECTIVE ON MEASUREMENT رجوع نمائید)0 اصولا" برای انتخاب هر دستگاه اندازه گیری همانطور که قبلا" ذکر گردید شرایط و نیازمندیهایعملیاتی بسیار با اهمیت میباشد، جهت انتخاب FLOW METER نیز شرایط: فشار ، دما، سیالجریانی نوسانات فشار، PROFILE جریان و بخصوص UNCERTAINTY, ACCURACY دستگاه رامیبایست مد نظر قرارداد0 واضح است که هر وضعیت خاصی نیازمند ACCURACY وهمچنین UNCERTAINTY خاص خود میباشد بدین معنی که درحجمها ودبی زیاد طبیعتا" میبایست ازدستگاههای با دقت بالااستفاده نمود و درایستگاههای با ظرفیت پائین قطعا" نیازی بهسیستم اندازه گیری با آن دقتی که درحجمهای بالا مورد نیاز بوده نمیباشد0 بنابراینبا توجه به نوع ایستگاه و کاربرد آن ونیز میزان ظرفیت آن میبایست از FLOW METER مناسب آن استفاده نمود، لذا خرید دستگاههای اندازه گیری جریان از یک نوع و با یکمشخصات برای تمامی شرایط انتخابی پرهزینه میباشد0 بدین معنی که برای ایستگاههای باظرفیت پائین تر افزایش خطای احتمالی و بنوعی UNCERTAINTY تغییرات قابل توجهی بر رویاندازه گیری نمی گذارد ولی در ایستگاههائی نظیر نیروگاهها، صنایع پتروشیمی و C.G.S ها بعلت حجم زیاد گاز، بالابودن دقت از اهمیت بسیار زیادی برخوردار است0


الف:Turbine meter

کنتورهای توربینی از زمان ابداع آنهاتاکنون تغییرات زیادی داشته اند ،چه در زمینه دقت اندازه گیری وچه در زمینهتکنولوژی ساخت0 این کنتورها برای استفاده جهت LIQUID SERVICE ونیز GAS SERVICE مورداستفاده قرار میگیرند0

مزایا

1-دقت بسیار بالا: جریان سنجهای توربینییکی از جریان سنجهائی میباشد که درکلیه DOCUMENT های موجود بالا بودن دقت آن ذکرشده و به جرات میتوان گفت هیچ مقاله و یا تحقیقی وجود ندارد که این مسئله را نقضنماید ، لذا باتوجه به اهمیت ACCURACY وUNCERTAINTY در اندازه گیری و نهایتا" ارتباط مستقیم با مسائل مالی توجه به این نکته بسیار حائز اهمیت میباشد0 همچنین اینجریان سنجها REPEATABILITY بسیار بالائی دارند که دراندازه گیری حتما" میبایست بدانتوجه نمود0

2-RANGEABILITY بالا: این پارامتر درکنتورهای توربینی درشرایط فشاراتمسفریک به میزان 20:1 میباشد و با افزایش فشارRANGEABILITY  کنتورهای توربینی گازنیز افزایش میباید و این یکی از خصوصیات بسیار خوبی است که شاید در هیچ جریان سنجدیگر بدینگونه نباشد0 میزان RANGEABILITY جریان سنجهای توربینی درفشارهای عملیاتیگازرسانی وفروش تا 80:1 نیز میرسد ودرفشارهای بالاتر تا 200:1 نیز خواهد رسید وبنابراین درهنگام استفاده از این جریان سنجها مشکلی از بعد RANGEABILITY وجودنخواهد داشت0

3-طول مستقیم لوله قبل و بعد از جریان سنج : یکی ازمحاسن این نوعجریان سنجها این است که طول لوله مستقیم مورد نیاز قبل و بعد از جریان سنج نسبت بهجریان سنج های قدیمی تر کم میباشد نظر به اینکه در ورودی این جریان سنجها یک STRAIGHTENING VANE وجود دارد معمولا" شرکتهای سازنده5D طول مستقیم قبل از دستگاهو3D بعد از آن پیشنهاد میکنند ضمن اینکه روش SHORT COUPLED نیز بدون درنظر گرفتنطول مستقیم وجود دارد0 AGA7 طول مستقیمی معادل 10D قبل از دستگاه که میبایست یک FLOW CONDITIONER نیز در فاصله 5D نصب شود و 5D بعد از کنتور پیشنهاد کرده است 0

4-مقبولیت در صنایع : TURBINE METER ها درجهان مورد قبول صنایع قرارگرفته استودر بسیاری از صنایع در نقاطی که به دقت اندازه گیری بالا مورد نیاز می باشداستفاده میگردد0(در بعضی از واحدهای عملیاتی صنایع پتروشیمی کشورنیز از این نوعجریان سنجها به علت دقت بالا استفاده شده است) همچنین استانداردها ومقالات معتبرفراوانی در زمینه این دستگاه موجود میباشد که از جمله میتوان استاندارد AGA7, ISO 9951 را نام برد0

معایب :

1-صدمات مکانیکی :از بزرگترین معایب جریانسنجهای توربینی مستعد بودن آنها به صدمات مکانیکی بعلت داشتن قطعات متحرک میباشد0شرکتهای سازنده بسته به نوع و سایز جریان سنجهای توربینی مدت زمانی را جهت کالیبرهکردن مجدد آنها پیشنهاد کرده اند که بعضا" تا 12 سال نیز میرسد و این نشان دهندهاین است که در صورت استفاده صحیح از این جریان سنجها آنها میتوانند به مدت قابلتوجهی با دقت بالا در سرویس باشند. دلائل اصلی خرابی زود هنگام این نوع جریان سنجهابه شرح ذیل میباشد0

1-1- همراه بودن مایعات با گاز : برای رفع این مشکل میبایستدر ایستگاههای اندازه گیری از SEPARATOR یا KNOCKOUT DRUM های مناسب استفاده نمودتا مایع به هیچ عنوان وارد دستگاه نگردد0

1-2-وجود ذرات معلق همراه گاز( ذراتناشی از خوردگی، روغن ، گریسهای VALVEها و000) برای رفع این مشکل نیز میبایست ازسیستم FILTRATION مناسب که بتواند ذرات کوچکتر از 3 میلی متر را ازخود عبور ندهد وکیفیتی مناسبی نیز داشته باشد استفاده نمود0 نصب DP GAUGE روی فیلترها و در سرویسبودن آنها به بهره بردار کمک مواثری خواهد کرد (درحال حاضر دربسیاری از ایستگاههایموجود DP GAUGE ها در سرویس نمیباشند)0 شاید نصب یک STRAINER بعد از رگولاتور و قبلاز دستگاه در فاصله مناسب ازآن بنحوی که به راحتی نیز قابل تعویض باشد کمک مواثری دراین زمینه نماید0

1-3- سرعت بیش از حد مجاز روتور:دربعضی مواقع بعلت افزایشمصرف بیش از حد مجاز باعث چرخش ROTOR با سرعتی بیش از حد طراحی میگردد(ANGULAR VELOCITY) و این سرعت زیاد باعث صدمه به BEARING های حساسی که در دوطرف ROTOR نصبشده میگردد وخرابی دستگاه را باعث میگردد0 برای رفع چنین مشکلی مهمترین عامل طراحیمناسب یک ایستگاه با در نظر گرفتن حداقل و حداکثر جریان ونیز انتخاب و SIZING مناسبجریان سنج میباشد0 که این مسئله کمک بزرگی به جلوگیری از خرابی زودرس جریان سنجهایتوربینی می نماید0 البته لازم بذکر است که براساس استاندارد ISO 9951 جریان سنجهایتوربینی باید به نحوی طراحی گردند که درصورت بیشتر شدن گاز عبوری از دستگاه بهمیزان 20% ودر مدت کوتاه (نیم ساعت) هیچ مشکلی برای دستگاه بوجود نیاید و سازندگاندستگاه نیز این مسئله را مدنظر قرار میدهند بطوریکه یکی از شرکتهای سازنده پتانسیلدستگاه را تحمل ظرفیت 6/1 برابر QMAX به مدت یک ساعت برآورد کرده است0
2-بهرهبرداری نامناسب : متاسفانه بعضی از بهره برداران بعلت عدم آشنائی با نحوه کار باجریان سنجهای توربینی باعث صدمه زدن به این دستگاه میگردند0 لذا نکات ذیل دراینخصوص قابل ذکر میباشد:

2-1- درهنگام خالی بودن LINE پس از تعمیرات احتمالیویا هرعاملی که باعث DEPRESSURIZE شدن مسیر منتهی به دستگاه شده باشد در هنگام فشارگیری (PRESSURIZE کردن) و نیز در راه اندازی اولیه میبایست VALVE قبل از جریان سنجکاملا" و یکباره بازنگردد چون این امر باعث THRUST زیادی روی ROTOR میگردد و نیزممکن است باعث OVER SPEED دستگاه گردد ونهایتا" ایجاد خسارت نماید0

بنابرایندراینگونه موارد میبایست درحالی که VALVE بعد از دستگاه باز میباشد VALVE قبل ازجریان سنج کمی بازگذاشته شود تا جریان کمتری وارد LINE و دستگاه گردد و پس از همفشار شدن جریان قبل و بعداز VALVE میتوان VALVE را به آرامی باز نمود0

2-2- درهنگام تنظیم شیرهای اطمینان و نیز REGULATOR ها حتی الامکان طوری عمل گردد کهشوکهای شدید ونوسانات زیادی در خط ایجاد نگردد0

2-3- درهنگام ارسال دستگاههاجهت کالیبراسیون تمهیدات لازم اندیشیده شود تا درمسافتهای طولانی و درهنگام حمل بااتومبیل ضربات ناگهانی به دستگاه وارد نشود 0 بدلیل ظریف بودن ROTOR و بخصوص BEARING ها چنین ضرباتی باعث صدمه به دستگاه میگردد بنابراین میبایست درهنگام حملاز ماشینهای مناسب تر استفاده گردد0 ضمن اینکه میبایست جعبه های مناسبی نیز تهیهگردد و دستگاهها درون آنها ارسال شود و در زیر دستگاه نیز از وسایلی نظیر FOAM و یاهروسیله ای که بتواند نوسانات ناشی از جاده را DAMP کند استفاده گردد0


مطالب ذکر شده کلیاتی بود درباره مزایا و معایب جریان سنجهای توربینی وپیشنهادات مختصری در رابطه با جلوگیری از صدمات احتمالی به دستگاههای مذکور 0

ب- ORIFICE METER ها :

دستگاههای مذکور نزدیک به یک قرن درصنایع مختلفمورداستفاده قرارگرفته اند وازجمله قدیمی ترین وسایل اندازه گیری جریان میباشند کههم جهت اندازه گیری LIQUID FLOW وهم جهت اندازه گیری GAS FLOW و STEAM مورد استفادهقرار میگیرند0

مزایا :

1-     نداشتن قطعه متحرک در PRIMARY ELEMENT :

ایندستگاهها که بر مبنای اختلاف فشارایجاد شده در دو طرف ORIFICE PLATE عمل می نماینددر قسمت PLATE خود هیچ قطعه متحرکی ندارند و بنابراین صدماتی که ناشی از وجود قطعاتمتحرک در یک دستگاه میباشد در این نوع جریان سنجها دیده نمیشود البته این بدان معنانیست که ORIFIICE PLATE دچار هیچ مشکل مکانیکی نخواهد شد ،این موضوع در ادامه شرحداده میشود0

2-     وجود اطلاعات و مستندات زیادی در زمینه اندازه گیری جریانسیالات با این دستگاه:

نظر به سابقه طولانی این دستگاهها در صنعت مطالعات زیادیبر روی دستگاههای مذکور انجام شده و مستندات بسیار مفید وارزشمندی نیز منتشر گردیدهکه قابلیتها ، محدودیتها، نقاط ضعف ونیز عملکرد و مکانیزم این دستگاهها را تشریحکرده اند که ازجمله آنها میتوان به استانداردهای API 14.3 و ISO 5167 و BS 1042 اشاره نمود که البته اگر استانداردهای مذکور به دقت مطالعه گردند بسیاری از نکاتظریف در رابطه با این دستگاهها قابل استخراج می باشد0

3-     مورد قبول صنایع بخصوصدرسیستمهای NONCUSTODY و عمدتاً درکارخانجات میباشند0 البته لازم بذکر است که نظربه تحولات زیادی که در زمینه FLOW MEASUREMENT در ده سال اخیر انجام گرفته رویکردجهانی بر اساس آمار موجود به سمت تکنولوژی های نو میباشد به طوری که از میزاناستفاده از جریان سنجهای روزنه ای کمتر شده و به میزان استفاده از جریان سنجها جدیدنظیر CORIOLIS , VORTEX , ULTRASONIC افزوده گردیده است.

معایب :

1-     RANGEABILITY پایین:

یکی از پارامترهای مهمی که در بعد اندازه گیری جریان حائزاهمیت میباشد و به قابلیتهای یک دستگاه می افزاید و باعث برتری یک دستگاه اندازهگیری نسبت به یک دستگاه دیگر میگردد RANGEABILITY است 0درمورد GAS TURBINE METER ذکر شد که این پارامتر در شرایط معمولی 20:1 میباشد و با افزایش فشار نیز افزایش مییابد0 مقدار RANGEABILITY مربوط به ORIFICE METER ها 3.5:1 است که این عدد بعنوانپائین ترین میزان در میان جریان سنجها میباشد بنابراین پائین بودن پارامتر فوقمحدودیت قابل توجهی در زمینه استفاده از دستگاههای مذکور ایجاد مینماید0 چرا که دربسیاری از ایستگاههای اندازه گیری گازرسانی و فروش میزان حداقل و حداکثر جریان (مانند C.G.Sها POWER PLANT ها و000) ازمقدار ذکر شده فراتر میرود و این یعنی تولیدخطا در اندازه گیری و نظر به حجم زیاد گاز عبوری از چنین ایستگاههائی تولید خطامسائل مالی قابل توجهی را بوجود خواهد آورد0

2- طول مستقیم لوله قبل وبعد از ORIFICE PLATE:

نظر به اهمیت PROFILE جریان در دستگاههای مذکور طول مستقیم موردنیاز قبل و بعد از دستگاه نسبتا" زیاد میباشد 0میتوان گفت که دربین دستگاههایاندازه گیری این میزان بالاترین میزان خود میباشد0 ضمن اینکه میبایست از FLOW CONDITIONER نیز قبل از ORIFICE PLATE استفاده گردد0 همچنین میزان طول مستقیم لولهمورد نیاز بانسبت بتا تغییر مینماید وهرچهبتاRATIO  افزایش یابد این مقدارنیز افزایش می یابد. براساس مطالب مندرج در استاندارد در بسیاری مواقع حتی در صورتاستفاده از FLOW CONDITIONER به طول مستقیمی حدود 40D قبل از METER نیاز میباشد. جهت اطلاعات بیشتر به استاندارد ISO 5167 رجوع شود

3-ACCURACY / UNCERTAINTY : ACCURACY مربوط به ORIFICE METER ها حدودا 2% تخمین زده میشود ودرخوش بینانه ترین حالت این میزان را برابر%1 میتوان درنظر گرفت که درمقایسه بابعضی ازانواع METER ها پائین تر میباشد0

همچنین یکی از پارامترهای مهمی که درمبحث اندازه گیری می بایست مورد توجه قرار گیرد UNCERTAINTY میباشد در ORIFICE METER ها این میزان برای b RATIO بین 0.1 تا 0.6 برابر 0.5% میباشد ولی از b RATIO بالاتر از0.6 این میزان بسرعت افزایش می یابد بطوریکه برای b RATIO 0.75 میزان UNCERTAINTY 2% میباشد مقادیر ذکر شده براساس استاندارد API 14.3 میباشد

صفحه یک ضمائم) وجود این میزان UNCERTAINTY دراندازه گیری خطاهای بسیار بزرگی رابوجود خواهد آورد که طبیعتا" مسائل مالی بسیار قابل توجهی ایجاد خواهد نمود0 البتهاین میزان درحالتی است که شرایط METER TUBE و INSTALLTION و000 مطابق استانداردباشد0 در بین دستگاههای رایج اندازه گیری جریان این میزان UNCERTAINTY نسبتا زیادمیباشد.

 4-افت فشار بالا: بعلت ساختار مکانیکی ORIFICE PLATE ها در صورتاستفاده از این دستگاهها افت فشار دائمی درخط لوله نسبت به سایر دستگاههای اندازهگیری زیاد خواهد بود که بخصوص این قضیه در رابطه با خطوط انتقال بسیار مشهودمیباشد0

5- حساسیت زیاد نسبت به PULSATION, FLOW PROFILE :

ORIFICE METER هادر جریانهائی که حالت PULSATION دارند دچار خطاهای قابل توجهی میگردند و این مسئلهبیشتر بعلت وضعیت PROFILE جریان قبل و بعد از ORIFICE PLATE میباشد و تغییرات در PROFILE جریان باعث خطای اندازه گیری خواهد شد و به همین دلیل است که طول مستقیمقبل از ORIFICE PLATE را زیاد درنظر میگیرند تا PROFILE جریان حالت بهینه داشتهباشد و همچنین استفاده از FLOW CONDITIONERحتما" توصیه میشود براساس استاندارد BS 1042 برای یک ORIFICE PLATE با b RATIO معادل 0.7 بدون FLOW CONDITIONER حتیدرصورتی که طول مستقیم لوله 30D درنظر گرفته شود خطائی معادل %10- تولید خواهد شد0

6- خطاهای ناشی از کثیف بودن گاز، خط لوله ، وجود روغن ، گریس ، محصولاتخوردگی درجریان و همچنین عدم نصب صحیح ORIFICE PLATE

همانطورکه در مقاله قبلیاین واحد اعلام شد خطاهای بسیاری میتواند در ORIFICE METERبوجود آید که با توجه بهنوع ان میزان خطا تغییر میکند و بعضا به24% نیز میرسد ضمن اینکه اکثر خطاهای تولیدیمنفی بوده و نظر به میزان خطاها ضررهای مالی سنکینی برای مدیریت گازرسانی و فروش درپی خواهد داشت . ORIFICE PLATE ها با توجه به ساختار انها و عدم توانائی درتمیزکردنخود در اثر عبور جریان (SELF CLEANING) دچار خطاهائی ناشی از اثرات ناخالصی هائی کهعموما" درگاز کشور وجود دارد خواهد شد0 بعلت اهمیت مسئله و نیز بعلت اینکه بروزچنین خطاهائی بعضا" قابل لمس نمیباشد وبهره بردار متوجه آن نخواهد شد وممکن است باتوجه به شرایط موجود به بهره برداری از دستگاه ادامه دهد و یاممکن است درصورت متوجهشدن به سیستمهای ثانوی دستگاه مانند TRANSMITTER مشکوک شود(مسئله ای که نویسنده بهکرات با آن درصنعت برخورد داشته است) خطاهای مذکور مجددا" ذکر میگردد0 لازم به ذکراست که خطاهای مذکور در پی سالها آزمایش و تحقیق به دست آمده اند و جهت اطلاعاتبیشتر به مراجع ذکر شده در انتهای این مقاله رجوع فرمائید0

6-1- جمع شدن ناخالصیدر مسیر بالادست و قبل از ORIFICE PLATE (مسئله ای که به عقیده نویسنده باتوجه بهوضعیت گازجریانی که حاوی ذرات خارجی شامل محصولات خوردگی، روغنها، گریسهاو000میباشد به احتمال زیاد ایجاد خواهد شد) باعث تولید خطائی معادل 6.2-% خواهد شدمشابه این حالت دراستاندارد BS 1042 ذکر شده است(صفحه 2 ضمائم) 0

6-2- جمع شدنناخالصی ها بعد از ORIFICE PLATEخطائی معادل -2.3% تولید مینماید0( باتوجه به PROFILE جریان بعد از ORIFICE PLATE و وجود جریانهای گردابی دقیقا" بعد از PLATE وعدم وجود جریان مستقیم درآن نقاط ،جمع شدن ناخالصی ها بعد از PLATE نیز بسیار محتملمیباشد)

6-3-جمع شدن ناخالصی قبل و بعد از ORIFICE METER

دراین حالت خطا -3% خواهد بود0
6-4- رسوب DIRT روی صفحه درقسمت UPSTREAM OF PLATE .

6-5- رسوب روغنها وگریسها روی صفحه و قبل از آن (UPSTREAM OF PLATE) خطائی معادل -24% ایجاد خواهد نمود0 (احتمال اتفاق چنین حالتی نیز درایستگاههای اندازه گیری بسیار متحمل میباشد استاندارد BS 1042 مورد اخیر را به نوعیدیگر وبر اساس تغییر در DISCHARGE COEFFICIENT بیان نموده است صفحه 3 ضمائم) 00

6-6-سایش لبه های یک صفحه روزنه دار با لبه های مسطح (SQUARE EDGE ORIFICE PLATE) خطای بین -0.05-13% تولید خواهد نمود 0
6-7- آسیب و لبه پریدگی مربوط به ORIFICE PLATEحداکثر خطائی معادل -15% تولید خواهد نمود0 (این حالت با حالت قبلمتفاوت میباشد).

6-8- عدم نصب صحیح و متقارنORIFICE PLATE (MISALIGNMENT) نیزخطائی معادل -3% تولید خواهد نمود0
6-9- نشت از GASKETآب بند و نیز SEAL RING های مربوط به ORIFICE PLATE نیز خطائی بین 10-5 درصد تولید خواهد نمود0


7-گرفتگی و مسدود شدن PRESSURE TAPPINGهای مربوط به DP TRANSMITTER تیوپهای 1/8 یانیز ایجاد خطا خواهد نمود0 این حالت نیز بدلیل کثیفی گاز و وجود ذرات خارجی ونیز قطر کم تیوپها با احتمال زیاد ایجاد خواهد شد0

8- عبورجریان بیش از ظرفیتطراحی شده باعث انحراف صفحه روزنه دار از حالت تسطیح میگردد و هر چه این انحرافبیشتر باشد خطاهای اندازه گیری بیشتر میگردد( این امر بعلت تغییر PROFILE جریان ونیز تغییر محل ایجاد VENA CONTRACTA می باشد. براساس استاندارد BS 1042 صفحه 4ضمائم مقدار خطا تا حدود -14% خواهد بود)0 خطاهای مذکور غیر از خطاهائی است که ممکناست در SECONDARY ELEMENTS  نظیر ترانسمیترها ، ریکوردرها و000 ایجاد گردد0

ذکراین نکته نیز ضروری است که ORIFICE PLATE نیز باید بطور مرتب از لحاظ ضخامت، مسطح بودن - وضعیت لبه ها- کثیف بودن و یا000 بازرسی گردند (دربعضی ازمنابعهرماه یکبار ذکر کرده اند)0

ج- ULTRASONIC FLOW METER (UFM)

جریان سنجهایالتراسونیک ازنوع TRANSIT TIME یکی از تکنولوژیهای نو در مبحث اندازه گیری گازمیباشند 0 شاید استفاده ازسیستمهای التراسونیک درصنعت به سال 1963 برگردد ولیبهرحال درآن زمان تکنولوژی ساخت به شکل فعلی نبوده ضمن اینکه دستگاههای قبلی برایمسیرهای مایعات و مکانیزم کارشان عمدتا براساس اثر DOPPLER بوده است0

دریک دههگذشته سازمانها، شرکتهای تولیدی جریان سنجها وبخصوص موسسات تحقیقاتی مطالعات وسیعیبر روی دستگاههای مذکور انجام داده اند و شاید برآیند همه آنها تهیه گزارش شماره 9انجمن گاز آمریکا (AGA9) تحت عنوان " MEASUREMENT OF GAS BY MULTIPATH ULTRASONIC METER" باشد0 که پس از انتشار این گزارش در ژوئن سال 1998 رویکرد جهانی به ایندستگاهها واستفاده از آنها در صنعت بسرعت افزایش یافت 0 براساس مطالعاتی اینجانب،درپنج سال گذشته بیشترین رشد مصرف وفروش در بین کلیه جریان سنجها حتی بیش از جریانسنجهای CORIOLIS مربوط به این دستگاهها بوده است.جریان سنجهای ULTRASONIC از لحاظتعداد TRANSDUCER و طرز قرارگرفتن آنها متفاوت میباشد ولی آنچه که مهم است به منظوراندازه گیری گاز به روش CUSTODY TRANSFER و از لحاظ دقت واطمینان میبایست از UFM های MULTIPATH استفاده نمود(صفحه 5 ضمائم) یعنی جریان سنجهائی با حداقل 4 عدد TRANSDUCER. شرکتهای زیادی در زمینه ساخت وطراحی این دستگاهها در دنیا فعالیتمینمایند که میتوان از شرکتهائی نظیرINSTROMET بلژیک ، KROHNE, DANIEL آلمان ، YOKOGAWA, SIEMENS, PANAMETRICS, FMC ENERGY SYSTEM نام برد و بدلیل استقبال صنایعاز دستگاههای مذکور و نیز پتانسیلهای بسیارخوب آن، شرکتهای زیاد دیگری به جرگهسازندگان این نوع دستگاهها پیوسته اند وهمه این موارد دیدگاه و رویکرد جهانی درمورداین دستگاهها را مشخص مینماید0

دراین قست به بررسی مزایا ومعایب ایندستگاهها میپردازیم :

به طورکلی مزایای زیادی درجریان سنجهای التراسونیک جمعشده است که میتوان به موارد ذیل اشاره کرد0

1- دقت بسیار بالا :

جریانسنجها ULTRASONIC دربین کلیه جریان سنجها بهترین دقت اندازه گیری (ACCURACY) رادارا میباشد و این فاکتور بخصوص درمورد مایعات تا ?0.25% ذکر شده که بسیار قابلتوجه میباشد0 بعضی ازسازندگان خطاهای سیستماتیک UNCERTAINTY را برای دستگاههایالتراسونیک کمتراز 0.5% درنظر گرفته اند که از بعد اندازه گیری حائز اهمیت میباشد0نظر به اثرات زیاد تغییرات حدود 0.5% در ACCURACY و یا UNCERTAINTY درمسائل مالیباتوجه به حجم بسیار زیاد گاز جریانی از ایستگاهای C.G.S و نیروگاهها ، پتروشیمی و 000 نقش واهمیت استفاده از این دستگاهها کاملا" مشخص میگردد (رجوع شود به مثال ذکرشده در توضیح ایستگاههای C.G.S ابتدای مقاله)0 اهمیت دقت اندازه گیری به حدیاست که هزینه های تحمیلی به شرکت ناشی از دقت حتی حدود 0 . 5% قابل قیاس باهزینههای ثابت و متغییر نظیر هزینه های خریددستگاه ، تعمیرات و هزینه های عملیاتی نخواهدبود0

2- RANGEABILITY بالا :

یکی ازمزایای خوب دیگر این دستگاهها RANGEABILITY بالای آنها میباشد که بطور نرمال 100:1 عنوان میشود و این مقدار بهاندازه کافی بالاست که تمامی شرایط اندازه گیری راتحت پوشش قرار دهد البته بسته بهسایز دستگاه ممکن است RANGEABILITY نیز تغییر نماید ولی حداقل آن درسایزهای پائینحدود 40:1 میباشد که در سایزهای بالا تا 200:1 نیز افزایش می یابد0 درخصوص پارامترفوق این دستگاهها در بین جریان سنجهای دیگر یکی از بهترینها میباشد وحتی از TURBINE METER ها نیزوضعیت بهتری دارند0
3-
نداشتن قطعه متحرک : نداشتن قطعات متحرک براییک جریان سنج یک مزیت محسوب میگردد بدلیل اینکه جریان سنجهائی که قطعات متحرک دارندطبیعتا" به تعمیرات بیشتری نیازدارند و در ضمن مستعد به خرابی بیشتری هستند و ایناز بعد اقتصادی قابل تU?ل میباشد0 درهرحال جریان سنجهای التراسونیک از این بعد وهمچنین از نظر هزینه های کلی تعمیرات در شرایط بسیار مطلوبی قرار دارند ، مکانیزم وتکنولوژی ساخت این دستگاهها به نحوی است که کمترین هزینه های تعمیرات را در پیخواهند داشت 0
4-
احتیاج نداشتن به FLOW CALIBRATION:
این جریان سنجهانیازی به کالیبراسیون بر روی TEST BENCH و با جری????ان سیال ن?????ارد و میت???اندرمحل آن????ا کالیب????ه نمود (DRY CALIBRATION) وبنابراین از این نظر نیز دارایمزیت خوبی میباشد0
5-
عدم افت فشار سیال :
بعلت نداشتن هیچ قطعه متحرکیدراین دستگاهها طبیعتا" هیچ گونه افت فشاری برخلاف آنچه در جریان سنجهای نظیر ORIFICE METER مشاهده میشود وجود نخواهد داشت و این مسئله بخصوص در خطوط انتقالحائز اهمیت بیشتری میباشد0
6-
هزینه های نصب و عملیاتی پائین :
این دستگاههاهزینه های نصب پائینی دارند و بدلیل عدم نیاز به طول مستقیم زیاد قبل و بعد ازدستگاه هزینه های ساخت ایستگاه نیز پائین خواهد آمد این قضیه انعطاف پذیری جهتاستفاده از این دستگاهها را بالا می برد و بدلیل پتانسیلهای زیادی که در دستگاهتعبیه شده نظیر تشخیص عیب خودکار(SELF DIAGNOSTIC) ، عدم تعمیرات و 000 هزینه هایعملیاتی را بسیارکاهش خواهد داد0 درهرصورت شاید این جریان سنجها تنها جریان سنجیباشد که همه مزایایی که برای دستگاههای دیگر قابل ذکر است یکجا درخود دارد 0و بههمین دلیل است که از لحاظ رشد مصرف درچند سال گذشته سریع ترین رشد را داشته است0
معایب :همه دستگاههای اندازه گیری دارای معایبی میباشند ولی درمقایسه با سایردستگاهها معایب این دستگاه بسیار کم و ناچیز میباشد 0 شاید کلیه معایبی که برای ایندستگاهها قابل پیش بینی میباشد بتوان به شرح ذیل ذکر نمود0
1-
عدم وجوداستاندارد در مورد این جریان سنجها :
درحال حاضر استانداردی درمورد ایندستگاهها وجود ندارد ولی نظر به اهمیت و پتانسیلهای بسیار زیاد آنها انجمن گازآمریکا پس از چند سال تحقیق و مطالعه گزارش شماره 9 خودرا (AGA9) درسال 1998 دربارهاین جریان سنجها ارائه نمود که با انتشار آن رشد فروش این دستگاهها بسیار افزایشیافت و هم اکنون نیز کمیته فنی ISO درحال تدوین استاندارد جهت این جریان سنجهامیباشند که احتمال میرود در یک یا دوسال آینده منتشر گردد و طبیعی است باانتشاراستاندارد I SO تغییرات شگرفی در استفاده از این دستگاهها بوجود خواهد آمد0لازم بذکر است بعضی ازشرکتهای سازنده ، دستگاههای التراسونیک ACCURACY یا RELIABILITY دستگاههای خود را به ت??ید مراجع کالیبراسیون معتبر جهانی نظیر PTB آلمان NMI هلند ، DTI انگلیس رسانده اند و م??سات مذکور ACCURACY دستگاههای شرکتهایسازنده را با توجه به آنچه در CATALOGUE های خود منتشر کرده اند ت??ید نموده اند0همچنین در ساخ???? دستگاههای مذک????????ر استاندارده?ایOIML R60 وD11 نیز مد نظرقرارگرفته اند0
2-
اثرات NOISE دراندازه گیری :
شاید بتوان گفت که تنها عیبجریان سنجهای التراسونیک اثر NOISE موجود در سیستم بر روی دقت اندازه گیری میباشد ،نظر به اینکه دستگاههای فوق درمحدوده فرکانسی 100-20 KHZ عمل مینمایند سروصداهایغیرقابل تشخیص با گوش انسان(NONAUDIABLE) بر روی اندازه گیری اثر میگذارد این مسئلهبخصوص درنقاطی که از شیرهای تقلیل فشار تحت عنوان LOW NOISE استفاده میگردد آشکارمیشود0
ب???ای رف????ع این مشک?????ل شرکتهای سازنده پیشنهاداتی ارائه نمودهاند که استفاده از SILENCER و تغییراتی در طراحی ایستگاه و FILTER کردن SIGNAL هااز راههائی است که پیشنهاد شده است0
بطورخلاصه میتوان گفت : نظر به مزایایبسیار زیاد وقابل توجه دستگاههای مذکور و معایب بسیارکم آنها ، شاید تنها یک موردکه آنهم با تغییراتی و صرف هزینه اولیه، تا حدود زیادی قابل رفع میباشد بتوان گفتکه درحال حاضر یکی از دستگاههائی که میتوان به عنوان یک دستگاه اندازه گیری مناسبدر اکثر شرایط کاری (واحدهای عملیاتی ، خطوط انتقال ، ایستگاههای اندازه گیری و000 ) از آن استفاده نموده جریان سنجهای التراسونیک میباشند0 درکشورما نیز با بررسیهائیکه نویسنده انجام داده است در بعضی از نقاط از جریان سنجهای التراسونیک استفادهمیگردد که ازآنجمله میتوان به نصب دو عدد جریان سنج التراسونیک بر روی محصولصادراتی پتروشیمی بندر امام خمینی در واحد C.F وUFMهای پتروشیمی فجر وطراحی UFM جهتپالایشگاه گاز عسلویه اشاره نمود0
د- VORTEX FLOW METER :
یکی دیگر ازانواع جریان سنجهای موسوم به NEW TECHNOLOGY که جهت اندازه گیری گاز به روش CUSTODY TRANSFER بکار میرود جریان سنجهای نوع VORTEX میباشد این جریان سنجها یکی از انواعجریان سنجها میباشد که رویکرد کنونی صنعت به سمت آن میباشد .مبنای کاراین جریانسنجها براساس پدیده VON KARMAN میباشد0 برمبنای این پدی????ه جریان اط??راف یک BLUFF BODY تولید گردابه هائی (VORTEX) مینماید ( دریک VORTEX METER ، BLUFF BODY قسمتی از دستگاه میباشد که قسمت جلو آن مسطح بوده و بصورت عمودی نسبت به وجه مسطحآن درمقابل جریان نصب میگردد) 0
سرعت جریان متناسب با فرکانس تشکیل VORTEX هامیباشد و سپس بوسیله ضرب سطح مقطع دستگاه در سرعت جریان مقدار FLOW RATE بدست میآید0 Q= A*V
یعنی دستگاه ابتدا بوسیله اندازه گیری تعداد VORTEXهای تشکیل شدهسرعت جریان را محاسبه مینماید و سپس با داشتن سرعت و سطح مقطع FLOWRATE قابل محاسبهمیباشد0


مزایا :

1- نداشتن قطعه متحرک :
این جریان سنجها هیچگونه قطعه متحرکی ندارد وتنها یک BLUFF BODY در جلو دستگاه و بصورت ثابت در مسیر جریان قراردارد و بنابراینهزینه های ناشی از تعمیرات در اثر قطعات متحرک درآنها کم میباشد0
2-
هزینه نصبپائین :
این دستگاهها درمقایسه با جریان سنجهای قدیمی نظیر ORIFICE METER هزینههای نصب پائین تری دارند 0

3- RANGEABILITY
مناسب :
یکی ازمزایای ایندستگاهها RANGEABILITY مناسب آنها میباشد که طبیعتا" بالا بودن این پارامتر قابلیتمناسبی به یک دستگاه اندازه گیری میدهد0 این میزان در فشارهای بالا به 50:1 افزایشمی یابد ودر مقایسه با ORIFICE METERها که دارای RANGEABILITY 3.5:1 میباشند مقدارمذکور قابل توجه میباشد 0 ولی این میزان درمقایسه با جریان سنجهای ULTRASONIC درحدمتوسط خواهد بود.
4- ACCURACY :
از بعد دقت و خطاهای احتمالی این دستگاهاقابلیت مناسبی دارند ACCURACY رایج پیشنهادی جهت این دستگاهها ?1% میباشد که دربعضی از سازندگان این میزان را ?0.5% بیان کرده اند که مورد اخیر قابل توجه میباشدو از بعد اندازه گیری اهمیت فراوانی دارد0
5-
طول مستقیم مورد نیاز قبل و بعدازدستگاه :
برای این جریان سنجها طول مستقیم مورد نیاز قبل و بعد از دستگاهبرای دستیابی به دقت لازمه و در انواعی که دارای ACCURACY بالاتر می باشد 20D قبلاز دستگاه و 5D بعد از آن بعلاوه FLOW STRAIGHTNER پیشنهاد شده است، بسته به شرایطمیتوان این طول رابه 10D قبل و 5D بعد از دستگاه کاهش داد0
معایب :
1-
حساسیت دستگاه نسبت به سرعت پائین :
این دستگاهها درسرعت های پائین و در REYNOLDS NO زیر 10000 کارکرد مناسبی ندارند البته این عدد از یک نمونه به نمونهدیگر متفاوت میباشد0 لازم بذکر است که در سیستم اندازه گیری گاز و درعمده ایستگاههامقدار عدد رینولدز بسیار بیش از حد ذکر شده میباشد و بنابراین درایستگاههای اندازهگیری مشکل فوق بوجود نخواهد آمد0
2-
حساسیت نسبت به پیچش و چرخش (SWIRL) درجریان :
VORTEX FLOW METER
ها نسبت به وضعی????? PROFILEجریان حس?اس میباشندو ایجاد SWIRL درجریان درآنها ایجاد خطا می نماید (ORIFICE METERها نیز چنین وضعیتیدارند) بنابراین برای جلوگیری از خطای احتمالی استفاده ازFLOW CONDITIONER لازم میباشد0
مطالبی که عنوان گردید کلیاتی بود درباره چهار دستگاه اندازه گیری رایج،شامل: دو نوع قدیمی یعنی ORIFICE و TURBINE و دونوع باتکنولوژی جدید یعنیULTRASONIC و VORTEX که البته سعی شده وضعیت گاز کشور و بخصوص نیاز مدیریت گازرسانی و فروش درذکر مزایا و معایب آنها دخیل باشد0
جمع بندی :
هردستگاه اندازه گیری دارایمزایا و معایبی میباشد طبیعی است بسته به شرایط ، کاربرد و نیازمندی هر سیستمی،میتوان از دستگاههای اندازه گیری مناسب استفاده نمود. نظر به قابلیت بعضی ازدستگاهها میتوان از آنها در موقعیت های مختلف استفاده کرد0
دستورالعمل زیر رامیتوان جهت انتخاب FLOW METER مناسب برای هر سیستمی بکار برد0
1-
هرجریان سنجیبراساس یک اصل و قاعده فیزیکی عمل می نماید که این اصل وقاعده FLOW RATE را با یکسری ازشرایط مرتبط میسازد0 شاید بتوان گفت قاعده فیزیکی مربوط میتواند الگوی کاربررا مشخص سازد ( بعنوان مثال ایجاد افت فشار، پدیده DOPPLER، پدیده VON KARMAN ، KINETIC ENERGY و000)0
2-
یک لیست کامل از معیارهای کاربردی تهیه شود این لیستمیتواند شامل نوع سیال (گاز ، مایع ،000) نوع اندازه گیری (حجمی یا جرمی) ، اندازهقطر لوله ، فشار عملیاتی، دمای عملیاتی ، شرایط سی??ال ( تمی??ز، دارای آلودگی) درنظ??ر گرفتن PROFILE جریان ، شرایط ایستگاه از لحاظ PIPE CONFIGURATION , VISCOSITY سیال ، DENSITY سیال ، حدود تقریبی REYNOLDS NO و یا موارد دیگر باشد0 از جریانسنجهائی که بهترین شرایط را در مرحله اول داشتند آنهائی را که با شرایط موجود درمرحله 2 تطابق دارند انتخاب گردد0
3-
لیستی ا زمعیارهای بازدهی و راندمان تهیهشود0 این لیست میتواند شامل پارامترهای مهمی نظیر، RELIABILITY , UNCERTAINTY , ACCURACY ,RANGEABILITY و 000 گردد0 سپس از بین جریان سنجهای انتخابی در مرحله 2جریان سنجهائی که با شرایط کاری در مرحله 3 مطابقت دارد انتخاب گردد0
4-
یکلیست درمورد معیارهای هزینه ای تهیه گردد0 این لیست میتواند شامل هزینه های ثابت ومتغییر باشد ، هزینه های نظیر قیمت تمام شده دستگاه ، هزینه های تعمیر و نگهداری ،هزینه های مرتبط با ساخت ایستکاه ( نظیر طول مستقیم مورد نیاز قبل و بعد ازدستگاه که به هزینه های ایستگاه می افزاید) هزینه های نصب ، واز همه مهمتر هزینههائی که خطاهائی احتمالی بوجود خواهند آورد0 از میان جریان سنجهای منتخب درمرحله 3آنهائی را که با شرایط ذکر شده در مرحله 2 تطابق دارند انتخاب گردد0
5-
یک لیستاز سازندگان مطرح جریان سنجهای انتخابی تهیه شود 0 با بررسی سوابق ، توانمندیها،امکانات آموزشی سازنده و خدمات پس از فروش و000 سازندگان مناسب انتخاب گردد0 6- پسازانجام موارد فوق با توجه به جریان سنجهای منتخب درمرحله 4 و سازندگان و فروشندگانمنتخب در مرحله 5 با دوره ای مجدد بر روی پارامترهای عملیاتی ، راندمان و هزینه هامیتواند جریان سنج مناسب را انتخاب نمود0
با بررسی اجمالی مقالات ، کاتالوگها ونظر به سوابق موجود و نیز سوابق نویسنده نشان میدهد که ACCURACY و RELIABILITY دومعیار راندمان میباشند که در انتخاب FLOW METER ها در دنیا بیشترین اهمیت را دارامیباشند 0 دلیل آن هم همانطور که قبلا" مکررا" اشاره شد اثراتی است که ACCURACY برهزینه های تحمیلی به شرکت مربوطه تحمیل می نماید 0
نظر به تنوع ایستگاههایموجود در مدیریت گازرسانی و فروش (اندازه گیری/تقلیل فشار) و فشارکاری متفاوت و حجمعملیاتی متفاوت و نیز گستردگی دیگر پارامترهای عملیاتی توصیه میشود در زمینه انتخاب FLOW METER دقت وافی و کافی انجام پذیرد0
شاید استفاده از ORIFICE METER ها درایستگاههای با ظرفیت پائین و حداکثر و حداقل مصرف 3:1 مناسب باشد ولی نظر بهمحدودیتهای متعددی که دراین دستگاه اندازه گیری وجود دارد استفاده از آن درایستگاههای با ظرفیت بالاتر و نیز تغییرات بار وهمچنین تغییرات FLOW PROFILE به هیچوجه توصیه نمیگردد0
مطالعات متعددی که درنقاط مختلف جهان انجام گرفته نشاندهنده جایگزینی ORIFICE METER ها با دستگاههای با دقت بالاتر وااطمینانبیشتر میباشد که از آن جمله میتوان جایگزینی ORIFICE METER ها درشرکت GASUNIE هلند( یکی از بزرگترین ارسال کنندگان گاز اروپا) با TURBINE METER در سال 1989 میباشدشرکت مذکور در سال 89 میلادی79 بیلیون مترمکعب گاز ارسال میکرده است و البته همینشرکت درسالها بعد جریان سنجهای ULTRASONIC را جایگزین TURBINE METER ها نموده واینامر نشان دهنده اهمیت به پارامترهای راندمان دستگاه میباشد این قضیه در کشورهایدیگر ازجمله در استرالیا ، آلمان و حتی آمریکا نیز وجود داشته (موارد ذکر شده مستندو موجود میباشد) و درحال حاضر نیز بسیاری از شرکتها درحال جایگزینی جریان سنجهای ازنوع TRADITIONAL با جریان سنجهای با تکنولوژی جدید میباشند 0 درشرکت ملی صنایعپتروشیمی و درطرحهای جدید نیز د رمواقعی که حساسیت اندازه گیری بیشتر میباشد و نیازبه اطمینان بیشتر احساس میشود از دستگاههائی نظیر VORTEX، ULTRASONICوCORIOLIS استفاده میگردد.بعنوان مثال با بررسیهای انجام شده د رمورد وضعیت نصب جریان سنجهایمذکور در کشور تنها یکی از شرکتهای طراحی و مشاوره تعداد 50 عدد VORTEX نصب نمودهاست که شامل 15 دستگاه د رواحد متانول خارک ساخت شرکت FISHER- ROSEMOUNT 5 دستگاهدر واحد BUTANE 1 ساخت شرکت KROHNE و 30 دستگاه در پالایشگاه آبادان ساخت شرکت YOKOGAWA میباشد. همچنین در مجتمع پتروشیمی شهید تندگویان وواحدهای MTBEوآروماتیکمجتمع پتروشیمی بندر امام خمینی نیز از این نوع جریان سنجها استفاده شده است.
البته نظر به اهمیت موضوع ونیاز به بررسی کامل وجامع شاید نتوان دریک خرید ،سیستم اندازه گیری یک سازمان را تغییر داد و میبایست با مطالعه ، آزمایش و بازدیدازنقاط مختلف داخل و خارج بررسیهای بیشتری انجام داد در پایان قابل ذکر است مطالبعنوان شده دراین مقاله ونیز مطالبی که درمقاله قبل بیان گردید گوشه ای از مسائلمرتبط با جریان سنجها میباشد و هدف از نگارش آنها اطلاع رسانی بوده است .

 

فلومترهای نوری مورد استفاده در صنعت گاز

مقدمه
تاکنون روش های مختلفی برای اندازه گیری فلو و دبی گازها و مایعاتابداع گردیده است که هر کدام دارای مزیت ها و معایب مربوط به خود می باشند. یکی ازجدیدترین ابداعات در این زمینه، فلومترهای نوری مورد استفاده در صنعت گاز می باشد. با توجه به شاخص های مهمی که در بحث ابزار دقیق در مورد گاز طبیعی مطرح می باشد، وبا توجه به ویژگیهای بارز این فلومتر آن را برای استفاده وسیع در این صنعت مطرحنموده است. در ادامه به معرفی ساختار و روش کارکرد این فلومتر خواهیم پرداخت. اینمقاله در شماره چهارده مجله امواج برتر، اولین ماهنامه تخصصی برق ایران منتشرگردیده است.


اول - بررسی اصول فلومترهای نوری
در این بخش بهمعرفی فلومترهای نوری مبتنی بر اساس سیستم های لیزری دوکانونی خواهیم پرداخت.

1-
اساس اندازه گیری لیزرهای دوکانونی
اساس عملیاتی فلومترهایگازی نوری، بر مبنای سرعت سنجی لیزرهای دو کانونی L2F میباشد. در شکل شماره 1 نمایگرافیکی این سیستم به طور ساده نشان داده شده است. در این سیستم اجزاء کوچکی کههمراه گاز طبیعی و گازهای صنعتی می باشند، از بین دو کانون پرتو لیزر در لوله، بااپتیک های روزنه روشنایی عبور می کنند. هنگامیکه اجزاء، پرتو1 را قطع کنند، نورلیزر پراکنده می شود. اپتیک های ردیابی، نورهای پراکنده را روی فتودکتور P1 جمعآوری نموده و یک سیگنال پالس تولید می کنند. وقتی ذرات پرتو دیگر را قطع کنند،اپتیک های ردیابی نور پراکنده را روی فتودکتور دومP2 جمع نموده و نور دریافتی را بهیک پالس الکتریکی دوم تبدیل می کنند.


شکل 1- اصول کارکرد سرعت سنج های L2F



با اندازه گیری فاصله زمانیبین این دو پالس، ،سرعت گاز از فرمول شماره 1 محاسبه می شود:

(1)

در این فرمول d فاصله بین پرتوهای لیزر است.
به این دلیل که اجزاء در جریان متلاطم، کاملا بهطور محوری حرکت نمی کنند و سایز و شکل آنها نیز تصادفی است، سرعت واقعی گاز با روشپیچیده تری محاسبه می شود.

2-
دقت روش:
سرعت خطی گاز می تواندبا دقت بالایی با استفاده از روش L2F ناشی از اندازه گیری زمان عبور ذرات اندازهگیری شود. با توجه به معادله (1)، خطای سرعت، ; ، می تواند توسط معادله 2تخمین زده شود:

(2)

کهوبه ترتیب، خطاهای فاصلهپرتوهای اپتیکال وزمان لغزش هستند. بعنوان مثال برای خطای فاصله پرتوهایاپتیکال، ، با فاصلهپرتو d=1mm با خطایی برابر،کمتراز 0.1% داریم. خطایزمان لغزش می تواند حتی کوچکتر هم باشد. مقدار آن می تواند توسط فرکانس نمونهبرداری، مشخص شود. برای مثال، خطای سرعت، در یک مبدل آنالوگ به دیجیتال با فرکانس 100 مگاهرتز، کمتراز 0.02% گزارش شده است.
تعداد ذراتی که بطورموثر پرتوهای لیزری را قطع می کنندبا N نشان داده می شوند و خطای تخمینی آن برابر بامی باشد. تبدیل سرعت خطیاندازه گیری شده در یک نقطه به یک سرعت متوسط، بخاطر پروفایل سرعت و تلاطم، منجر بهخطای بزرگتری می شود. اگرتلاطم جریان بیشتر از 4% نباشد، تمام خطای اندازه گیر L2F می تواند کمتر از 0.5% باشد.

مقدار N توسط فاکتورهای ذیل محاسبه می شود:
الف) عوامل خود اندازه گیر شامل: اثر پراکنده کردن و جمع آوری سیستم هایاپتیکال، قدرت آشکارسازی فتودکتورها، توان لیزر و طول موج ها
ب) خلوص گاز متحرکدر خطوط لوله
ج) سرعت جریان گاز و سطح تلاطم

فتودکتورها از نوعفتودیودهای بهمنی می باشند که میزان فوتون های دریافتی را ثبت می کنند. استفاده ازاین فتودکتورها باعث می شود که سرعت سنج L2F با استفاده از لیزرهای کم توان قادر بهاندازه گیری مطلوب گردد. لیزرهای نیمه رسانای تولید شده از جرم، توانی بین 1 الی 5میکرووات را توسط فیبرهای نوری تک حالته Single-Mode تولید می کنند که می توانندبطور موثری در یک نوار اندازه گیری با عرض 20 الی 30 میکرومتر در یک لوله با سایز2تا 6 اینچ، متمرکز شوند. قسمت جمع آوری نور باید طوری طراحی شود که نورهای پراکندهاز 0 الی 5/2 درجه را جمع آوری کند. اثر پراکندگی نور توسط سایز ذرات و طول موج هاتعیین می شود. با توجه به آزمایشات صورت گرفته، سرعت سنج های L2F فعال شده در باند IR(850nm) برای اندازه گیری سرعت هوا همراه با ذراتی که مینیمم سایز آنها حدود 0.3میکرومتربوده، توانا میباشند. کوتاه شدن طول موج های لیزر، مینیمم سایز ذره قابلردیابی را تا کمتر از 0.1 میکرومتر کاهش می دهد.
پایین آوردن سرعت گاز، تعدادذرات قابل ردیابی را کاهش می دهد. در یک مینیمم سرعت مشخص،، OFM نمی تواند حرکتارگانیزه شده ذرات را از حرکت تصادفی آنها که ناشی از تبادل گرما است، تشخیص دهد. ، مینیمم سرعت اندازهگیری شده سیال را تعیین می کند و بنابراین محدوده قابل تغییر اندازه گیر را مشخص میکند.

3-
نسبت برگشت
OFM
نسبت برگشت یا قابلیت تغییر پذیری بهشدت بالایی را عرضه می کند که می تواند برای سرعت سنج های L2F بعنوان ،، بدون درنظر گرفتن ضریبتراکم پذیری تعریف شود. ماکزییم سرعت که در حین آزمایش سرعت سنج L2F در هواپیماییبا سرعت مافوق صوت گزارش شده است برابر= است. همچنین گزارش مربوطبه یک بادسنج استفاده شده در توربوماشین، برابراست. گرچه این قبیل سرعتهادر خطوط لوله گاز طبیعی خیلی بعید است، اما این ظرفیت بالای سرعت سنج هایL2F رانشان می دهد.
با یک OFM 2 اینچی، مینیمم سرعت قابل ردیابی در فشاراتمسفریک، گزارش شدهاست. همان OFM در فشار بالای خط لوله گاز طبیعی با نازل سونیک با سرعتآزمایش شده است. بنابراینفلومترهای نوری قابلیت تغییر پذیری بیشتر از 1000:1 را نشان می دهد.


دوم - طراحی فلومترهای نوری OFM
فلومترهای نوری شامل یک هدنوری و یک واحد پردازشگر سیگنال متصل به یک کابل فیبر نوری می باشند. در ادامه بهطور خلاصه به بررسی قسمت های مختلف آن خواهیم پرداخت.

1-
هد نوری:
هد اصلی OFM طوری طراحی شده است که برای کنترل فوتونی، در فلنج های استاندارد ANSI مناسب باشد. در شکل شماره 2 این موضوع نشان داده شده است.
هدنوری ضدزنگبرای یکی کردن و جمع آوری مجموعه سیستم های نوری ساخته شده است. این مجموعه ها بطورعمودی نسبت به روزنه فلنج مستقر شده و توسط پنجره های نوری نصب شده اند. پنجره هایپیرکس از نظر بدنه بطور خیلی محکمی، مهمور شده اند و انحناء یکسانی با لوله دارند. بنابراین وجه مشترک شیشه با فلز طوری مسطح است که اختلالی برای جریان گاز بوجودنیاورد. پنجره های سیلیکات آلومینیوم و منیزیم برای کاربردهای سخت تری مثل بخاراشباع و نیتروژن تحت فشار بالا وغیره... استفاده می شوند.
اگرچه اندازه گیریهایچندنقطه ای و چند گروهی دقت بیشتری دارند، اما اغلب هد های نوری برای اندازهگیریهای تک نقطه ای در مرکز لوله یا در فاصله یک چهارم شعاع از دیواره قرار میگیرند.


(
الف) (ب)
شکل2- هد نوری 2 اینچی قبل از سرهم بندی(الف) هدنوری 2 اینچی سرهم بندی شدهبا کابل فیبر نوری(ب)



2-
واحد پردازش سیگنال:
واحدپردازش سیگنال یا تبدیل کننده نور- الکترونیک، روی یک تابلو که توسط یک جعبه محافظتمی شود، قرار گرفته است. این بخش در شکل شماره 3 نمایش داده شده است. این سیستم براساس یک SP با فرکانس150 مگاهرتز با یک تبدیل کننده آنالوگ به دیجیتالی باطراحی شده است. این سیستمدارای ورودیهای مخابره کننده فشار ودما می باشد بطوریکه می تواند بطورکامل برای همهمحاسبات جریان برنامه ریزی شود.


شکل3- واحد پردازش سیگنال فلومترنوری



این قسمت دارای خروجی های mA 20-4، پالس و فرکانس می باشد. همچنین این سیستم می تواند از طریق RS232 یا RS485 بادستگاههای دیگر ارتباط برقرار نماید. این بخش دارای ولتاژ تغذیه 24VDC و مصرف توان W 3 می باشد.

3-
کابل فیبر نوری:
کابل فیبر نوری از فیبرهای تکحالته و چند حالته می تواند انتخاب گردد single-mode و multi-mode این فیبرها توسطیک محافظ فلزی انعطاف پذیر و روکش داخلی/خارجی PVC ضد آب محافظت می شوند. طولاستاندارد کابل 20 متر است اما می توان تا فاصله 100 متر نیز از آن استفاده نمود. در شکل شماره 4 این موضوع نشان داده شده است.


شکل4- یک کابل نوری فیبرهای single-mode و multi-mode را ترکیب میکند




سوم - نحوه نصب و ویژگیها
یکی ازمزایایآشکار OFM ، نصب سریع آنها است. این مساله به خاطر نازکی هدهای نوری می باشد. در یکفشار بالای خط لوله، هدهای نوری نشان داده شده در شکل 2 می توانند در کمتر از 1ساعت بدون تعویض لوله مورد عمل، در بین فلنج ها نصب شوند. در شکل شماره 5 یک هدنوری را که برای اندازه گیری گاز در دریچه باز شده به اتمسفر، نصب شده است، نمایشداده شده است.


شکل5- یک هدنوری2اینچی نصب شده روی دریچه لوله



سیستم های نوریبطورافقی نصب می شوند. این مساله در شکل شماره 6 نمایش داده شده است. بنابراین، بادخالت پرتو لیزر، از چگالش ممانعت می کنند. هرچند، این تجهیزات در بعضی کاربردهاازقبیل اندازه گیری بخار اشباع یا مرطوب در جاییکه هد نوری می تواند در جهت عمودینصب شود تا مقدار آب جمع شده در کف لوله را تخمین بزند، اما معتبر نیستند. شکل 7مجموعه اجزاء اصلی فلومترهای نوری را نشان می دهد.


شکل 6 - یک هدنوری 2 اینچی نصب شده



1-
دما و فشار عملیاتی
OFM
برای فشار 50 بار، آزمایش شده است. این عدد فشار عملیاتی خطوط لوله گازاست. اگر پنجره های سیلیکات آلومینیوم و منیزیم استفاده شوند، فشار عملیاتی میتواند تا 1000 بار اضافه شود.
نوع فلومتر دما پایین در 120 درجه سانتی گراد کارمی کند، این محدودیت دما توسط چسب نوری استفاده شده برای اتصال محاسبه گر های نوریو فیبرهای نوری تنظیم کننده، مشخص شده است. نوع دما بالای OFM در شرایط دمایی 300درجه سانتی گراد کار می کند. برای این شرایط، اجزاء نوری مجزا و فیبرهای کاتد اندودپلی ایمید، استفاده می شوند. اگر اپتیک های کوارتز استفاده شوند و کاتد های مخصوصبرای فیبرها بکاربرده شوند، دمای فرآیند می تواند تا 500 درجه سانتی گراد اضافهشود.
در ادامه و جهت آشنایی بهتر با ویژگیهای فلومترهای نوری یک نمونه واقعی رامورد بررسی قرار می دهیم.
فلومترهای 2 اینچی و 4 اینچی در سال 2004 در چندینآزمایشگاه کالیبراسیون گاز آزمایش شده اند. شکل 8، یک هد نوری 4 اینچی نصب شده درحلقه کالیبراسیون گاز طبیعی در فشاربالارا نشان می دهد.
نتایج آزمایش صورتگرفته به طور خلاصه به شرح زیر می باشند:
-
خطوط لوله گازطبیعی، مقدارکافی ازذرات را برای اندازه گیری قابل اطمینان سرعت گاز برحسب متر بر ثانیه در حدود 100متر بر ثانیه فراهم می کنند.
-
اندازه گیری تک نقطه ای دقتی بهتر از%2 را دارامی باشد.
-
با طولانی تر کردن زمان، خطا می تواند تا زیر %1 کاهش یابد.
-
فلومترهای 2 اینچی و 4 اینچی دارای دقت یکسانی هستند.
-
پنجره های زنگ زده شدهدر خطوط لوله ردیابی نشده اند.


شکل 7 - مجموعه اجزاء اصلی فلومتر نوری، هد مکانیکی نوری
1-
هد مکانیکی نوری
2-
واحد پردازش الکتریکی-نوری
3-
کابل خرطومی فیبر نوری

 


شکل8- یک فلومتر نوری 4 اینچی نصب شده در تسهیلات آزمایشی گازطبیعی




4-
مزایای فلومترهای نوری
در ادامه بهبرخی از مهمترین مزیت های این فلومترها اشاره خواهیم نمود:
-
اندازه و شکل:
از آنجا که اندازه گیری باید در مسیر مستقیم محور لولهانجام شود و این فلومترها نیاز به طول خیلی کوچکی دارند، قرار دادن فلومترهای نوریدر جریان موجود هزینه ای در بر ندارد و در خطوط جدید نیز دارای هزینه خیلی پایینیمی باشند.
-
اندازه گیری رنج جریان سنگین و دقت بالا:
اندازه گیرهای نوری قادر به اندازه گیری جریان با دقتی بهتر از 0.5% می باشندکه آن را برای اندازه گیری گاز و کاربردهای انتقال مناسب می سازند و می توانندجایگزین مناسبی برای اریفیس مترها باشند.
-
ایمنی برای چرخشها یا جریانهای غیر محوری:
یک مزیت عمده فلومترهای نوری این است که چرخشگاز در خطوط لوله تاثیری روی اندازه گیری فلومتر ندارد، درحالییکه در فلومترهایدیگر باعث خسارت ها و هزینه های زیادی می شود.
-
هیچ انسدادیدر لوله ها وجود ندارد:
چون هیچ عنصری در لوله وجود ندارد که برآمدگیداشته باشد، هیچ افت فشار یا اثر دیگری ناشی از اندازه گیردرجریان وجود ندارد. اینمساله می تواند باعث صرفه جویی در هزینه ها و سرویس های تنظیم مجدد هوای خط لولهشود و از خسارتهای نامتعارف جریان جلوگیری می کند
-
تواناییبرای عملیات در گستره وسیعی از فشارها:
این وسیله در هر فشارعملیاتی ازاتمسفریک الی 1000 بار تنظیم می شود، که این مزیت، آن را برای کاربردهای وسیعی،مناسب می سازد.
-
سنسورهای نوری یکپارچه:
سنسورهایفشاری و دمایی می توانند با یکدیگر در یک محفظه اپتیک همراه باشند، که باعث استحکاممی شود.
-
اندازه گیری جریانهای دوسویه:
اندازهگیرهای نوری جریان، می توانند در هر جهتی برای کاربردهایی که جریان باید برگشتهشود، استفاده شوند.
-
کاربرد درجریانهای چندفازی:
این فلومترها می توانند به خاطر خواص نوری مجزا، جریان های گاز با جزئی از مایعرا تشخیص دهند.
-
محدوده سرعت:
محدوده سرعت اینفلومترها، از 0.1 متر بر ثانیه الی 105 متربرثانیه می باشد.


 
با تشکر ازگردآورندگان:
جواد داوودآبادی
حمیده شیخانی

 

مطالب قدیمی تر »
نویسندگان وبلاگ:
کدهای اضافی کاربر :