Cross-correlation فلومتر
از قدیمی ترین و ساده ترین روش های اندازه گیری جریان ، تکنیک های مختلف tagging است.دراینجا، بخشی از جریان در قسمتی از نقاط بالادست tagمی شود و نرخ جریان به عنوان اندازه گیری زمان عبور تعیین می شود.تغییرت این تکنیک شامل ردیابی ذرات،ردیابی پالس و ردیابی رنگ شیمیایی، از انواع مواد رادیواکتیو است.از مزایای تکنیک tagging می توان به توانایی اندازه گیری سرعت تنها یک جز در یک چند جزئی جریان ، بدون نیاز به کالیبراسیون یا نفوذ خط لوه اشاره کرد.به عنوان مثال :tagging الکترومغناطیسی ذرات تبدیل شده به حباب با گاز، امکان تعیین سرعت آنها را از طریق تشخیص زمان عبور انها بین دو نقطه که در فاصله ی ثابتی از یکدیگر را قراردارند، می دهد. سنجش جریان براساس تکنیک های همبستگی 1 and 2 از نظر مفهوم شبیه به تکنیک های tagging یا ردیابی است ، زیرا زمان عبور را نیز تشخیص می دهد.همان طور که در شکل 2.5a نشان داده شده است ، هر متغیر فرآیندِ قابل اندازه گیری که دارای نویز باشد (تغییرات موضعی در مقدار آن را نشان می دهد) میتواند برای ساخت یک cross-correlation فلومتر استفاده شود.تنها شرط لازم این است الگوی نویز باید باید به اندازه کافی باقی بماند، تا توسط هر دو تشخیص دهنده A and B تاز مانی که جریان جاری در لوله حرکت می کند دیده شود.سرعت جریان با تقسیم فاصله (بین تشخیص دهنده های یکسان)بر زمان عبور بدست می آید.در سال های اخیر ، سخت افزار الکترونیکی مورد نیاز ، با قابلیت تشخیص سریع الگو در دسترس قرار گرفته است.در نتیجه ساخت فلومترهای به روز با استفاده از این تکنیک امکان پذیر است.متغییر های فرآیند زیر الگوهای نویز (یا نوسانات داخلی)را نشان می دهند که فلومترهای correlation را می توان با استفاده از سنسور های یکسان ساخت.
تعدادی از متغییر های فرآیند فوق (مانند : دما،تابش گاما5/4 و چگالی خازنی)به عنوان حسگرهای بالقوه برای فلومترهایcorrelation مورد بررسی قرارگرفته اند.ابزار توسعه یافته از اصل همبستگی متقاطع اولتراسونیک برای اندازه گیری جریان آب سنگین استفاده می کند.برخی دیگر برای کاربردهایی مثل خمیر کاغذ با استفاده از حسگرهای فتومتریک و برای اندازه گیری جریان جامدات با استفاده از تشخیص دهنده های خازنی در دسترس هستند. (شکل 2.23v) برای فلومترهای cross-correlation در کاربرد جریان جامدات استفاده شده است ، اندازه گیری جریان correlation می تواند توانایی اندازه گیری جریان را نه تنها در محیط های ناسازگار فرآیند ، بلکه در محیط های جریان three-dimensional و multiphase گسترش دهد.
کاربرد نیروگاه های هسته ای : nuclear power plant application
اکثر متغییر های فرآیند دارای نوسان هستند ، ینابراین خروجی های سنسورهای فرآیند در هنگام output خود دچار تغییراتی می شوند.همچنین میتوان از این متغییر ها برای بدست آوردن متقابل cross-correlation متقابل سنسورهای جریان استفاده کرد.به طور خاص ، سنسورهای فرآیند که به طور معمول دما، فشار،تشعشع یا سایر متغییر های فرآیند را اندازه گیری می کنند ، می توانند برای تعیین سرعت جریان سیال استفاده شوند.این کار را می توان به صورت غیر فعال با خروجی سنسور برای یک دوره زمانی و استخراج جز نوسان خروجی (به نام سیگنالAC)انجام داد.اگر یک جفت سنسور در یک لوله در فاصله مشخصی از یکدیگر نصب شده باشند ، سرعت جریان را می توان به وسیله ی cross-correlation دو سیگنال AC از این دو سنسور بدست اورد.پس از اینکه سرعت جریان سیال مشخص شد ، میزان جریان حجمی یا جرمی را می توان براساس ابعاد فیزیکی لوله و ویژگی مایع آن محاسبه کرد.
تعیین کردن زمان transit :
اصل اندازه گیری جریان cross-correlation در شکل 2.5b اشاره شده است، که در آن یک لوله با دو حسگر نصب شده با فاصله کمی از هم نشان داده شده است.همچنین در شکل 2.5b خروجی AC این دو سنسور نشان داده شده است.خروجی یک سنسور با و خروجی نسور دیگر با y(t) نشان داده می شود.این سیگنال های خروجی برای شناسایی زمان عبور بین دو سنسور ممکن است دارای cross-correlation باشند.زمان transit ، زمان مورد نیاز برای حرکت سیال فرآیند بین دو سنسور است.برای بدست آوردن سرعت جریان سیال، زمان transit می بایست به فاصله بین دو سنسور تقسیم شودبرای cross-correlation خروجی دو حسگر ، ابتدا دو سیگنال خروجی در یکدیگر ضرب می شوند،پس از آن سیگنال دوم به آرامی و هر بار به مقدار کمی به سمت سیگنال اول جا به جا می شوند تا زمانی که دو سیگنال روی هم قرار گیرند.حاصلضرب متوسط دو سیگنال،به عنوان تابعی از تغییر زمان رسم شده است.همان طور که در شکل 2.5c نشان داده شده است، معمولاً این نمودار در زمانی که برابر با زمان عبور است به اوج خود می رسد.تابع cross-correlation (RXy) برای سیگنالهای و y(t) با معادله زیر بدست می آید:
در این معادله t بازده زمانی است که یک سیگنال نسبت به دیگری جا به جا می شود و z متغییر ادغام است.تابع cross-correlation ، (RXy) ، معمولاً مقادیری بین +1.0 and -1.0 خواهد داشت، مشروط بر این که x و y از سیگنال های خامِ حذف شده با میانگینِ تقسیم بر انحراف آنها ساخته شده باشند.مقادیر نزدیک به +1.0 همبستگی مستقیم خوبِ بین دو سیگنال را نشان می دهد و مقادیر نزدیک به -1.0 نشان دهنده یک همبستگی معکوس خوب است.برعکس ، زمانی که همبستگی کمی بین دو سیگنال وجود داشته باشد ، مقادیر (RXy) به صفر نزدیک می شود. زمان transit را می توان از رسم فاز بین دو سیگنال به عنوان تابعی از فرکانس نیز بدست آورد.به همین خاطر ، شیب فاز به عنوان تابعی از فرکانس است.محاسبه transit به شکل فرمول زیر انجام می شود :
برای حذف اثرات متغییرهای فرآیند که به جریان مربوط نمی شوند، شیب بر روی ناحیه ای از طیف فاز محاسبه می شود که در آن دو سیگنال از همه منسجم تر هستند.شکل 2.5d نمودار فاز در مقابل فرکانس و محاسبه از زمان transit را نشان می دهد.همان طور که در رابطه 2.5(2) و شکل 2.5d نشان داده شده است زمان transit با تقسیم شیب نمودار فاز بر 360 درجه تقسیم می گردد.
اعتبار و دقت Reliability and Accuracy :
اطمینان از اندازه گیری cross-correlation زمانی بهبود پیدا می کند که :
1-زمان پاسخ این دو سنسور در مقایسه با طیف فرآیند و زمان transit که باید حل شود، مشابه و سریع است.2-correlation بین داده ها در فرکانس شکست سنسور یا سیستم جمع آوری داده رخ نمی دهد.3-اطلاعات جمع اوری شده را می توان از طریق تاثیر دیگر اختلالات موجود در فرآیند حل کرد.درتئوری ، هر دو سنسور می توانند برای ارائه سیگنال هایی برای اندازه گیری cross-correlation استفاده شوند، تا زمانی که دو سنسور بتوانند پارامتر فرآیندی را ثبت کنند که بر خروجی هر دو سنسور تاثیر می گذارد.به عناون مثال سیگنال های دو حسگر دما (ترموکوپل،RTD و غیره)یا دو سنسور فشار می توانند برای تعیین میزان جریان سیال با هم ارتباط متقابل داشته باشند.شکل 2.5E نمودار فازی را برای دو RTD نشان می دهد.این اطلاعات در یک LOOP آزمایش ِ آزمایشگاهی تولید شده است که در آن تجهیزات و تکنیک های CROSS-CORRELATION توسعه و اعتبار سنجی شده اند.نمودار داده های تجربی به خوبی داده های square-fit می باشد.square-fit ها شیبِ خطی را فراهم می آورند که برای بدست آوردن زمان transit بر 360 درجه تقسیم می شوند.براساس این آزمایشات ِ آزمایشگاهی ، مشخص شده است که خطا در اندازه گیری جریان مبتنی بر cross-correlation کمتر از 3 درصد است.اگر اندازه گیری دما و فشار با هم مرتبط باشند ، حسگرهای مشابه مانند تشخیص دهنده دما و فشار می توانند برای اندازه گیری جریان cross-correlation مورد استفاده قرار گیرند.
کاربردهای انرژی هسته ای : nuclear power application
تکنیک cross-correlation سنجش جریان در نیروگاه های هسته ای ، با استفاده از نوسانات هیدرولیکی حرارتی در سیستم خنک کننده راکتور که توسط سنسورهای دما،فشار و تشعشع قابل تشخیص می باشد، استفاده شده است.برای مثال : سیگنال های دما و آشکار سازهای نیترونی برای نظارت بر جریان از طریق هسته ، cross-correlation دارند.شکل 2.5f یک نمودار cross-correlation را برای یک ترموکوپل نشان می دهد که در بالای هسته راکتور در داخل یک راکتور آب تحت فشار (PWR)و یک تشخیص دهنده نوترونی واقع در خارج راکتور در ارتفاعی پایین تر از ترموکوپل نصب شده اند.این روش معمولاً برای اندازه گیری جریان در نیروگاه های هسته ای استفاده نمی شود.درعوض ، برای نظارت بر تغییرات نرخ جریان و برای تشخیص انسداد جریان ، در یک سیستم خنک کننده راکتور استفاده می شود.یک مفهوم واضح تر ، برای اندازه گیری جریان در نیروگاه های PWR ، Cross-correlation سیگنال ساز تشخیص دهنده تشعشع نیتروژن (N-16)16 است که روی لوله های خنک کننده راکتور نصب شده اند.تشخیص دهنده های N-16 تشعشعات گامای تولید شده در آب راکتور را توسط بمباران نوترون اکسیژن 16 اندازه گیری می کند.هنگامی که اکسیژن 16 توسط نوترون های سریع بمباران می شود،یک ایزوتوپ ناپایدار نیتروژن تولید می شود که N-16 است و در حین انتشار تشعشعات گاما به سرعت تجزیه می شوند.حتی اگر به شرعت تجزیه شوند ، فعالیت N-16 به اندازه کافی ، برای اندازه گیری تابش گاما به هنگام گردش آب در LOOP خنک کننده راکتور طول می کشد.این روش اندازه گیری جریان اغلب به عنوان اندازه گیری "جریان زمان عبور"(TTFM)نامیده می شود.شکل 2.5G دو رکورد داده خام را برای یک جفت تشخیص دهنده N-16 در یک کارخانه PWR نشان می دهد.داده های انباشته شده فقط برای یک ثانیه نمایش داده می شوند، اگرچه داده ها را می توان برای دوره های 2 یا 1 ساعته در صورت دقت اندازه گیری بالا جمع آوری کرد.اگر هدف اندازه گیری فقط ، تشخیص ناگهانی جریان تغییرات یا انسداد باشد ، دوره های کوتاه تر ثبت اطلاعات کافی است.
سیستم TTFM:
سیستم TTFM (شکل 2.5h) شامل مدار تهویه سیگنال در شکل 2.5h می باشد.این مدار برای استخراج سیگنال های AC که برای اندازه گیری جریان CROSS-CORRELATION دارند استفاده میشوند.سیگنال خام معمولاً شامل یک جز DC است که سیگنال AC مورد نظر بر روی آن قرار گرفته است.همان طور که در شکل 2.5i نشان داده شده است، مولفه DC هر سیگنال توسط یک فیلتر High pass یا bias که به یک سیگنال اضافه یا کم می شود حذف می شود.بخش باقی مانده (سیگنال AC)تقویت شده و سپس از طریق یک فیلتر پایین گذر، برای نویز های اضافی حذف و برای anti-aliasing فراهم می شود.یک کامپیوتر با مبدل آنالوگ-دیجیتالی داخلی (A/D)از سیگنال ها، نمونه برداری می کند و Cross-correlation را برای شناسایی زمان transit و محاسبه جریان انجام می دهد.
به طور معمول ، تجزیه و تحلیل cross-correlation در هر دو حوزه زمانی با استفاده از نمودار cross-correlation و در حوزه فرکانس با استفاده از نمودار فاز انجام می شود و به منظور ارائه میانگین سرعت جریان سیال محاسبه می شود.نرم افزار TTFM نه تنها داده ها را جمع اوری می کند ، بلکه صلاحیت داده ها و تجزیه و تحلیل آماری را انجام می دهد تا اطمینان حاصل کند که سیگنال ها برای تجزیه و تحلیل مناسب هستند. سنسورها زمان پاسخ گویی قابل مقایسه ای دارندو سیگنال های cross-correlated AC نیاز به خواص طیفی آماری دارند.شکل 2.5J یک BLOCK DIAGRAM از کل سیستم TTFM را نشان می دهد.