روشهاي اندازه گيري پارامتر هاي مخازن سوخت

[srn57]

روشهاي اندازه گيري پارامتر هاي مخازن سوخت اين مقاله مقدمه اي بر اندازه گيري شرايط داخل مخزن و چگونگي و مكان استفاده از آن مي باشد . دامنه وسيعي از ابزارهاي اندازه گيري در اين رابطه وجود دارد.
عليرضا فرجي
عضو هيات مديره ومدير فني شركت راه حل پنجم
اين مقاله مقدمه اي بر اندازه گيري شرايط داخل مخزن و چگونگي و مكان استفاده از آن مي باشد . دامنه وسيعي از ابزارهاي اندازه گيري در اين رابطه وجود دارد. از آنجايي كه هر اصل اندازه گيري فوايد خاص خود را دارد، تكنيك هاي به كار گرفته شده بيش از اينكه رقابتي باشند تكميل كننده يكديگرمي باشند . روشهاي اندازه گيري Servo و رادار در اين زمينه پيشرفت زيادي كرده اند.
اندازه گيري مخزن چيست؟
اندازه گيري شرايط مخازن، مفهوم كلي براي برآورد مقدار استاتيك محصولات مايع در مخازن ذخيره حجم است.
سيستمهاي اندازه گيري شرايط مخازن بر دو اساس طبقه بندي مي گردند :
سيستم اندازه گيري مخزن بر اساس حجم . )volume based( برآورد مقدار بر اساس اندازه گيري سطح و اندازه گيري درجه حرارت
سيستم اندازه گيري مخزن بر اساس مقدار جرم. برآورد مقدار بر اساس فشار هيدرواستاتيك اندازه گيري ستون مايع
نيازهاي كلي براي سيستم اندازه گيري مخزن
ايمني
دقت و تكرار پذيري
قابليت اطمينان و مورد استفاده بودن
سازگاري با شرايط كار
قابليت هاي ثابت
قابليت كاربري آسان
نياز كمتر به تعميرات و نگهداري
توسعه دادن راحت
كنترل موجودي كنترل موجودي يكي از مهم ترين ابزارهاي مديريتي براي هر پالايشگاه، ترمينال و انبار هاي نفت مي باشد .كنترل موجودي مخزن يا بر اساس حجم است يا جرم. هر چند كه نه حجم و نه جرم، تنها راهكار براي كنترل دقيق و كامل موجودي نيستند. محصولات دريافت شده، انتقال محصول داخلي ومحصولات تحويل داده شده پالايشگاه ها، كارخانه هاي مواد شيميايي و ترمينالها در واحد هاي حجمي يا جرم اي اندازه گيري مي شود. تبديل حجم به جرم يا بالعكس اغلب انجام ميشود و بدين ترتيب تمام پارامترهاي اندازه گيري مانند ميزان محصول، درصد آب موجود در محصول ، چگالي و اندازه گيري حرارت به يك ميزان مهم هستند.
اندازه گيري به روش -Servo اندازه گيري مخزن به روش Servo نسبت به روشهاي مكانيكي متحرك رايج، پيشرفت زيادي كرده است. در اين روش ، جابجا كننده با يك شناور )displacer( كوچك جايگزين مي شود كه اين شناور با يك سيم انعطاف پذير محكم، متصل شده است. اندازه گيري هاي Servo به جاي موتور فنري از موتور Servo الكتريكي براي بالا بردن وپايين آوردن شناور استفاده مي كند. يك سيستم سنجش هوشمند به طور منظم وزن و خاصيت شناوري شناور را اندازه گيري مي كند و سيستم Servo را كنترل مي كند. موتور، همچنين فرستنده داخلي را به حركت درمي آورد. اصطكاك مكانيكي در سيستم Servo، فرستنده، نمايشگر و سوئيچ هاي آلارم ، هيچ تاثيري روي حساسيت و دقت اندازه گيري ندارد. جريان متلاطم نيز تاثير مستقيم ندارد. يك ادغام كننده )integrator( در سيستم كنترل مكانيسم، تاثيرات حركات ناگهاني محصول را خنثي مي كند. اندازه گيري نه تنها در شرايط متلاطم، سطح ميانگين را ارائه مي دهد بلكه حركات غير ضروري را حذف مي كند و استهلاك را كاهش و عمر مفيد وسيله را افزايش مي دهد. اين اندازه گيري ها همچنين قدرت زيادي براي پردازش اطلاعات دارند. Servo فقط سطح مايع را اندازه نمي گيرد بلكه اين قابليت را دارد كه سطح فراورده و چگالي محصول را نيز اندازه گيري كنند. دقتي بيشتر از 1 (mm‌ 16/1)inch روي 40 m‌ 125ft را مي توان با اين سيستم به دست آورد. دقت فوق العاده و قابليت اطمينان بالاي اندازه گيري و انتقال مورد تاييد Measurment ِ Weights و Excise authorities ِ Customs در بسياري از كشورها مي باشد.
مقدمه اي در مورد سيستم راداري
رادار مخفف كلمات تشخيص راديويي و مسافت يابي است و از اواخر دهه 1930 عرضه گرديده است. در اين مرحله از رادار به عنوان وسيله اي براي تخمين زدن مسافت استفاده شده و تنها در موارد نظامي به كار مي رفته است . از آن زمان به بعد رادار علاوه بر كاربردهاي نظامي در حوزه هاي زيادي نيز به كار گرفته شده كه شامل كنترل ترافيك هوايي، اندازه گيري مسافت در بندرگاه، اندازه گيري سرعت اتومبيل و اندازه گيري سطح مخزن مي باشد. هدف از اين مقاله آن است كه اولا نشان دهد چطور از تكنولوژي رادار براي اندازه گيري سطح مخزن استفاده مي شود و ثانيا اطلاعات كافي را براي خواننده فراهم آورد تا بتواند در مورد بعضي از ادعاهاي توليد كنند گان اندازه گيري سطح رادار تصميم آگاهانه اي بگيرد.
موج رادار يا ميكروويو چيست؟
زماني كه يك صفحه شارژ شده در يك مسافتي دورتر از يك صفحه ديگر قرار مي گيرد يك ميدان الكتريكي بين دو صفحه بوجود مي آيد اگر شارژ روي صفحه به مرور زمان به شكلي سينوسي تغيير كند آنگاه طبق قانون دوم ماكسول يك ميدان مغناطيسي به وجود مي آيد كه عمود به ميدان الكتريكي است. نتيجه اين، موج رادار است كه با سرعت نور منتقل مي شود. (در خلاء) سرعت انتقال واقعي موج رادار به نوع موجبر wave guide كه به كار مي رود و سطحي كه موج از ميان آن يا طريق آن عبور مي كند بستگي دارد. موج زماني كه به يك سطح متفاوت (با ثابت دي الكتريك) منتقل مي شود، منعكس مي شود. هر چه كه تفاوت در ثابت دي الكتريك 1 بين دو سطح بيشتر باشد، ميزان انعكاس هم بيشتر مي شود. از آنجا كه يك موج راداري، الكترومغناطيس است، تحت تاثير ميدان هاي الكتريكي و مغناطيسي و همينطور اشياء فلزي يا ديگر اشياءي كه به لحاظ الكتريكي شارژ شده اند، مانند مولكول با گشتاور دو قطبي قرار مي گيرد.
سيستم رادار شامل قسمتهاي زير مي شود:
1.يك اسيلاتور براي ايجاد سيگنال الكتريكي فركانس بالا. ثابت دي الكتريك ماده روي نحوه حركت كردن سيگنال هاي الكترومغناطيس (امواج رادار) از ميان ماده تاثير مي گذارد.
هر چه مقدار ثابت دي الكتريك بيشتر شود، سيگنال هاي الكترومگغناطيس كندتر حركت مي كنند.
2.يك مدول تشخيص براي اندازه گيري پارامتر اصلي مانند انتقال فاز، تفاوت زمان يا تفاوت فركانس
3.يك آنتن براي تبديل كردن سيگنال الكتريكي به موج رادار
انواع آنتن ها
آنتنها به دو دسته تقسيم مي شوند : آنتن هاي تكfeeders و آنتن هاي با چند .feeders
در آنتن تغذيه تك feeders فقط يك نقطه تابش وجود دارد (تغذيه كننده. ) در اين نوع آنتنها از قطعات مكانيكي براي شكل دادن اشعه استفاده مي شود و حالت هاي انتقالي مختلف با داخل كردن مبدل هاي مكانيكي به انجام مي رسد. عيب اين آنتن اين است كه موج پيشرو بصورت خميده است و در نتيجه يك انعكاس خميده، توليد مي كند. اين امر تعيين مسافت تا شيء اندازه گيري شده را مشكل تر مي كند. به علاوه استفاده از قطعات فلزي براي شكل دادن به اشعه و تغيير حالت هاي انتقال ، با تشكيل موج پيشرو ، تداخل ايجاد مي كند. در آنتن هاي تغذيه كننده چند تايي چندين نقطه تابش ( تغذيه كننده) وجود دارد ومزيت اين آنتن نسبت به نوع تكي اين است كه براي شكل دادن اشعه به شكل دلخواه به قطعات مكانيكي اضافي نياز نداريم. تغذيه كننده هاي چند تايي براي متمركز كردن اشعه به كار مي رود و اين امر به موج جلويي هموار منجر مي شود كه به نوبه خود انعكاس تند و اندازه گيري دقيق تري را از موج جلويي خميده به وجود مي آورد. با تغيير آرايش تغذيه كنندگان مدهاي انتقالي مختلف به دست ميآيد. مثال اين نوع آنتن، آنتن مسطح است.
زاويه تابش
زاويه تابش رادار به دو عامل بستگي دارد: اندازه آنتن و فركانس پايه رادار. هر چه آنتن بزرگتر باشد اشعه متمركزتر است. هر چه فركانس بالاتر باشد اشعه متمركزتر است. اين امر نيازمند آن است كه آنتن تا حد ممكن بزرگ و فركانس تا حد ممكن بلند باشد. اندازه فيزيكي آنتن با مشخصات مخزني كه آنتن روي آن نصب مي شود، محدود مي شود. (مثلا اندازه لوله و اندازه دريچه تعمير و نگهداري. ) اگر فركانس افزايش يابد موج رادار به طور فزاينده اي به تداخل (امواج) خارجي حساس مي شود. از مطالب بالا مشخص مي شود كه در زمان تعيين اندازه آنتن و تصميم گيري در مورد فركانس (يا دامنه فركانس) كه رادار در آن كار مي كند، سنجش وجود دارد. به خاطر اين -tradeارزيابي هاي سيستم است كه مشخص مي شود فركانس بهينه براي اندازه گيري مخزن حدود 10 گيگاهرتز است و اكثر سيستم هاي اندازه گيري مخازن راداري در اين فركانس يا نزديك آن عمل مي كنند.

 

[srn57]

سرعت انتشار
سرعت انتشار امواج رادار به عوامل زير بستگي دارد:
1.كاربرد )Free-space or stilling well(
2.حالت انتقال (خطي يا مدور)
3.قطر راهنماي موج (لوله)
4.فركانس پايه رادار
5.وسيله انتقال
6.تداخل ها مانند بخار و غيره
سرعت انتشار توسط موارد زير كاهش مي يابد:
1.فركانس پاييني رادار
2.موجبر هايي با قطر كوچك
3.ميانگين با ثابت دي الكتريك بالا
4.افزايش تداخل
حالت هاي انتقال
در مورد اندازه گيري مخزن دو حالت انتقال به كار مي رود حالتهاي خطيTE(11) و مدور TE(10.) حالت انتقال مدور در كاربردهاي بدون فضا و كاربردهاي پر فشار به كار مي رود. حالت انتقال مدور براي كاربردهاي لوله بسيار مناسب است. زيرا تداخل لوله در كمترين حد نگه داشته مي شود.
حالت هاي مختلف انتقال مي تواند در آنتن هاي feeders چند تايي با تغيير دادن جاي feeders، انجام شود و به اين ترتيب مطمئن هستيم كه تداخل با موج جلويي وجود ندارد. در سيستم هاي تغذيه كننده تكي، حالت انتقال اصلي، خطي است. حالت انتقال مدور از طريق تعبيه مكانيكي در آنتن رادار كه حالت انتقال را تبديل مي كند، انجام مي شود. عيب اين روش اين است كه با موج رادار تداخل ايجاد مي كند.
تاثير بخار
سرعت انتشار امواج رادار به عوامل ديگري نيز بستگي دارد. در مخازن ذخيره، بخار به وسيله دو عامل روي سرعت انتشار تاثير مي گذارد. اولين عامل درصد اشباع است كه روي سرعت انتشار تاثيري خطي دارد و اگر درصد اشباع بخار مشخص باشد مي تواند علت را دريافت. عامل دوم وجود مولكول هاي سبك با گشتاور دو قطبي است. از آنجا كه اين مولكول ها يك گشتاور دوقطبي دارند همانطور كه سعي مي كنند خود را با اشعه رادار ميزان كنند، با اشعه رادار تداخل ايجاد مي كند . به خاطر داشته باشيد كه تاثير رادار در هر نقطه معين، موجي شكل است (و بدين ترتيب مرتبا تغيير مي كند)، اين مولكول ها به طور مرتب سعي مي كنند خود را با يك حوزه نوساني تنظيم نمايد. اين كار انرژي موج رادار را از بين برده و در نتيجه حوزه انتشار را كاهش مي دهد.
اثراتي كه بيان گرديد بسيار تصادفي بوده و نمي تواند به صورت معتبر پيش بيني يا توضيح داده شود. اين در مورد رادار صدق مي كند همچنانجه فيزيك امواج رادار بايد طبق توافق تمام سازندگان باشد، به همين علت هيچ كدام از تكنولوژي هاي اندازه گيري راداري هميشه بهترين راهكار براي محصولات داراي مولكول سبك ودر شرايط فشار بالا نيستند.
تكنولوژي هاي رادار
سه اصل اساسي طرز كار در صنعت اندازه گيري مخازن به روش راداري وجود دارد : رادار پالس، تغيير فركانس و انتقال فاز. هر يك از اين تكنولوژي ها در بخش هاي بعدي به نوبت توضيح داده خواهد شد.
رادارهاي پالس
در رادار پالس، آنتن، رادار پالس را مي فرستد، زمان سپري شده بين پالسي كه منتقل مي شود و دوباره توسط آنتن دريافت مي شود، اندازه گيري مي شود. اگر سرعت انتشار موج رادار معلوم باشد، مسافت بين شيء و آنتن به راحتي محاسبه مي شود. بنابراين پارامتر اصلي براي اين تكنولوژي تفاوت زماني يا روش اندازه گيري سطح )time-of-flight( مي باشد. در كاربرد اندازه گيري مخازن به روش راداري زمان اوج گيري يا time-of-flight حدود S000/000/800/4 براي يك مخزن 15 متري مي باشد. اين امر اندازه گيري دقيق تفاوت زماني را بسيار مشكل مي كند به خصوص زماني كه دقت كمتر از 1mm لازم است. مشكل ديگر اين تكنولوژي در پيدا كردن پيك سيگنال منعكس شده مي باشد زيرا سيگنال منعكس شده همان شكل سيگنال اوليه را نخواهد داشت. براي اين منظور سطح بدست آماده 3dB به عنوان تشخيص پالس منعكس شده به كار مي رود كه عدم قطعيت دارد.بنابراين اين روش براي تشخيص سطح اجسام در مسافت هاي دور بسيار مناسب است. اگر اين روش در كاربردهاي اندازه گيري مخازن به كار رود به تغيير و تبديلي نظير انتقال در حوزه زماني و ميزان پالس بي نهايت بالا نياز دارد.
تغيير فركانس
در تكنيك تغيير فركانس، امواج رادار با يك فركانس اوليه ثابت منتقل مي شوند و فركانس براي مدت زماني مشخص، به آخرين فركانس افزايش مي يابد. آنگاه، موج رادار منعكس شده در هر نقطه مشخص در زمان ، هم تاخير زماني و هم جابجايي فركانس از فركانس منتقل شده را خواهد داشت. پس از آن فاصله تا شيء اندازه گيري شده تعيين مي شود.
هم شركت Enraf Terminal Automation و هم شركت هاي ديگر از اين تكنيك تغيير فركانس استفاده مي كنند، تفاوت بين سيستم مورد استفاده شركت Enraf Terminal Automation و شركت هاي ديگر در نحوه پردازش سيگنال برگشت داده شده است.
پردازش سيگنال سيستم شركت Enraf Terminal Automation
در مورد سيستم مورد استفاده شركت Enraf Terminal Automation سيستم ) FMSPR( است بدين ترتيب كه ابتدا سيگنال برگشت داده شده به شكل ديجيتال تبديل مي شود و سپس تبديل فوريه 3 در آن به كار گرفته مي شود تا فركانس هاي موجود در سيگنال را آناليز كند. اين طيف فركانس به علاوه مجموعه اي از ناحيه هايي كه كاربر آنها را مشخص مي كند براي تعيين كردن سطح محصول به كار مي رود.
با استفاده از اين پارامترها در اندازه گيري شرايط مخازن طيف فركانس به ناحيه هايي تقسيم مي شود كه در آنها معيارهاي انتخابي مختلف براي تشخيص دادن سطح محصول به كار مي رود. در مناطقي كه موانع انعكاس دهنده قوي مانند ته مخزن وجود دارد ، اولين پيك به عنوان سطح محصول انتخاب مي شود نه قوي ترين پيك. با استفاده از اين نوع پردازش سيگنال فورا مشخص مي شود كه اندازه گير رادار)radar gauge( زماني كه روي مخزن نصب مي شود، چه 'مي بيند.' بعضي از فوايد اين روش به شرح زير مي باشد:
1.از آنجا كه كل سيگنال برگشت داده شده آناليز مي شود، تشخيص خود به خود )self-diagnose( وضعيت Gauge و آنتن امكان پذير مي شود.
2.نيازي به بررسي تمام مدت اطلاعات نيست زيرا سطح به طور صحيحي در هر بررسي تعيين مي شود حتي اگر (مقدار آن) از نتيجه قبلي متفاوت باشد.
3.به راحتي مي توان علل شرايط نامتعادل مخزن را با انعكاس هاي قوي توسط تنظيم نقاط توضيح داد.
روش هاي ديگر پردازش سيگنال
در موارد ديگر (موج پيوسته كه از نظر فركانسي مدوله شده است) ، سيگنال برگشتي از ميان يك فیل.تر دامنه بالا قابل تنظيم مي گذرد. اين فییلتر باعث مي شود كه سيگنال با بلندترين دامنه در يك دامنه فركانس معين عبور كند. سپس اين فركانس با فركانس به دست آمده در طي جايجايي گذشته مقايسه مي شود و اگر با هم هماهنگ باشند به عنوان سطح محصول پذيرفته مي شود. اگر با هم هماهنگ نباشند فییلتر روي جابجايي بعدي تنظيم مي شود تا از طريق يك دامنه فركانس متفاوت عبور كند. اين بدان معناست كه رادار بايد مرتبا اطلاعات را بررسي كند تا مطمئن شود كه هيچ تغييري در سطح محصول را از دست نمي دهد زيرا اگر اين اتفاق بيفتد بايد ابتدا كل مخزن را بررسي كند )sweep( تا سطح را دوباره به دست آورد. اين روش پردازش سيگنال مضرات زير را داراست:
تبديل فوريه 3 يك تكنيك رياضي است كه در پردازش سيگنال و حوزه هاي مربوطه به طور گسترده اي به كار مي رود تا فركانس هايي را كه در يك نمونه سيگنال وجود دارد، آناليز كند.
1.از آنجا كه اين روش هميشه سيگنال برگشتي با بيشترين دامنه را رديابي مي كند ممكن است سطح نادرست را رديابي كند. به خصوص، اگر سطح محصول نزديك ته مخزن باشد اين اتفاق مي افتد زيرا در اين حالت بازتاب از ته مخزن از بازتاب محصول بسيار قوي تر است.
2.زمان شروع طولاني دارد زيرا بايد اول اطلاعات مخزن را بررسي كند )scan( تا سطح صحيح را تشخيص دهد.
3.بايد تمام مدت اطلاعات مخزن را بررسي كند زيرا اگر كار بررسي كردن متوقف شود سطح محصول را گم خواهد كرد.
4.به راحتي ديگر اطلاعات باارزش در سيگنال برگشتي را ناديده مي گيرد و به همين علت نمي تواند وضعيت داخلي سيستم را بررسي كند . )self- diagnose(
درجه حرارت عملياتي
تمام قطعات الكترونيكي بسته به ميزان حرارتي كه دارند، مشخصه هاي آن تغيير مي يابد. همانطور كه مشخصه ها عوض مي شود، اشتباهاتي در اندازه گيري به وجود مي آيد. اساسا دو روش براي جبران اين موضوع وجود دارد. اولين روش اين است كه حرارت داخل خود gauge را با گرم كردن مداوم آن ثابت نگه داريم. روش دوم اين است كه عكس العمل حرارت قطعات الكترونيكي را در طول توليد، اندازه گيري كنيم و از اين اطلاعات براي تصحيح كردن اندازه ها در هنگام عمليات استفاده كنيم. شركت Enraf Terminal Automation روش دوم را ترجيح مي دهد زيرا اولا براي گرم كردن قطعات الكترونيكي به سيستم هاي اضافي ديگري نياز نداريم و ثانيا قطعات الكترونيكي كه در درجه حرارت هاي بالا عمل مي كنند در بلند مدت بيشتر در معرض خرابي هستند.
اختلاف فاز
اين تكنولوژي بر اساس تداخل سنج ليزر ، عمل مي كند و زماني كه به دقت بي نهايت زياد نياز داريم به كار مي رود. اين كليد، داخل يك طول موج را اندازه گيري مي كند و دامنه اندازه گيري را به قطعات كوچك به طول هر يك طول موج ، تقسيم مي كند.
در كاربردهاي اندازه گيري مخازن لازم است كه از روش ديگري نظير
)Synthesized Pulse Reflectometer Frequency Modulated( FMSPR استفاده شود تا تعداد طول موج هاي كامل بين آنتن و سطح مايع تعيين شود. سپس جابجايي فاز بين سيگنال هاي منتقل شده و دريافت شده اندازه گيري مي شود تا دقت سطح محصول را افزايش دهد.
نتيجه گيري
از آنچه كه تا به حال گفته شد مشخص مي شود كه تكنولوژي رادار بر اساس اصول ساده اي است. تمام gauge هاي سطح رادار تابع قوانين فيزيك يكساني هستند و تمام ادعاهاي مربوط به اندازه گيري سطح رادار بايد با توجه به اين محدوديت هاي فيزيكي ارزيابي شود. <امواج> خاص يا جعبه سياه جادويي وجود ندارد كه بتواند يك اصل اندازه گيري نادرست را به يك اصل اندازه گيري درست تبديل كند.
شركت Enraf Terminal Automation داراي بيش از 35 سال سابقه در نصب و اجراي ادوات و تجهيزات LG TG در صنايع نفت و گاز و پتروشيمي در ايران و بيش از 70 كشور دنيا بوده و همچنين تعداد 75000 مخزن را به تجهيزات و سيستمهاي اندازه گيري سطح تجهيز نموده است
Enraf Terminal Automation در طول دهه گذشته، به تمام پيشرفت هاي اصلي در زمينه تكنولوژي اندازه گيري سطح دست يافته است و در آينده هم همين روند را ادامه خواهد داد. Enraf Terminal Automation تنها عرضه كننده اي است كه مي تواند ديگر تكنولوژي هاي اندازه گيري سطح را ارائه دهد. اين تكنولوژي ها براي كاربردهاي تخصصي خاص مناسب تر هستند.
اندازه گيري رادار در اندازه گيري مخزن نقشي اساسي ايفا مي كند. ماهيت ترانزيستوري آنها باعث شده است كه جذاب باشند. دقت جديدترين نسل اندازه گيري رادار تمام مايحتاج انتقال محصول )Custody Transfer( با تاييديه هاي Weights Measurment و Customs Excise authorities را فراهم مي آورد. .
منبع : دانش نفت

 

[پیرجو]

چه عجب این کاربران فعال تالار مهندسی شیمی تشریف آوردن...
ما خیلی مخلصیم...