قیمت این مقاله: 48000 تومان
(ایران ترجمه - Irantarjomeh)
توضیح
بخش زیادی از این مقاله بصورت رایگان ذیلا قابل مطالعه می باشد.
شماره
۱۸۶
کد مقاله
ELC186
مترجم
گروه مترجمین ایران ترجمه – www.irantarjomeh.ir
نام فارسی
طراحی ترانسمیتر جریان با استفاده از یک شبکه پل اندوکتانس و روتامتر به عنوان حسگر
نام انگلیسی
Design of a Flow Transmitter Using an Improved
Inductance Bridge Network and
Rotameter as Sensor
تعداد صفحه به فارسی
۴۰
تعداد صفحه به انگلیسی
۱۰
کلمات کلیدی به فارسی
ترانسمیتر جریان, شبکه پل اندوکتانس, پیکاپ القایی, روتامتر, سولنئید, مبدل
کلمات کلیدی به انگلیسی
Flow transmitter, inductance bridge network,
inductive pickup, rotameter, solenoid, transducer
مرجع به فارسی
مقالات IEEE در زمینه ابزارهای دقیق و اندازه گیری
دپارتمان مهندسی الکترونیک، کالج ماینز، هندوستان
دپارتمان مهندسی برق، کالج مهندسی آسانسول، هندوستان
دپارتمان فیزیک کاربردی، مهندسی ابزارهای دقیق، دانشگاه کلکته، هندوستان
مرجع به انگلیسی
IEEE TRANSACTIONS ON INSTRUMENTATION AND MEASUREMENT
کشور
هندوستان
طراحی ترانسمیتر جریان با استفاده از یک شبکه پل اندوکتانس و روتامتر به عنوان حسگر
چکیده
یک روتامتر را می توان به عنوان حسگر جریان نوع متغیر و یک شاخص محلی و دستگاه نمایشگر به شمار آورد. بنابراین، یک تکنیک خاص جهت انتقال و نمایش اطلاعات قابل خواندن از یک دستگاه روتامتر در فاصله دوردست مورد نیاز است. در این مقاله، تکنیک نوع ـ پل اندوکتانس ارتقاء یافته جهت تبدیل حرکت شناور روتامتر به یک سیگنال جریان الکتریکی ارائه شده است، که قابلیت انتقال به یک سیستم نشان دهنده از راه دور را خواهد داشت. یک سیم فرومغناطیسی مستقیم به سیستم شناور روتامتر متصل گردیده که عملکردی مشابه با جزء حسگری مبدل روتامتر پیشنهادی را دارد. حرکت این سیم در نتیجه گوناگونی های جریان سیال در داخل یک کویل پیکاپ القایی سبب تغییرات اندوکتانس خودی این کویل با تغییرات در نرخ جریان می شود. یک شبکه پل اندوکتانس ارتقاء یافته جهت اندازه گیری این ویژگی اندوکتانس خودی کویل بکار گرفته شده است. بر این مبنا مشخص شده است که گوناگونی اندوکتانس خودی کویل پیکاپ همراه با گوناگونی مربوط به خروجی های مبدل و ترانسمیتر با سرعت جریان دارای خطیت و تکرارپذیری بسیار خوبی می باشند. معادلات ضروری تئوریکی، همراه با نتایج آزمایشی، در این مقاله مورد بحث قرار گرفته اند.
سرعت جریان به عنوان مهمترین متغیرهای فرآیند به شمار می آید، که می بایست قابلیت اندازه گیری و کنترل آن در رشته صنعت فرآیند وجود داشته باشد. بر این مبنا چنین سیستمی جهت تعیین ویژگی ها و مقدار مواد در حال جریان در داخل و یا خارج از یک فرآیند بکار گرفته می شود. در کاربردهای صنعتی، سرعت جریان در یک نقطه خاص اندازه گیری شده و می بایست قابلیت انتقال آن به یک واحد دوردست برای پردازش متعاقب نیز وجود داشته باشد. بنابراین، دستگاه مبدل از قابلیت تبدیل متغیر جریان به یک سیگنال برخوردار است و توانایی تقویت و انتقال آن به یک دستگاه گیرنده دوردست با قابلیت کالیبره سازی بر حسب متغیر مرتبط میسر می باشد. بنابراین، مبدل جریان بخش مهمی از سیستم تلقی می گردد و عملکرد آن مشخص کننده پایایی و دقت عملیات می باشد [۱] ـ [۵]، [۹] به علاوه این عملکرد خود در رابطه با کل سیستم نظارتی و فرآیند کنترلی جریان به شمار می آید. تحقیقات مختلفی در زمینه توسعه و کاربرد تکنیک های جدید و اصلاح شده اندازه گیری جریان انجام شده اند و یا همچنان در حال انجام می باشند. Bera و Mandal [7] اقدام به طراحی یک روزنه نوع خازنی غیرتماسی برای اندازه گیری نرخ جریان یک سیال رسانا که در امتداد لوله در جریان می باشد نموده اند. Beaulieu و همکاران [۸] نسبت به توسعه یک فلومتر برای اندازه گیری جریان سیال ناپایدار با استفاده از لوله ونتونی و نگارش اصلاح شده معادله برنولی ناپایدار اقدام نمودند.
…
برخی از شکل های مرتبط قبلاً در صنایع مورد استفاده قرار گرفته اند. در یکی از این شکل ها، سیال شناور به وسیله یک سیال شناور مغناطیسی شده دائم جایگزین شده و موقعیت آن به وسیله یک دوربین قابل دوران که از مواد مغناطیسی با استفاده از خواص جذب کننده شناور مغناطیسی ساخته شده است تصویربرداری و مشخص می گردد. با این وجود، این تکنیک از اتلاف های اصطکاکی در بخش های یاتاقان و بخش های محوری دوربین و همچنین اتلاف در ویژگی مغناطیسی کننده شناور در دمای بالا و موارد دیگر در رنج می باشد. Li و همکاران [۲۴] یک مبدل القایی غیرتماسی را در ارتباط با چنین فرآیندی پیشنهاد نمودند که در آن سیال مربوطه با استفاده از یک میله هسته ای متشکل از مواد مغناطیسی با توجه به ویژگی القایی لوله روتامتر به آن متصل می شود. تغییر اندوکتانس خودی این کویل به واسطه حرکت هسته در نتیجه جریان سیال به عنوان یک ویژگی سنجشی در این زمینه به حساب می آید. یک میز آزمایش در مرجع [۲۵] برای کالیبراسیون روتامتر و دیگر سیستم های سنجشی جریان ساخته شد. این میز به گونه ای طراحی شده است که قابلیت کالیبره نمودن فلومترها تحت شرایط فشار استاتیک مختلف وجود دارد.
در این مقاله، یک ترانسمیتر روتامتر اصلاح شده با استفاده از مبدل روتامتر نوع اندوکتانس خودی مستقیم طراحی و آزمایش شده است. در این تکنیک، سیستم شناور یا فلود متصل به یک سیم مستقیم بسیار نازک ساخته شده از مواد فرومغناطیسی گردیده و در امتداد یک حفره در بخش فوقانی لوله روتامتر عبور داده شد. این سیستم به عنوان یک هادی جهت حفظ سیم در یک مسیر سرراست و شرایط عمودی عمل می نماید. با توجه به گوناگونی سرعت جریان، شناور در امتداد با سیم به سمت بالا و پایین حرکت می نماید. بنابراین، بخش انتهایی آزاد سیم در خارج از لوله روتامتر نیز قابلیت حرکت به سمت بالا و پایین با تغییر سرعت جریان سیال را دارد. این حرکت آزادانه سیم فلود به وسیله یک کویل القایی نصب شده بر روی سطح فوقانی خارجی لوله روتامتر حس می شود. بخش انتهایی آزاد سیم فلود به طور آزادانه در امتداد هسته کویل پیکاپ القایی حرکت می نماید. بنابراین، اندوکتانس این کویل با توجه به تغییر سرعت جریان تغییر می نماید. این تغییر اندوکتانس خودی از طریق یک مدار پل اندوکتانس اصلاح شده به سیگنال الکتریکی تبدیل شده و خروجی مدار پل نیز به سیگنال جریان DC جهت انتقال به یک سیستم از راه دور از طریق یک دستگاه بهینه کننده سیگنال تبدیل می شود. مشخصه های تئوریکی معادلات تشریح کننده عملیات مبدل پیشنهادی حاصل آمده و به نظر قابلیت ارضای عملیات مبدل توسعه یافته و همچنین ترانسمیتر را خواهند داشت. کل سیستم به صورت آزمایشی مورد تست قرار گرفته و نتایج آزمایشی در این مقاله ارائه شده اند. مشخصه استاتیک حسگر، مبدل، تقویت کننده سیگنال و ترانسمیتر با توجه به داده های تجربی حاصل آمده اند. یک مشخصه خطی بسیار خوبی با توجه به پشتیبانی آن به وسیله معادلات تئوریکی حاصل آمده است.
ترانسمیتر جریان شبکه پل اندوکتانس و روتامتر حسگر
۲- روش مرتبط با رویکرد مطالعاتی
حال در این قسمت اجازه دهید تا در نظر گرفته شود تا یک سیم فرومغناطیسی مستقیم به بخش فلود روتامتر، همانگونه که در شکل ۲ (الف) و (ب) نشان داده شده است، متصل گردیده است. در شکل ۲ (الف)، طرف دیگر این سیم از روتامتر با استفاده از یک چیدمان آب بندی شده مناسب بوش تفلون و رینگ پلی کربن بیرون آمده به گونه ای که قابلیت حرکت آزادانه آن داخل سیم پیچ یا کویل پیکاپ وجود دارد. محفظه اسمبلی سیم پیچ پیکاپ در بخش فوقانی روتامتر قرار گرفته است. در این طراحی، سیم یا مفتول فرومغناطیسی در حقیقت نقش یک المان حسگری را بازی می نماید. با تغییر جریان، سلوت روتامتر همراه با مفتول یا سیم مربوطه حرکت می نماید. این حرکت سیم در داخل کویل پیکاپ سبب تغییر اندوکتانس خودی کویل خواهد شد. این سنسور که در شکل ۲ (الف) نشان داده شده است در مقاله جاری در یک حالت کم دما بکار گرفته شده که در آن آب شیر از تانک قرار گرفته شده در بخش فوقانی به سمت روتامتر جریان می یابد. در فشار بالا، چنین موردی ممکن است به واسطه مسئله نشتی بوش تفلون دچار مشکل شود. یک فرم اصلاح شده این حسگر در شکل ۲ (ب) نشان داده شده است که در آن هیچگونه مشکل نشتی در کاربردهای فشار کم و زیاد وجود نداشته و حرکت شناور نیز بر حسب تأثیر اصطکاک تأثیرپذیر نخواهد بود.
الف. پل اصلاح شده ماکسول
شبکه پل وتستون عادی با استفاده از یک فرآیند تحریک ac ممکن است از اثر خازنی پراکنده، اثر تداخل الکترومغناطیسی و موارد دیگر صدمه ببیند. جهت به حداکثررسانی این تأثیرات، یک پل اصلاح شده ماکسول همانگونه که در شکل ۳ نشان داده شده است طراحی گردیده است.
ترانسمیتر جریان شبکه پل اندوکتانس و روتامتر حسگر
۳- آنالیز خطا
از آنجایی که دو کویل یکسان بکار گرفته و شبکه پل نیز در سرعت جریان صفر از طریق انتخاب مقاومت های غیرالقایی برابر R2 و R4 تراز شده است، خطاهای هم شنوی بین کویل حسگری و میدان مغناطیسی بیرونی را می توان به صورت محدود در نظر گرفت. مجدداً، تأثیر ظرفیت خازنی پراکنده بین ترمینال های خروجی و زمین را می توان تا حد قابل اغماضی کاهش داد آن هم در صورتی که ترمینال مشترک مدار پل به صورت محکم متصل به زمین شده باشد. ظرفیت خازنی پراکنده بین نقاط گره ای خروجی پل نیز حذف می شوند چرا که آنها در یک پتانسیل زمین عمودی یکسان قرار گرفته اند. خطای دیگر ممکن است به واسطه خطای دریفت یا خطای راندگی صفر و خطای راندگی بهره آپ امپ ها به وجود آید، که قابلیت به حداقل رسانی آن از طریق انتخاب آپ امپ های دارای نویز اندک نظیر OP 07 و همچنین استفاده از یک پل سینوسی خالص پایدار شده و با توجه به سیگنال تحریک آن وجود خواهد داشت.
ترانسمیتر جریان شبکه پل اندوکتانس و روتامتر حسگر
۴- طراحی
یک فرومغناطیس به صورت تجاری در یک قالب مفتولی یا سیم فلزی گالوانیزه شده به قطر ۲ میلیمتر و طول ۳۵ سانتی متر در دسترس می باشد که به عنوان یک المان حسگری جریان پیشنهادی در این مقاله مورد استفاده قرار گرفته است. یک طرف این سیم به طور محکم به شناور روتامتر با استفاده از تکنیک لحیم کاری محکم شد. سیم مربوطه نیز از طریق انجام آب بندی مناسب که خود نقش یک حادی بدون اصطکاک برای شناور و ترکیبات سیم را بازی می نماید از روتامتر خارج گردید به گونه ای که طول کوچک (l1) طرف دیگر سیم در داخل کویل باقی ماند آن هم به هنگامی که شناور در موقعیت تحتانی و بدون هیچگونه جریان باقی مانده است. طول این سیم و کویل حسگری به گونه ای انتخاب شد که در حالت حداکثری جریان حرکت سیم (h) کمتر از نصف طول (l) کویل در نظر گرفته شود به گونه ای که (l1 + h)< l همانگونه که در (۲۸) مشخص شده است حاصل آید. سیم داخل کویل پیکاپ به عنوان یک هسته متحرک کویل اندوکتانس عمل می نماید. کویل اندوکتانس خود متشکل از ۲۰۰۰ دور یک وایر شماره ۴۶ استاندارد با قابلیت خاص و با مواد مسی قوی مینایی ساخته شده است که به صورت یکنواخت بر روی بخش استوانه ای عایق متشکل از یک بخش داخلی ۷ میلیمتری، یک بخش خارجی ۹ میلیمتری و با طول ۲۵ سانتیمتر پیچیده شد. کل کویل در داخل یک لوله با پوشش آلومینیومی با قطر داخلی ۱۵ میلیمتر و قطر خارجی ۱/۱۶ میلیمتر و طول ۳۰ سانتیمتر قرار گرفت و وجه انتهایی آن به وسیله حلقه های آلومینیومی پوشانده شد به گونه ای که قابلیت محافظت از این کویل در برابر صدمات مکانیکی و همچنین میدان مغناطیسی با توجه به تغییرات زمانی خارجی وجود داشته باشد. لوله پوشش آلومینیومی با این کویل از طریق لحیم کاری آن به پوشش خارجی روتامتر تثبیت شده و در عین حال سیم فرومغناطیسی از یک حفره کوچک سطح پوششی با ویژگی آب بندی مناسب همانگونه که در شکل ۲ نشان داده شده است بیرون رانده شد تا قابلیت حرکت آزادانه آن با توجه به جابجایی شناور روتامتر به وجود آید. شبکه پل ماکسول اصلاح شده نشان داده شده در شکل ۳ بر روی یک مدار چاپی ساخته شد. یک نوسان گر سینوسی پایدار ۱۰ ولت و ۳۰۰۰ هرتز به عنوان منبع تحریک پل برگزیده شد. از اندازه گیری اندوکتانس خودی این کویل از طریق سیستم سنجشی LCR، اندوکتانس خودی به میزان تقریباً ۵۰ میلی هانری مشخص شد، به گونه ای که راکتانس القایی هر کویل برابر با تقریباً ۹۴۲ مشخص شد. بنابراین، هر R2 و R4 در حد ۱ kW، ۰٫۵ W و ۱% تلرانس مقاومت فیلم فلزی انتخاب گردیدند.
ترانسمیتر جریان شبکه پل اندوکتانس و روتامتر حسگر
۵- نتایج تجربی
آزمایش مرتبط در چهار مرحله با توجه به رویه های تجربی نشان داده شده در شکل ۶ با استفاده از آب شیر به عنوان سیال فرآیند انجام شد. مبدل پیشنهادی نیز طراحی، ساخته و بر روی سطح پوشش بیرونی روتامتر همانگونه که در این شکل نشان داده شده است نصب گردید.
در مرحله اول، منحنی مشخصه استاتیک حسگر جریان پیشنهادی از طریق افزایش سرعت جریان در مراحل مرتبط با استفاده از تعدیل منفذه شیر (V) ترسیم شد. در هر مرحله، اندوکتانس خودی (Lh) کویل حسگری به وسیله سیستم سنجشی LCR (MIC-4070D) با دقت±۰٫۵% و با اطلاعات متناظر قابل خواندن (Q) از روتامتر در LPM اندازه گیری شد. روتامتر مربوطه در ابتدا از طریق روش جمع آوری مستقیم آب پیش کالیبره گردیده و خطای درصد در حد ±۰٫۵% مشخص شد. هم اکنون، منحنی مشخصه استاتیک حسگر جریان نیز از طریق مشخص سازی اندوکتانس خودی سرعت جریان (Q) همانگونه که در شکل ۷ (الف) نشان داده شده است ترسیم شد. گوناگونی های درصد از حالت خطی ایده آل برای هر یک از داده ها با استفاده از (۲۹) محاسبه شده و منحنی انحراف درصد معادل نیز با توجه به مشخص سازی انحراف درصدی در برابر نرخ جریان، همانگونه که در شکل ۷ (ب) نشان داده شده است ترسیم گردید. منحنی انحراف معیار داده های آزمایشی در چهار مود افزایشی و چهار مود کاهشی از طریق ترسیم و مشخص سازی انحراف معیار در مقابل سرعت جریان، همانگونه که در شکل ۷ (ج) نشان داده شده است مشخص شد.
ترانسمیتر جریان شبکه پل اندوکتانس و روتامتر حسگر
۶- مباحث
از شکل ۷ (الف) ـ (ج)، این موضوع مشخص می شود که حسگر جریان پیشنهادی دارای مشخصه خطی مناسبی با قابلیت تکرارپذیری خوبی می باشد. مجدداً، از مشخصه مبدل نشان داده شده در شکل ۸ الف ـ ج، مشخصه تقویت کننده سیگنال که در شکل ۹ الف ـ ج نشان داده شده است، و کل مشخصه سیستم ترانسمیتر نشان داده شده در شکل ۱۰ الف ـ ج، این مورد به طور کاملاً مشهودی مشخص می باشد که مبدل پیشنهادی، تقویت کننده یا آماده ساز سیگنال و کل سیستم ترانسمیتر از خطیت مناسبی برخوردار هستند. طراحی بخش سخت افزار این مدار بسیار ساده می باشد و بنابر این هزینه اندکی در بر دارد. بنابراین، مبدل پیشنهادی را می توان به عنوان یک سیستم پایا و مطمئن برای انتقال اطلاعات روتامتر به یک فاصله دوردست و کنترل سرعت جریان در تأسیسات فرآوری بکار گرفت.
در شبکه پل ماکسول اصلاح شده نشان داده شده در شکل ۳، ترمینال های خروجی B و D دارای پتانسیل زمینه عمودی یکسانی می باشند و بنابراین خطای اندازه گیری به واسطه ظرفیت خازنی پراکنده به حداقل می رسد. از آنجایی که کویل ها به صورت یکسان هستند و تفاوت آنها بر حسب شبکه پل پیشنهادی اندازه گیری می شود، بنابراین ولتاژهای القاء شده الکترومغناطیسی به وسیله منابع خارجی در دو کویل یکسان بوده و قابلیت مرتفع سازی آنها نیز وجود دارد. بنابراین، اندازه گیری اندوکتانس خودی به وسیله شبکه پل اصلاح شده پیشنهادی را می توان به عنوان یک مؤلفه ای در نظر گرفت که بدون هیچگونه نویز تداخلی الکترومغناطیسی می باشد. مزیت دیگر این پل آن است که حساسیت آن را می توان از طریق تعدیل مقاومت بازخوردی (Rf) همانگونه که در (۳۵) و (۳۶) تشریح شد تغییر داد.
لطفا به جای کپی مقالات با خرید آنها به قیمتی بسیار متناسب مشخص شده ما را در ارانه هر چه بیشتر مقالات و مضامین ترجمه شده علمی و بهبود محتویات سایت ایران ترجمه یاری دهید.
