سامانه ‏های غیرخطی در مهندسی برق

سامانه ‏های غیرخطی در مهندسی برق

طراحی دبی سنج کوریولیس برای سنجش جریان های کم بر اساس روش محاسبه سریع ابداعی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشجوی دکتری مهندسی برق، دانشکده مهندسی برق، دانشگاه صنعتی سهند، تبریز، ایران
2 2 دانشیار، دانشکده مهندسی برق، دانشگاه صنعتی سهند، تبریز، ایران
3 3 استاد، دانشکده مهندسی برق، دانشگاه صنعتی سهند، تبریز، ایران
چکیده
در این مقاله، یک دستگاه دبی‌سنج جرمی کوچکمقیاس مبتنی بر نیروی کوریولیس، به‌منظور اندازه‌گیری جریان‌های کم‌حجم، طراحی و شبیه‌سازی شده است. دبی‌سنج پیشنهادی از نوع دو لوله‌ای U شکل بوده و برای کاربردهای پزشکی و داروسازی مورد استفاده قرار می‌گیرد. از مهم‌ترین ویژگی‌های این دستگاه می‌توان به دقت بالا، عدم وابستگی به ویژگی‌های فیزیکی سیال مانند دما، فشار و چگالی اشاره کرد. در این تحقیق، یک روش محاسباتی ساده و سریع برای برآورد نیروی کوریولیس در دبی‌سنج‌های دو لوله‌ای ارائه شده است. این روش مبتنی بر استفاده از کرل جابجایی ضربدر فرکانس طبیعی به جای استخراج مستقیم سرعت لوله است. رویکرد پیشنهادی به طرز چشمگیری زمان محاسبه را کاهش داده و برای تحلیل‌های پارامتریک یا طراحی‌های اولیه بسیار مؤثر است. فرآیند طراحی و شبیه‌سازی این دبی‌سنج با استفاده از نرم‌افزار کامسول  و در ابعاد میلی‌متری انجام شده است. نتایج حاصل از شبیه‌سازی نشان‌دهنده اختلاف فاز قابل‌قبول معادل 8/5 درجه بین خروجی حسگرهای متصل به بازوهای چپ و راست لوله است، که عملکرد مناسب دستگاه را در اندازه‌گیری دقیق جریان تأیید می‌کند.
کلیدواژه‌ها

  [1]     Enoksson, Peter; Stemme, Göran; Stemme, Erik, "A Coriolis Mass Flow Sensor Structure in Silicon," Proceedings of the IEEE International Workshop on Micro Electromechanical Systems (MEMS), 1996, 11–15 Feb, San Diego, USA.
  [2]     Wang, Tao; Baker, Roger, "Coriolis flowmeters: A review of developments over the past 20 years, and an assessment of the state of the art and likely future directions," Flow Measurement and Instrumentation, 2014, Vol. 40, pp. 1–11.
  [3]     Sparreboom, Wouter; Van de Geest, Jan; Katerberg, Marcel; Postma, Ferry; Haneveld, Jeroen; Groenesteijn, Jarno; Lammerink, Theo; Wiegerink, Remco; Lötters, Joost, "Compact Mass Flow Meter Based on a Micro Coriolis Flow Sensor," Micromachines, 2013, Vol. 4, No. 1, pp. 22–33.
  [4]     Hu, Yuh-Chung; Chen, Zen-Yu; Chang, Pei-Zen, "Fluid–Structure Coupling Effects in a Dual U-Tube Coriolis Mass Flow Meter," Sensors, 2021, Vol. 21, No. 3, Article 982.
  [5]     Groenesteijn, Jarno; de Boer, Michiel J.; van Putten, Jeroen; Sparreboom, Wouter; Lötters, Joost C.; Wiegerink, Remco J., "Fabrication of Free Hanging Tubes for a High Flow Micro-Coriolis Mass Flow Meter," Proceedings of the 4th Conference on Microfluidic Handling Systems, 2019, pp. 93–96.
  [6]     Alveringh, Dennis; Wiegerink, Remco J.; Lötters, Joost C., "Integrated Pressure Sensing Using Capacitive Coriolis Mass Flow Sensors," Journal of Microelectromechanical Systems, 2017, Vol. 26, No. 3, pp. 653–661.
  [7]     Zhang, Yanjin; Liu, Yajun; Liu, Zhendong; Liang, Weiping, "Developing a Long Short-Term Memory-based Signal Processing Method for Coriolis Mass Flowmeter," Measurement, 2019, Vol. 137, pp 106896.
  [8]     Anklin, Martin; Drahm, Wolfgang; Rieder, Alfred, "Coriolis mass flowmeters: Overview of the current state of the art and latest research," Flow Measurement and Instrumentation, 2006, Vol. 17, No. 6, pp. 317–323.
  [9]     Chen, Kun; Zheng, Dezhi; Fan, Shangchun; Li, Fan; Zhao, Jianhui, "Novel Coriolis Mass Flowmeter Signal Processing Algorithms Based on DFT and Digital Correlation," Proceedings of the 2010 IEEE Symposium on Industrial Electronics and Applications (ISIEA), 2010, 3–5 Oct, Penang, Malaysia, pp. 56–60.
[10]     Tu, Yaqing; Zhang, Haitao, "Method for CMF Signal Processing Based on the Recursive DTFT Algorithm With Negative Frequency Contribution," IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2008, Vol. 57, No. 11, pp. 2647–2654.
[11]     Lin, Wei; Zhao, Jing-Lei, "A Novel Method Based on Hilbert Transform for Signal Processing of Coriolis Mass Flowmeter," International Journal of Pattern Recognition and Artificial Intelligence, 2018, Vol. 32, No. 10, Article 1858001.
[12]     Yang, Huiyue; Tu, Yaqing; Zhang, Haitao; Yang, Kanghui, "A Hilbert Transform Based Method for Dynamic Phase Difference Measurement," Proceedings of the 2012 24th Chinese Control and Decision Conference (CCDC), 2012, 23–25 May, Taiyuan, China, pp. 2115–2119.
[13]     Yi, Peng; Tu, Yaqing; Xie, Min; Shen, Ting'ao, "Analysis of Phase Difference Tracking Methods for Signal of Coriolis Mass Flowmeter," Proceedings of the 10th World Congress on Intelligent Control and Automation (WCICA), 2012, 6–8 July, Beijing, China, pp. 502–507.
[14]     Ruoff, Jürgen; Gauchel, Wolfgang; Kück, Heinz, "Analysis of Signal Processing Algorithms of Coriolis Mass Flowmeters," Key Engineering Materials, 2014, Vol. 605, pp. 408–411.
[15]     Yariesbouei, Mahdieh; Sanders, Remco G. P.; Wiegerink, Remco J.; Lötters, Joost C., "Modeling, Fabrication, and Testing of a 3D-Printed Coriolis Mass Flow Sensor," Sensors, 2023, Vol. 23, No. 8, Article 4062.
[16]     Enoksson, Peter; Stemme, Göran; Stemme, Erik, "Fluid Density Sensor Based on Resonance Vibration," Sensors and Actuators A: Physical, 1995, Vol. 47, pp. 327–331.
[17]     Enoksson, Peter; Stemme, Göran; Stemme, Erik, "A Silicon Resonant Sensor Structure for Coriolis Mass-Flow Measurements," Journal of Microelectromechanical Systems, 1997, Vol. 6, No. 2, pp. 119–125.
[18]     Najmzadeh, Mohammad; Haasl, Stefan; Enoksson, Peter, "A Silicon Straight Tube Fluid Density Sensor," Journal of Micromechanics and Microengineering, 2007, Vol. 17, No. 8, Article 1657
[19]     Smith, Richard; Sparks, David R.; Riley, David; Najafi, Nader, "A MEMS-Based Coriolis Mass Flow Sensor for Industrial Applications," IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2008, Vol. 56, No. 4, pp. 1066–1071.
[20]     Zhang, Yan; Tadigadapa, Srinivas; Najafi, Nader, "A Micromachined Coriolis-Force-Based Mass Flowmeter for Direct Mass Flow and Fluid Density Measurement," in Transducers' 01 Eurosensors XV, Springer: Berlin/Heidelberg, Germany, 2001, pp. 1432–1435.
[21]     Sparks, David; Smith, Richard; Massoud-Ansari, Shahram; Najafi, Nader, "Coriolis Mass Flow, Density and Temperature Sensing with a Single Vacuum Sealed MEMS Chip," in Proceedings of the Solid-State Sensor, Actuator and Microsystems Workshop, Hilton Head Island, SC, USA, June 6–10, 2004, Vol. 4.
[22]     Dijkstra, Maarten; de Boer, Michiel J.; Berenschot, Jeroen W.; Lammerink, Theo S.; Wiegerink, Remco J.; Elwenspoek, Miko, "A Versatile Surface Channel Concept for Microfluidic Applications," Journal of Micromechanics and Microengineering, 2007, Vol. 17, No. 10, Article 1971.
[23]     Haneveld, Jeroen; Lammerink, Theo S.; de Boer, Michiel J.; Sanders, Remco G.; Mehendale, Ashish; Lötters, Joost C.; Dijkstra, Maarten; Wiegerink, Remco J., "Modeling, Design, Fabrication and Characterization of a Micro Coriolis Mass Flow Sensor," Journal of Micromechanics and Microengineering, 2010, Vol. 20, No. 12, Article 125001.
[24]     Sparreboom, Wouter; van de Geest, Jeroen; Katerberg, Maarten; Postma, Feiko; Haneveld, Jeroen; Groenesteijn, Joost; Lammerink, Theo S.; Wiegerink, Remco J.; Lötters, Joost C., "Compact Mass Flow Meter Based on a Micro Coriolis Flow Sensor," Micromachines, 2013, Vol. 4, No. 1, pp. 22–33.
[25]     Zeng, Yufeng; Groenesteijn, Joost; Alveringh, Dennis; Wiegerink, Remco J.; Lötters, Joost C., "Design, Fabrication, and Characterization of a Micro Coriolis Mass Flow Sensor Driven by PZT Thin Film Actuators," Journal of Microelectromechanical Systems, 2021, Vol. 30, No. 6, pp. 885–896.
[26]     Schut, Tim; Wiegerink, Remco J.; Lötters, Joost C., "μ-Coriolis Mass Flow Sensor with Resistive Readout," Micromachines, 2020, Vol. 11, No. 2, Article 184.

  • تاریخ دریافت 25 اردیبهشت 1404
  • تاریخ بازنگری 30 تیر 1404
  • تاریخ پذیرش 07 مرداد 1404
  • تاریخ اولین انتشار 07 مرداد 1404
  • تاریخ انتشار 01 اسفند 1403