مترجم: حميد زرندي
در ميان روش هاي اندازه گيري دما كه در صنايع شيميايي وجود دارد، روش هايي كه مبتني برفيبرنوري هستند جزو جديد ترين و جالب ترين روش ها محسوب مي شود.
ايمني در محيط هاي پرريسك، محافظت در برابرفركانس هاي راديويي و الكترومغناطيسي از نوع RFI و EMI ، سطح پايين اختلال در سيگنال كنترلي و دقت بالا از جمله مزاياي استفاده از اين روشهاست. استفاده از سيستم هاي فيبرنوري باعث كاهش هزينه هاي مربوط به كنترل نسبت به مدارهاي حاوي ترموكوپل ها و مقاومت هاي حرارتي(RTD) شده است.
فيبرهاي نوري مي توانند مدت زمان زيادي براي انتقال حرارت و دما از فرآيند كنترل شونده به پيرومتر نوري و يا ترمومتر از نوع مادون قرمز بكار روند. اين موضوع كار اندازه گيري را در فضاهاي كوچك آسان مي سازد و سبب ايزولاسيون وسيله اندازه گيري مورد استفاده مي شود.
نمونه هاي موجود چنين سيستم هايي از سري SA شبيه ترمومترهاي مادون قرمز توليدي در كمپاني ايركان (Ircon) است. در چنين سيستم هايي ابزار مورد نظر توسط يك كابل فيبرنوري- كه با لايه محافظي از جنس استيل پوشيده شده - به فرآيند مورد اندازه گيري متصل مي شود.
سنسورهاي فيبر نوري
برخي از طراحان سيستمهاي كنترل، طراحي خود را بر پايه كوچك كردن هر چه بيشتر سنسورها قرار داده اند بطوريكه اين سنسورها بتوانند در فيبر نوري جمع شوند. اين سيستمها بر مبناي ميزان طول موج ارسالي يا منعكس شده به وسيله سنسورها (نه طول موج ارسال شده از منبع) دماي هر بخش را اندازه گيري مي كنند.
سال گذشته كمپاني اولوما(Oluma) به سيستم سنسورهاي انتشار دهنده درجه حرارت(DTS) دست يافت كه از يك رشته فيبرنوري ساده براي اندازه گيري دما با خطايي در حدود0/9 درجه فارنهايت و فاصله100 الي2 هزار متر بهره مي برد. از جمله كاربردهاي اين سيستم تشخيص نشتي در سيستم لوله كشي و مونيتورينگ بسيار مناسب سيستم مربوط به روغن است. اين سيستم در بستر فرآيند قرار داشته و هر بخش فيبرنوري همانند يك سنسور نسبت به نقاط انعكاسي عمل مي كند. با توجه به آنچه »الوما« ارايه كرده ، اين ابزار جديد به اندازه كافي براي استفاده در سيستم هاي انتشار درجه حرارت، منطقي و مقرون به صرفه است.
كمپاني »ديويدسون« براي اندازه گيري دما در سيستم هاي فيبرنوري خود از تكنولوژي متفاوتي كه بنام سنسورهاي Faber-Perot شناخته مي شود، بهره مي برد. اين سنسورها از دو آينه داخلي براي ايجاد يك حفره رزونانسي استفاده مي كنند.
حال اگر فضاي موجود بين دو آينه با توجه به تغييرات حرارتي و يا نيروهاي اعمال شده تغيير كند، فركانس رزونانس سيستم تغيير مي كند. اين كمپاني از تكنولوژي موسوم به مايكرو الكترومكانيك(MEMS) براي ساخت سنسورهاي كوچك سيليكوني بهره مي برد. مي توان گفت ساده ترين ويژگي اين سنسورها اندازه گيري دماي32 نقطه از سيستم در ارتفاع47 فوت تا دماي500 درجه فارنهايت است.
سنسورهاي نوع سوم، سنسورهايBrag Grating است كه بر پايه جديدترين نمونه هاي سيستم Spectro Bay توسط شركت خدماتي »باير تكنولوژي« عرضه شده است. اين سنسور مي تواند دماي مربوط به30 نقطه مختلف را كه حداكثر در فاصله يك هزار متر از آن باشند برپايه بروشورهاي منتشر شده توسط شركت سازنده با خطايي در حد1/2 درجه فارنهايت اندازه گيري كند.
فيبر Brag نوعي تجهيزات نوري است كه با يكبار استفاده از ليزر قدرتمند ماوراي بنفش ايجاد مي شود. فضاي عبور نور انعكاس يافته، تنها5 ميلي متر طول دارد كه اين موضوع باعث مي شود تا برخي از نورهاي انعكاس يافته بازگردانده شود(شكل شماره2).
اين فيبر مي تواند با توجه به هر نقطه دلخواه در فيبرنوري كنترل شونده تعريف شود. اين مجموعه- يعني فيبر و سنسورهاي آن- توسط كمپاني آلماني AOS توليد شده است.
در يك سمت فيبرنوري، منبع نوري مادون قرمز وجود دارد كه
تبديل هاي سريع آن توسط سازنده نوري تعريف شده است و در سمت ديگر فيبرنوري يك ذره نوري قرارداردكه آن ذره چرخنده(Circulator) گفته مي شود و وظيفه اين ذره انتقال و هدايت نور از منبع به فيبر و سپس انتقال موج انعكاس يافته(بازگشتي) به اسپكترومتر است.
سنسورهاي مختلف مي توانند توسط اسپكترومتر تشخيص داده شوند چرا كه هر كدام از فيبرهايBrag برپايه يك طول موج مشخص ساخته شده است و هنگامي كه تغييراتي در آن مشاهده مي شود نشانگر آنست كه حتماً تغييرات دمايي ايجاد شده است.
در اين ميان آنچه ضروري بنظر مي رسدجلوگيري از تداخل طول موج اندازه گيري بين دو مقدار تعريف شده، براي اندازه گيري هر سنسور است. اين سيستم مي تواند در هر لحظه حداكثر به6 فيبر مجزا و جدا از هم متصل شود. اما با توجه به تعريف سيستم، دليلي براي اين محدوديت نداريم و در واقع بايستي پرسيد كه چرا ما قادر به استفاده از فيبرهاي نوري بيشتري نيستيم و يا اينكه چرا نقاط بيشتري از هر فيبر اندازه گيري نمي شوند؟
بر پايه طراحي هاي انجام شده در صنايع شيميايي، آنچه فيبرBrag ارايه مي دهد، جديد نيست و سيستم پيشنهادي Spectro Bay به مراتب جديدتر و به نيازهاي موجود در صنايع شيميايي نزديك تر است. بر پايه اطلاعات بروشورها، در يك مقايسه اقتصادي، اين سيستم به هيچ عنوان با سيستم
ساده اي كه در آن از ترموكوپل و مقاومت حرارتي بهره مي بريم قابل مقايسه نيست. ويژگي هايي كه باعث مي شود تا سيستم Spectro Bay مورد توجه قرارگيرد عبارتند از:
- نياز به بهره گيري از تعداد زيادي سنسور
- قابليت اتصال اين سنسورها به يكديگر
- قابليت كار در محيط هاي پرريسك
-قابليت ارتباط با سيستم فيبرنوري كه به منظور اندازه گيري همزمان و جمع آوري داده هاي مربوط به آنها استفاده مي شود.
هنگامي كه هزينه هاي مربوط به كابل كشي سيستم ها بسيار بالاتر از حد انتظار شد، جايگزيني سيستم ارزانتر و ساده تر جزو ملزومات قرارگرفت. سيستم انتقال بدون سيم(Wireless) برمبناي آنچه »كليف لوئيس« مي گويد:
»ارزانتر و بدون سوال و ابهام است«. ترانسميترهاي دماي Accutech كه مبتني بر انتقال بدون سيم است داراي يك باطري با عمر مفيد5 سال و محدوده عملكرد از500 تا2000 فوت است و با توجه به مقادير پروتكل MVP به ترانسميترهاي سيمي معمولي بسيار نزديك است. البته زمان پاسخ دهي اين ترانسميترها نسبت به ترانسميترهاي سيمي به ميزان1 تا5 ثانيه كندتر است. اين ترانسميترها در جايي كه دسترسي براي نصب و استفاده از ترانسميترهاي سيمي امكان پذير نيست كاربرد دارند. برج هاي بلند، تجهيزات متحرك مانند كوره هاي دوار و خشك كن ها برخي از اين موارد هستند.
سنسورها و ترانسميترهاي ديجيتال
گرچه با توجه به مزاياي گفته شده در بالا استفاده از سنسورهاي نوري و راه حل هاي كنترلي آنها مفيد است، ليكن بايد بپذيريم كه اين روش ها هنوز گران هستند و در اين بين ترانسميترهاي ديجيتال مي توانند راه حلي اقتصادي و منطقي باشند.
كامپيوترهاي قابل برنامه ريزي تحت Mod Bus ساخت كمپاني TMZ ، قابليت ارسال اطلاعات مربوط به سيگنال جريان يا ولتاژ ترموكوپل و مقاومت هاي حرارتي را تا32 ورودي توسط يك جفت سيم از نوع فيبر دارد.
(شكل شماره3)
سيستم فاكس بورو، دامنه وسيعي از ترانسميترهاي دما را كه سيگنالهاي ورودي ترموكوپل ها، مقاومت هاي حرارتي، مقاومت و منابع در حد
ميلي ولت را مي پذيرد، ارايه مي دهد. براي مثال ترانسميترRTT 15 I/A با قابليت Hart و بر مبناي فيلد باس H1 و پروفي باس PA طراحي شده است. سري RTT 20 نيز علاوه بر محدوده 4~20mA مي تواند تحت خروجي هاي منطقي مربوط به فاكس قرار گيرد و با اتصال ترمينال هاي آن به كامپيوتر و يا سري هاي ورودي و خروجي فاكس بورو فعال شود.
در ميان ترانسميترهاي آنالوگ، ترانس ميتر Sitranns TF ساخت شركت زيمنس به چشم مي خورد كه علاوه بر نمايش محلي مقادير اندازه گيري شده مي تواند با تبديل اين مقادير به سيگنال مناسب براي ورودي سيستم كنترل مركزي(DCS) بكار رود.اين ترانسميترها تحت استاندارد IP-65 هستند.
Reference:Chemical Engineering Magazine- May 2005
در ميان روش هاي اندازه گيري دما كه در صنايع شيميايي وجود دارد، روش هايي كه مبتني برفيبرنوري هستند جزو جديد ترين و جالب ترين روش ها محسوب مي شود.
ايمني در محيط هاي پرريسك، محافظت در برابرفركانس هاي راديويي و الكترومغناطيسي از نوع RFI و EMI ، سطح پايين اختلال در سيگنال كنترلي و دقت بالا از جمله مزاياي استفاده از اين روشهاست. استفاده از سيستم هاي فيبرنوري باعث كاهش هزينه هاي مربوط به كنترل نسبت به مدارهاي حاوي ترموكوپل ها و مقاومت هاي حرارتي(RTD) شده است.
فيبرهاي نوري مي توانند مدت زمان زيادي براي انتقال حرارت و دما از فرآيند كنترل شونده به پيرومتر نوري و يا ترمومتر از نوع مادون قرمز بكار روند. اين موضوع كار اندازه گيري را در فضاهاي كوچك آسان مي سازد و سبب ايزولاسيون وسيله اندازه گيري مورد استفاده مي شود.
نمونه هاي موجود چنين سيستم هايي از سري SA شبيه ترمومترهاي مادون قرمز توليدي در كمپاني ايركان (Ircon) است. در چنين سيستم هايي ابزار مورد نظر توسط يك كابل فيبرنوري- كه با لايه محافظي از جنس استيل پوشيده شده - به فرآيند مورد اندازه گيري متصل مي شود.
سنسورهاي فيبر نوري
برخي از طراحان سيستمهاي كنترل، طراحي خود را بر پايه كوچك كردن هر چه بيشتر سنسورها قرار داده اند بطوريكه اين سنسورها بتوانند در فيبر نوري جمع شوند. اين سيستمها بر مبناي ميزان طول موج ارسالي يا منعكس شده به وسيله سنسورها (نه طول موج ارسال شده از منبع) دماي هر بخش را اندازه گيري مي كنند.
سال گذشته كمپاني اولوما(Oluma) به سيستم سنسورهاي انتشار دهنده درجه حرارت(DTS) دست يافت كه از يك رشته فيبرنوري ساده براي اندازه گيري دما با خطايي در حدود0/9 درجه فارنهايت و فاصله100 الي2 هزار متر بهره مي برد. از جمله كاربردهاي اين سيستم تشخيص نشتي در سيستم لوله كشي و مونيتورينگ بسيار مناسب سيستم مربوط به روغن است. اين سيستم در بستر فرآيند قرار داشته و هر بخش فيبرنوري همانند يك سنسور نسبت به نقاط انعكاسي عمل مي كند. با توجه به آنچه »الوما« ارايه كرده ، اين ابزار جديد به اندازه كافي براي استفاده در سيستم هاي انتشار درجه حرارت، منطقي و مقرون به صرفه است.
كمپاني »ديويدسون« براي اندازه گيري دما در سيستم هاي فيبرنوري خود از تكنولوژي متفاوتي كه بنام سنسورهاي Faber-Perot شناخته مي شود، بهره مي برد. اين سنسورها از دو آينه داخلي براي ايجاد يك حفره رزونانسي استفاده مي كنند.
حال اگر فضاي موجود بين دو آينه با توجه به تغييرات حرارتي و يا نيروهاي اعمال شده تغيير كند، فركانس رزونانس سيستم تغيير مي كند. اين كمپاني از تكنولوژي موسوم به مايكرو الكترومكانيك(MEMS) براي ساخت سنسورهاي كوچك سيليكوني بهره مي برد. مي توان گفت ساده ترين ويژگي اين سنسورها اندازه گيري دماي32 نقطه از سيستم در ارتفاع47 فوت تا دماي500 درجه فارنهايت است.
سنسورهاي نوع سوم، سنسورهايBrag Grating است كه بر پايه جديدترين نمونه هاي سيستم Spectro Bay توسط شركت خدماتي »باير تكنولوژي« عرضه شده است. اين سنسور مي تواند دماي مربوط به30 نقطه مختلف را كه حداكثر در فاصله يك هزار متر از آن باشند برپايه بروشورهاي منتشر شده توسط شركت سازنده با خطايي در حد1/2 درجه فارنهايت اندازه گيري كند.
فيبر Brag نوعي تجهيزات نوري است كه با يكبار استفاده از ليزر قدرتمند ماوراي بنفش ايجاد مي شود. فضاي عبور نور انعكاس يافته، تنها5 ميلي متر طول دارد كه اين موضوع باعث مي شود تا برخي از نورهاي انعكاس يافته بازگردانده شود(شكل شماره2).
اين فيبر مي تواند با توجه به هر نقطه دلخواه در فيبرنوري كنترل شونده تعريف شود. اين مجموعه- يعني فيبر و سنسورهاي آن- توسط كمپاني آلماني AOS توليد شده است.
در يك سمت فيبرنوري، منبع نوري مادون قرمز وجود دارد كه
تبديل هاي سريع آن توسط سازنده نوري تعريف شده است و در سمت ديگر فيبرنوري يك ذره نوري قرارداردكه آن ذره چرخنده(Circulator) گفته مي شود و وظيفه اين ذره انتقال و هدايت نور از منبع به فيبر و سپس انتقال موج انعكاس يافته(بازگشتي) به اسپكترومتر است.
سنسورهاي مختلف مي توانند توسط اسپكترومتر تشخيص داده شوند چرا كه هر كدام از فيبرهايBrag برپايه يك طول موج مشخص ساخته شده است و هنگامي كه تغييراتي در آن مشاهده مي شود نشانگر آنست كه حتماً تغييرات دمايي ايجاد شده است.
در اين ميان آنچه ضروري بنظر مي رسدجلوگيري از تداخل طول موج اندازه گيري بين دو مقدار تعريف شده، براي اندازه گيري هر سنسور است. اين سيستم مي تواند در هر لحظه حداكثر به6 فيبر مجزا و جدا از هم متصل شود. اما با توجه به تعريف سيستم، دليلي براي اين محدوديت نداريم و در واقع بايستي پرسيد كه چرا ما قادر به استفاده از فيبرهاي نوري بيشتري نيستيم و يا اينكه چرا نقاط بيشتري از هر فيبر اندازه گيري نمي شوند؟
بر پايه طراحي هاي انجام شده در صنايع شيميايي، آنچه فيبرBrag ارايه مي دهد، جديد نيست و سيستم پيشنهادي Spectro Bay به مراتب جديدتر و به نيازهاي موجود در صنايع شيميايي نزديك تر است. بر پايه اطلاعات بروشورها، در يك مقايسه اقتصادي، اين سيستم به هيچ عنوان با سيستم
ساده اي كه در آن از ترموكوپل و مقاومت حرارتي بهره مي بريم قابل مقايسه نيست. ويژگي هايي كه باعث مي شود تا سيستم Spectro Bay مورد توجه قرارگيرد عبارتند از:
- نياز به بهره گيري از تعداد زيادي سنسور
- قابليت اتصال اين سنسورها به يكديگر
- قابليت كار در محيط هاي پرريسك
-قابليت ارتباط با سيستم فيبرنوري كه به منظور اندازه گيري همزمان و جمع آوري داده هاي مربوط به آنها استفاده مي شود.
هنگامي كه هزينه هاي مربوط به كابل كشي سيستم ها بسيار بالاتر از حد انتظار شد، جايگزيني سيستم ارزانتر و ساده تر جزو ملزومات قرارگرفت. سيستم انتقال بدون سيم(Wireless) برمبناي آنچه »كليف لوئيس« مي گويد:
»ارزانتر و بدون سوال و ابهام است«. ترانسميترهاي دماي Accutech كه مبتني بر انتقال بدون سيم است داراي يك باطري با عمر مفيد5 سال و محدوده عملكرد از500 تا2000 فوت است و با توجه به مقادير پروتكل MVP به ترانسميترهاي سيمي معمولي بسيار نزديك است. البته زمان پاسخ دهي اين ترانسميترها نسبت به ترانسميترهاي سيمي به ميزان1 تا5 ثانيه كندتر است. اين ترانسميترها در جايي كه دسترسي براي نصب و استفاده از ترانسميترهاي سيمي امكان پذير نيست كاربرد دارند. برج هاي بلند، تجهيزات متحرك مانند كوره هاي دوار و خشك كن ها برخي از اين موارد هستند.
سنسورها و ترانسميترهاي ديجيتال
گرچه با توجه به مزاياي گفته شده در بالا استفاده از سنسورهاي نوري و راه حل هاي كنترلي آنها مفيد است، ليكن بايد بپذيريم كه اين روش ها هنوز گران هستند و در اين بين ترانسميترهاي ديجيتال مي توانند راه حلي اقتصادي و منطقي باشند.
كامپيوترهاي قابل برنامه ريزي تحت Mod Bus ساخت كمپاني TMZ ، قابليت ارسال اطلاعات مربوط به سيگنال جريان يا ولتاژ ترموكوپل و مقاومت هاي حرارتي را تا32 ورودي توسط يك جفت سيم از نوع فيبر دارد.
(شكل شماره3)
سيستم فاكس بورو، دامنه وسيعي از ترانسميترهاي دما را كه سيگنالهاي ورودي ترموكوپل ها، مقاومت هاي حرارتي، مقاومت و منابع در حد
ميلي ولت را مي پذيرد، ارايه مي دهد. براي مثال ترانسميترRTT 15 I/A با قابليت Hart و بر مبناي فيلد باس H1 و پروفي باس PA طراحي شده است. سري RTT 20 نيز علاوه بر محدوده 4~20mA مي تواند تحت خروجي هاي منطقي مربوط به فاكس قرار گيرد و با اتصال ترمينال هاي آن به كامپيوتر و يا سري هاي ورودي و خروجي فاكس بورو فعال شود.
در ميان ترانسميترهاي آنالوگ، ترانس ميتر Sitranns TF ساخت شركت زيمنس به چشم مي خورد كه علاوه بر نمايش محلي مقادير اندازه گيري شده مي تواند با تبديل اين مقادير به سيگنال مناسب براي ورودي سيستم كنترل مركزي(DCS) بكار رود.اين ترانسميترها تحت استاندارد IP-65 هستند.
Reference:Chemical Engineering Magazine- May 2005
