فلومتر مغناطیسی چگونه کار می کند؟

سنسورهای جریان مغناطیسی یک نوع دبی سنج (فلومتر) بسیار رایج هستند که در طیف وسیعی از کاربردها و اندازه خطوط مفید هستند.

اندازه‌گیری دقیق و قابل تکرار جریان برای فرآیندهای صنعتی، از جمله جریان‌های خوراک، حلقه‌های بازچرخانی مخزن، خطوط انتقال محصول و موارد متعدد دیگر الزامی است.

در این مقاله موارد زیر را یاد خواهید گرفت.

• شما را با اصول کار سنسور جریان مغناطیسی آشنا می کنیم.
• ویژگی های فیزیکی یک حسگر جریان مغناطیسی را که آن را برای کنترل فرآیند ارزشمند می کند، توصیف می کنیم.
• روش هایی را که می توان حسگرهای جریان مغناطیسی را در یک سیستم اندازه گیری و کنترل ادغام کرد، شرح خواهیم داد.

سنسور جریان مغناطیسی چیست؟

سنسورهای جریان مغناطیسی سرعت جریان مایع را به یک سیگنال الکتریکی قابل اندازه گیری تبدیل می کند که اندازه آن متناسب با نرخ جریان است.

فلومترهای مغناطیسی فاقد قطعات متحرک یا انسداد مسیر جریان داخلی هستند، بنابراین کالیبراسیون و نگهداری از آنها آسان است.

ویدئوی مربوط به این پست در واحد تحقیقات موسسه موتور درایو ترجمه و زیرنویس شده است که در ادامه ملاحظه می کنید

از آنجایی که فلومترهای مغناطیسی معمولاً به اندازه لوله‌های بالادست و پایین دست خود هستند و در ناحیه سنسور قطر لوله تغییر نمی کند. عملاً هیچ افت فشاری بواسطه فلومتر وجود ندارد، که می‌تواند برای برخی جریان‌ها مانند دوغاب‌های غلیظ بسیار سودمند باشد.

بنابراین بیایید نگاهی به این ویژگی ها و مشخصات فلومتر مغناطیسی بیندازیم. ما توضیح خواهیم داد که آنها چگونه کار می کنند، چه زمانی از آنها استفاده کنیم، و چه چیزهایی برای انتخاب سنسور مناسب برای کاربری شما باید مشخص شود.

سنسورهای جریان مغناطیسی اغلب مگ متر (mag meters) نامیده می شوند و ما با استفاده از این مخفف به آنها اشاره خواهیم کرد.

جادو در آهنربا است

بیایید به ویژگی های فیزیکی چگونگی تبدیل سرعت یک جریان به سیگنال جریان الکتریکی که می تواند در یک سیستم کنترل استفاده شود نگاهی بیاندازیم.

قبلاً اشاره کردیم که مگ متر سرعت یک جریان را به یک سیگنال الکتریکی قابل اندازه گیری تبدیل می کند. چگونه این اتفاق می افتد؟

مگ مترها معمولاً سنسورهای تمام سوراخ هستند، به این معنی که مسیر جریان داخلی به همان قطر اتصالات بالادست و پایین دست است

این ساختار هرگونه محدودیت سیال را که ممکن است مسیر جریان را تغییر دهد یا افت فشار ایجاد کند، از بین می برد.

سیال در یک خط مستقیم از سوراخ سنسور از مگ متر عبور می کند. این هندسه منظم و استوانه ای همچنین اجازه می دهد تا یک میدان مغناطیسی ثابت و جهت دار در قطر مسیر جریان برقرار شود.

جادویی که سیگنال جریان را ایجاد می کند در آهنربا است! مگ متر توسط یک آهنربای دائمی با هسته آهنی احاطه شده است که میدان مغناطیسی را با خطوط شار مغناطیسی ایجاد می کند که به صورت عمودی از کل سطح مقطع لوله و سیال جاری می گذرد.

این هندسه بسیار مهم است. سیال جاری از این خطوط شار مغناطیسی با زاویه 90 درجه یا عمود بر خطوط شار مغناطیسی عبور می کند.

قانون فاراده

در سال 1831، مایکل فارادی مشاهده کرد که ولتاژی در هر رسانایی که در زوایای قائم در یک میدان مغناطیسی حرکت می کند القا می شود این ولتاژ متناسب با سرعت آن هادی است. به این قانون القای الکترومغناطیسی فارادی می گویند.

مطابق با قانون فاراده برای تولید ولتاژ ما باید یک هادی متحرک داشته باشیم.

در کاربری اندازه گیری جریان سیال هادی چیست؟

لازم به ذکر است که که مگ متر ما یک آهنربای دائم ثابت دارد، از اینرو هادی باید سیال در جریان باشد. که در واقع هم همین است.

و همانطور که سیال جاری از میدان مغناطیسی با زاویه قائمه عبور می کند، طبق قانون فارادی، باید ولتاژی ایجاد شود که مقدار آن متناسب با سرعت سیال باشد.

قانون فاراده را می توان به سادگی به این صورت بیان کرد که E متناسب با k × B × V × D است، که در آن:

E ولتاژ تولید شده در مایع است.

K ثابت مخصوص دستگاه اندازه گیری است.

B قدرت یا چگالی شار میدان مغناطیسی است.

V سرعت حرکت سیال است.

D فاصله بین الکترودهای مگ متر است.

EMF یا پتانسیل الکتریکی یا ولتاژ تولید شده توسط دو پایه یا الکترود که به ترانسمیتر مگ متر متصل هستند، حس می شود.

فرستنده یا ترانسمیتر قدرت این سیگنال الکتریکی را به نرخ جریان حجمی تبدیل می کند و خروجی فرستنده را بین 4 تا 20 میلی آمپر تنظیم می کند تا سیگنال آنالوگ مناسب را برای سیستم کنترل تامین کند.

ترانسمیتر یا فرستنده یک نرخ جریان حجمی را خروجی می دهد. دستگاه اندازه گیری (مگ متر) سرعت جریان را اندازه گیری می کند.

قطر مقطع و در نتیجه سطح مقطع ثابت است، بنابراین مقدار اندازه‌گیری شده سرعت بر حسب فوت بر ثانیه ضرب در سطح ثابت بر حسب فوت مربع، نرخ جریان حجمی فوت مکعب در ثانیه را نتیجه می دهد.

این مقدار می تواند به هر واحد جریان حجمی مانند گالن در دقیقه مقیاس شود یا متر مکعب بر ساعت یا لیتر بر دقیقه تبدیل شود.

سیالات رسانا

اما یک پارامتر کلیدی وجود دارد که نمی توان آن را نادیده گرفت که قبلاً به آن اشاره کردیم. برای تولید سیگنال الکتریکی مورد نیاز باید یک هادی متحرک داشته باشیم.

گفتیم سیال جاری رسانا است، بنابراین سیال برای کار با فلومتر مغناطیسی باید رسانا باشد.

رسانایی سیال به چه معناست؟ این بدان معناست که سیال باید بتواند یک بار الکتریکی را هدایت کند، در نتیجه ولتاژی ایجاد می کند که می تواند توسط الکترودهای مگ متر تشخیص داده شود.

هدایت یا رسانایی مایعات با واحد میکروزیمنس بر سانتیمتر اندازه گیری می شود. برخی سیالات نظیر آب دریا، دارای هدایت بالا هستند، و از اینرو جریان آب دریا را می توان با مگ متر اندازه گیری کرد.

از طرف دیگر آب مقطر رسانایی بسیار کمی دارد و نمی توان آن را با مگ متر اندازه گیری کرد.

سرعت جریان روغن های گیاهی و دیگر روغن ها، هیدروکربن ها و اکثر محلول های آلی را نمی توان با مگ متر اندازه گیری کرد.

علاوه بر آب دریا، جریانهای فاضلاب و محلول های یونی مانند اسیدها را می توان به راحتی توسط فلومترهای مغناطیسی اندازه گیری کرد.

سیالات باید رسانایی بزرگتر از 10 میکروزیمنس بر سانتیمتر داشته باشند تا از اندازه گیری جریان خوب با مگ متر مطمئن باشید.

ملاحظات دیگر برای نصب

علاوه بر توانایی اندازه گیری طیف وسیعی از سیالات، فلومترهای مغناطیسی خطی را می توان با تفلون یا سایر مواد برای مقاومت در برابر سیالات خورنده یا فرساینده مانند دوغاب و اسیدها پوشاند.

انواع فلومترهای مغناطیسی

انواع دیگری از فلومترهای مغناطیسی وجود دارد که می توان از آنها استفاده کرد، از جمله نوع ورودی (insertion type) که معمولاً با اندازه لوله های بزرگتر استفاده می شود و فلومترهای مغناطیسی کم جریان (low-flow) که معمولاً ⅛ اینچ تا ½ اینچ قطر دارند.

اتصال به زمین فلومتر مغناطیسی

اتصال به زمین فلومتر مغناطیسی

هنگام نصب دبی سنج (فلومتر) مغناطیسی در لوله کشی فرآیند، رعایت توصیه های سازنده برای اتصال به زمین بسیار مهم است.

سیگنال الکتریکی تولید شده در مگ متر یک ولتاژ DC بسیار کوچک است و ولتاژهای سرگردان در طول لوله به دلیل تجهیزات جوشکاری یا سایر بارهای الکتریکی بزرگ در کارخانه موجود است.

برای لوله های فلزی رسانا، فلنج های بیرونی و بدنه ترانسمیتر باید آب بندی شده و به زمین متصل شوند.

برای لوله‌های پلاستیکی یا سایر لوله‌های نارسانا، حلقه‌های اتصال زمین توصیه شده توسط سازنده باید نصب شوند تا از ولتاژهای سرگردان جلوگیری شود.

همچنین حلقه های زمین برای سیالات با رسانایی کم، کمتر از 100 میکرو زیمنس در سانتی متر توصیه می شود.

ترانسمیتر فلومتر مغناطیسی

ترانسمیتر یا فرستنده ها همیشه با مگ متر استفاده می شوند. آنها ولتاژهای DC کوچک تولید شده توسط سیال جاری را به سیگنال هایی تبدیل می کنند که می توانند به سیستم کنترل متصل شوند.

•  4 تا 20 میلی آمپر
• Profibus PA
• فیلد باس پایه
• لینک IO

مشخصات دبی سنج (فلومتر) مغناطیسی

هنگام تعیین دبی سنج های مغناطیسی، علاوه بر رسانایی سیال و نیاز به حلقه های زمین، باید برخی از جنبه های مهم دیگر را در نظر گرفت.

اگر سیال خورنده یا ساینده است، یک آستر (liner) سازگار باید تخصیص یابد. این آسترها در صورت فرسوده شدن قابل تعویض هستند و دقت اندازه گیری را تحت تاثیر قرار نمی دهند.

دانستن حداقل و حداکثر نرخ جریان برای فرآیند شما می تواند به تعیین محدوده جریانی که یک مدل مگ متر خاص قادر به اندازه گیری آن است کمک کند.

هر مدل دارای یک نقطه قطع جریان کم و حداکثر سرعت است که می تواند به دقت اندازه گیری شود.

اگر لوله همیشه پر از سیال نباشد، دقت جریان تحت تاثیر قرار خواهد گرفت. ممکن است ذکر شود که دستگاه سنجش باید در یک نقطه پایین در لوله یا در یک لوله با شیب رو به بالا نصب شود تا از پر شدن کامل لوله در شرایط عملیاتی اطمینان حاصل شود.

خلاصه

• در این مقاله شما را با اصول کار سنسور جریان مغناطیسی، خواص فیزیکی آن و نحوه استفاده از ماگ متر در سیستم های اندازه گیری و کنترل صنعتی آشنا کردیم.
• ما رابطه خطی بین سرعت سیال جاری و سیگنال الکتریکی ایجاد شده بر اساس قانون فارادی را نشان دادیم.
• استفاده از تکنیک های زمینی مناسب، انتخاب بهترین مکان برای نصب، و درک حداقل و حداکثر محدودیت جریان برای تجهیز اندازه گیری به اطمینان از اندازه گیری دقیق جریان کمک می کند
• بنابراین دفعه بعد که یک فلومتر مغناطیسی را در یک کارخانه نصب کردید، درک بهتری از نحوه اندازه گیری این سنسور ساده و در عین حال پیچیده خواهید داشت.

مرجع

Magnetic Flow Meter Explained | Working Principles

www.realpars.com