دستگاه چگالی‌سنج و جریان‌سنج جرمی التراسونیک

دستگاه چگالی‌سنج و جریان‌سنج جرمی التراسونیک، قسمتی از سامانه اندازه‌گیری غلظت رسوب و بار عبوری در کشتی‌های لایروب است که توسط محققان دانشگاه تهران ساخته شد. به گزارش روابط عمومی دانشگاه تهران، دکتر حسین موسی‌زاده، دانشیار رشته مهندسی مکانیک بیوسیستم دانشگاه تهران درباره ضرورت تجهیز کشتی‌های لایروب به سامانه غلظت‌سنجی، گفت: در لایروب‌ها برای اینکه بتوانیم میزان و غلظت رسوبی که از حوضچه بنادر مکش می‌شود را اندازه‌گیری کنیم، نیازمند طراحی و نصب سامانه غلظت‌سنج در خطوط لوله لایروب هستیم تا داده‌های غلظت رسوب (لای) به‌صورت بی‌سیم به اتاق کاپیتان کشتی ارسال شود و در آنجا به‌صورت گرافیکی به نمایش درآید و داده‌ها ثبت شوند.

وی افزود: البته تست عملیاتی و میدانی روی کشتی لایروب نیز به مدت یک ماه در بندر امیرآباد شهر بهشهر استان مازندران توسط تیم تحقیقاتی دانشگاه تهران به انجام رسیده و این تست میدانی نشان داد که دستگاه از کارایی کامل برخوردار است و نتایج آزمایشگاهی تأیید شد.

بر اساس اعلام مجری طرح، سامانه تعیین غلظت رسوب و بار عبوری در مقیاس لایروبی در کشتی‌های لایروب بر اساس قراردادی میان دانشگاه تهران و سازمان بنادر و دریانوردی در سال ۱۳۹۷ و با هدف اندازه‌گیری غلظت رسوب و بار عبوری در فرایند لایروبی طراحی و ساخته شده است. هم‌چنین دو رساله دکتری، دو پایان‌نامه کارشناسی ارشد و پروژه کارشناسی توسط تیمی از دانشجویان گروه مهندسی ماشین‌های کشاورزی دانشگاه تهران به راهنمایی دکتر حسین موسی‌زاده در این زمینه انجام شده است. در ادامه به توصیف دستگاه چگالی‌سنج و جریان‌سنج جرمی التراسونیک پرداخته می‌شود. زمینه های فنی اختراع مورد نظر مکانیک سیالات، مکانیک، الکترونیک، ابزار دقیق و مکاترونیک می‌باشند.

در بسیاری از صنایع، اطلاع یافتن از میزان دقیق جریان جرمی مواد اولیه جهت تولید محصولات با کیفیت، امری ضروری است. یکی از شاخصه های مهم در فرایندهای استخراج نفت خام در صنایع نفت و پتروشیمی، تولید کنسانتره میوه و آبمیوه در صنایع غذایی، استخراج مخلوط گل و لای در عملیات لایروبی، تصفیه کردن فاضلاب های شهری و پالایش فلزات، جریان جرمی سیالات مورد استفاده در این صنایع است. روش‌های متعددی جهت اندازه گیری جریان جرمی سیال به صورت برخط وجود دارد که در ادامه به تعدادی از این روش‌ها و مزایا و معایب آن‌ها اشاره خواهد شد.

• روش اول: استفاده از جریان‌سنج جرمی کوریولیس

جریان‌سنج جرمی کوریولیس، جریان جرمی سیال عبوری در لوله نازک را بر اساس برهم‌کنش نیروهای کوریولیس تولیدی بین سیال در حال حرکت و لوله اندازه‌گیری لرزان اندازه‌گیری می‌کند. در این روش یک لوله U شکل مورد استفاده قرار می گیرد که در اثر حرکت سیال می لرزد. هنگامی که سیال در این لوله جریان می یابد، نیروهای کوریولیس در قسمت‌های درونی و بیرونی لوله به دلیل بالا و پایین رفتن لوله تولید می شوند. چون نیروهای کوریولیس تولید شده در خلاف جهت هم هستند گشتاوری پیچشی تولید می کنند که منجر به ایجاد زاویه پیچش لوله می شود. چون نیروی کوریولیس با جریان جرمی سیال متناسب است، با اندازه گیری زاویه پیچش لوله می توان جریان جرمی سیال عبوری از درون لوله را اندازه گرفت. برای اندازه گیری زاویه پیچش لوله از یک آهن ربا و سیم پیچ محرک استفاده شده که در بالاترین قسمت لوله U شکل قرار می گیرد و دو حسگر مغناطیسی در قسمت بالا و پایین لوله در مقابل دو آهن ربا نصب می شوند. با عبور جریان از داخل لوله، آهن رباها به حسگرها نزدیک می شوند و یکی از حسگرها در خروجی خود سیم پیچ محرک را تحریک می کند که منجر به نوسان لوله اندازه گیری در فرکانس تشدیدش می شود. در نهایت زاویه پیچش لوله با استفاده از اختلاف فاز بین سیگنال های خروجی دو حسگر مغناطیسی محاسبه می شود. بنابراین جریان جرمی سیال می تواند از اختلاف فاز دو سیگنال بدست آید. همچنین با استفاده از فرکانس تشدید لرزش لوله می‌توان چگالی سیال را محاسبه نمود. یکی از معایب جریان سنج جرمی کوریولیس این است که در صورت وجود هوا در سیال عبوری از لوله، دقت جریان سنج به میزان قابل توجهی کاهش می یابد.

• روش دوم: استفاده از جریان سنج جرمی حرارتی

این جریان سنج، جریان جرمی سیال را با اندازه گیری میزان اتلاف حرارت در فواصل کوتاهی در سیال محاسبه می‌کند. جریان سنج‌های جرمی حرارتی به دو دسته جریان ثابت و دماتفاضلی ثابت تقسیم می شوند. هر دو دسته از دو حسگر دما در مسیر حرکت سیال و یک گرم‌کننده برای حرارت دادن به سیال استفاده می کنند. یکی از دو حسگر دما، درجه حرارت سیال را پس از گرم شدن آن و حسگر دمای دیگر درجه حرارت سیال را در فاصله ای کوتاه بعد از محل قرار گیری حسگر دمای اول در مسیر سیال، اندازه گیری می کنند. معایب جریان سنج های جرمی حرارتی، وابستگی آن ها به فشار سیال و حساسیت نسبت به ارتعاش و ضربه های فیزیکی ناشی از برخورد مواد موجود در سیال با حسگرهای دما است؛ همچنین در این روش حسگرهای دما با جریان سیال در تماس مستقیم هستند و درصورت مقاوم نبودن مواد استفاده شده در ساخت حسگرها در برابر جریان سیال، این قطعات دچار خوردگی می شوند و به مرور زمان دقت اندازه گیری جریان سنج کاهش می یابد.

لازم به ذکر است که جهت اندازه گیری جریان جرمی سیال نیاز به شاخصه های چگالی و سرعت سیال عبوری می باشد. در اختراع حاضر جهت اندازه گیری چگالی سیالات، از روش تضعیف امواج فراصوت استفاده شده که حساسیت و دقت بسیار بالایی در برابر تغییر غلظت و چگالی سیال دارد و با بهره‌گیری از امواج فراصوت پیوسته و نامیرا، اختراع حاضر قادر به تشخیص جریان جرمی سیال با مقدار کم است. برای اندازه گیری سرعت سیال از یک حسگر توربینی استفاده شده است. همچنین با استفاده از فولاد زنگ نزن 304 در ساخت حسگرهای فراصوت و فولاد زنگ نزن L 316 در ساخت بدنه دستگاه به‌مرور زمان این قطعات دچار خوردگی و فرسایش نشده و دقت اندازه‌گیری دستگاه کاهش نمی‌یابد و دستگاه به تعمیر و نگهداری مکرر و کوتاه مدت نیاز ندارد.

در اختراع حاضر برای اندازه‌گیری چگالی سیال از روش تضعیف امواج فراصوت استفاده شد. بر اساس این روش هنگامی که موج فراصوت از محیطی به محیط دیگر انتقال می یابد، سرعت انتشار و دامنه موج فراصوت تغییر می کند. پس از انتشار موج فراصوت در سیال و در اثر برخورد آن با ذرات معلق موجود در سیال، دامنه موج تغییر می کند که این تغییر، مبنای سنجش و اندازه‌گیری چگالی سیال است. در این روش یک مبدل الکتروآکوستیک فرستنده با فرکانس مشخص در فاصله معین و روبروی یک مبدل الکتروآکوستیک گیرنده قرار می گیرد. بعد از قرار گرفتن دستگاه در سیال عبوری، مبدل الکتروآکوستیک فرستنده توسط مدار راه‌انداز فرستنده التراسونیک، راه‌اندازی شده و موج فراصوتی با فرکانسی برابر با فرکانس مرکزی مبدل الکتروآکوستیک در سیال تولید می‌کند. این موج فراصوت پس از ورود به سیال و تضعیف شدن دامنه موج توسط ذرات معلق موجود در سیال و پیمودن فاصله بین مبدل ها که میدان صوتی نزدیک نامیده می شود، به مبدل الکتروآکوستیک گیرنده رسیده و توسط مدار گیرنده التراسونیک پردازش شده و در خروجی مدار به صورت یک شاخص، میزان چگالی سیال را مشخص می‌کند. لازم به ذکر است که اختراع حاضر تنها زمانی میزان چگالی سیال را اندازه می‌گیرد که در سیال قرار گیرد؛ زیرا فرکانس بالا و ولتاژ کاری بالای مبدل الکترآکوستیک فرستنده سبب تولید حرارت بسیار زیادی در قسمت مرکزی مبدل فرستنده می‌شود و در صورت فعال شدن این مبدل در خارج از سیال، مبدل فرستنده دچار آسیب جدی می‌گردد. هم‌چنین موج فراصوت با فرکانس مشخص و به صورت پیوسته در سیال ارسال می‌گردد. از مزیت‌های ارسال پیوسته موج در سیال، اندازه‌گیری کمترین میزان تغییرات چگالی سیال است و حساسیت دستگاه در اندازه گیری چگالی سیال افزایش می‌یابد.

در این اختراع برای اندازه‌گیری سرعت سیال عبوری از یک حسگر توربینی استفاده شد. این حسگر از یک توربین، دو آهن‌ربا و یک مدار سوئیچینگ تشکیل شده است. توربین این حسگر در اثر عبور سیال می چرخد و در اثر عبور آهن ربای نصب شده روی توربین از جلوی آهن‌ربای نصب شده روی بدنه حسگر، یک موج مربعی در خروجی مدار سوئیچینگ حسگر تولید می‌شود. واحد پردازش دستگاه، تعداد موج های مربعی تولید شده توسط حسگر را شمرده و براساس واسنجی انجام شده، در خروجی پردازش، سرعت سیال عبوری را مشخص می کند.

مقادیر چگالی و سرعت سیال پس از اندازه گیری توسط دستگاه، در محاسبه جریان جرمی سیال استفاده خواهند شد. سپس مقادیر چگالی، سرعت، جریان حجمی و جریان جرمی سیال از طریق بستر ارتباطی RS232 به رایانه منتقل می‌شود.

جهت تامین انرژی مصرفی دستگاه از دو مبدل جریان متناوب به جریان مستقیم استفاده شد که یکی از آن مبدل 220 ولت به 12 ولت و دیگری مبدل 220 ولت به 24 ولت است. این دو مبدل جریان متناوب به جریان مستقیم به عنوان منبع تغذیه دستگاه در جعبه منبع تغذیه قرار داده شدند. جهت افزایش برد اندازه گیری دستگاه، طول کابل استفاده شده جهت اتصال جعبه منبع تغذیه و رابط ارتباطی RS232 به برد الکترونیکی قرار گرفته در دستگاه، 25 متر در نظر گرفته شد. مقادیر چگالی و سرعت سیال پس از اندازه گیری توسط دستگاه با نرخ انتقال داده 9600 بیت بر ثانیه از پردازنده دستگاه به رایانه توسط بستر ارتباطی RS232 انتقال می یابد.

جهت تعمیر و نگهداری پس از باز کردن قاب دستگاه، توانایی اتصال یک نمایشگر به برد الکترونیکی دستگاه وجود دارد تا دستگاه در صورت غیر فعال شدن در سریعترین زمان ممکن عیب‌یابی گردد. جهت عایق نمودن ارتباط بین لوله‌های رابط و قاب‌های بالایی و پایینی محفظه اصلی از واشرهای ضدآب استفاده شد. لازم به ذکر است که قاب بالایی محفظه اصلی و قاب پایینی محفظه اصلی دستگاه جهت مصارف صنعتی زیر آب تا عمق 10 متر طراحی و ساخته شده و در ساخت آن از فولاد زنگ نزن L 316 استفاده شده است. لوله‌های رابط استفاده شده در اتصال بین قاب بالایی و پایینی محفظه اصلی از جنس فولاد زنگ نزن 304 می‌باشند.

در زیر به ویژگی‌های فنی دستگاه اشاره شده است:

• اندازه‌گیری غلظت مواد معلق تا 400 گرم بر لیتر

• اندازه‌گیری سرعت مخلوط حداکثر تا 6 متر بر ثانیه

• توانایی تشخیص ذرات معلق به قطر 600 میکرون به بالا

• کالیبراسیون خودکار

• قابلیت غوطه‌وری در آب تا عمق 10 متر

• انتقال مقادیر چگالی، سرعت، جریان حجمی و جریان جرمی سیال به رایانه توسط پروتکل ارتباطی RS-232

• توان مصرفی بسیار کم (18 وات)

• درجه حفاظتی IP68 در قسمت حسگرها

مزاياي اختراع ادعايی نسبت به اختراعات پیشین

در زیر به مزایای این اختراع اشاره شده است:

• قابلیت اندازه گیری جریان جرمی سیالات

• اندازه گیری چگالی، سرعت، جریان حجمی و جریان جرمی سیال تنها در یک دستگاه

• اندازه گیری غلظت مواد معلق تا 400 گرم بر لیتر

• اندازه گیری سرعت مخلوط حداکثر تا 6 متر بر ثانیه

• توانایی تشخیص ذرات معلق به قطر 600 میکرون به بالا

• حساسیت بالا در اندازه گیری غلظت مواد معلق نسبت به سایر روش ها

• هزینه ساخت پایین نسبت به محصولات مشابه خارجی به جهت تولید در کشور

• بومی سازی و جلوگیری از واردات دستگاه های مشابه و خروج ارز از کشور

• عدم نیاز صنایع کشور به خرید محصولات مشابه خارجی

• استفاده آسان و سریع

• عدم نیاز به تعمیر و نگهداری کوتاه مدت

يك روش اجرايی برای به كارگيری اختراع

برای استفاده از این اختراع، ابتدا باید انرژی مصرفی آن را تامین کرد که با اتصال جعبه منبع تغذیه آن به شبکه برق سراسری کشور، دستگاه روشن شده و آماده به‌کار می‌شود. پس از فعال شدن و قرار گرفتن دستگاه در سیال، دستگاه مقادیر چگالی، سرعت، جریان حجمی و جریان جرمی سیال را بر روی بستر ارتباطی RS232 به رایانه انتقال می دهد. در صورتی که دستگاه در خارج از سیال باشد، دستگاه در حالت آماده به کار خواهد بود ولی هیچ اطلاعاتی به رایانه ارسال نخواهد کرد. برای تعمیر و نگهداری دستگاه، پس از فعال کردن دستگاه و اتصال یک نمایشگر به درگاه مربوطه آن بر روی برد الکترونیکی دستگاه می‌توان به عیب دستگاه پی برد و نسبت به رفع این عیب در مدت زمانی کوتاه اقدام نمود.

ذكر صريح كاربرد صنعتی اختراع

در تمامی صنایعی که دارای سیالات حاوی ذرات معلق هستند جهت اندازه‌گیری میزان دقیق چگالی و جریان جرمی سیالات، این دستگاه کاربرد دارد. از جمله محل‌های بهره‌برداری از محصول و کاربرد صنعتی آن می‌توان به موارد زیر اشاره نمود:

• فرایندهای استخراج نفت خام در صنایع نفت و پتروشیمی

• تولید کنسانتره میوه و آبمیوه در صنایع غذایی

• پالایش فلزات

• استخراج مخلوط گل و لای در عملیات لایروبی روی کشتی‌های لایروب

• تصفیه کردن فاضلاب‌های شهری و کانال‌های آب و فاضلاب

• رودخانه و دهانه رودها

• دریچه سدها

• کشتی‌های لایروب

خلاصه توصیف اختراع

دستگاه چگالی‌سنج و جریان‌سنج جرمی التراسونیک با استفاده از روش تضعیف امواج فراصوت برای تعیین میزان چگالی سیال و یک حسگر توربینی برای تعیین سرعت و جریان حجمی سیال عبوری، میزان دقیق چگالی و جریان جرمی سیال حاوی ذرات معلق را اندازه‌گیری می‌کند. در بسیاری از صنایع سنجش و اندازه‌گیری دقیق میزان چگالی و جریان جرمی سیالات مورد استفاده یک مشکل فنی شناخته می‌شود. یکی از شاخصه‌های مهم در فرایندهای استخراج نفت خام در صنایع نفت و پتروشیمی، تولید کنسانتره میوه و آبمیوه در صنایع غذایی، استخراج مخلوط گل و لای در عملیات لایروبی، تصفیه کردن فاضلاب‌های شهری و پالایش فلزات، جریان جرمی سیالات مورد استفاده در این صنایع است.

دکتر موسی‌زاده درباره تجاری‌سازی این دستاورد نیز گفت: انتظار این است که مسئولان سازمان بنادر و دریانوردی از ساخت این سامانه به تعداد لایروب‌هایی که در ایران فعال است، حمایت کنند.