Elektromanyetik Debimetre Çalışma Prensibi ve Montajı

Elektromanyetik debimetre nedir?

Elektromanyetik debimetre, borudan akan iletken bir sıvının debisini, sıvının manyetik alan içinde ürettiği gerilimden ölçen debimetredir. İngilizce kaynaklarda kısaca “magmeter” diye geçer; Türkçede manyetik debimetre ya da manyetik akış ölçer adlarıyla da aranır. Ölçüm borusunun içine giren bir parça yoktur ve cihazın iç çapı, bağlandığı borunun çapıyla aynı olabilir.

Uluslararası standart ISO 20456:2017, endüstriyel elektromanyetik debimetrelerin kullanımı için yol gösterir. Kapsamı, kapalı ve tam dolu bir boruda akan iletken sıvının debisini ölçen cihazlardır; bobinleri alternatif akımla ya da darbeli doğru akımla sürülen tipler buna dahildir. Kısmen dolu borularda ya da açık kanallarda çalışan cihazlar, batırma tipi (insertion) debimetreler, manyetik geçirgenliği olan bulamaçlar ve sıvı metaller standardın kapsamı dışındadır.

Debinin ne olduğu ve diğer ölçüm ilkeleri debi nedir rehberinde anlatılır; bu rehber elektromanyetik debimetrenin nasıl çalıştığına ve nasıl monte edildiğine odaklanır.

Elektromanyetik debimetre nasıl çalışır?

Elektromanyetik debimetre, Faraday’ın indüksiyon yasasıyla çalışır: manyetik alan içinde hareket eden bir iletkende, hareket hızıyla orantılı bir gerilim oluşur. Debimetrede bu iletken, borudan akan sıvının kendisidir. Bobinler ölçüm borusunun içinde bir manyetik alan oluşturur; borunun iç duvarına karşılıklı yerleştirilmiş iki elektrot da sıvı bu alandan geçerken oluşan gerilimi algılar. Akış yönü, manyetik alanın yönü ve iki elektrodu birleştiren çizgi birbirine dik üç eksen oluşturur.

Gerilim formülü: U = B · L · v

Elektrotlar arasında oluşan gerilim üç büyüklüğün çarpımıdır:

U = B · L · v

• U: elektrotlar arasında indüklenen gerilim, volt (V).
• B: manyetik akı yoğunluğu (manyetik alan), tesla (T).
• L: iki elektrot arasındaki uzaklık, metre (m). Elektrotlar borunun karşılıklı iki yanında durduğu için bu uzaklık ölçüm borusunun iç çapına karşılık gelir.
• v: sıvının ortalama akış hızı, metre bölü saniye (m/s).

Birimler birbirini tamamlar: tesla, weber bölü metrekaredir; weber de volt çarpı saniyedir. Bu yüzden tesla × metre × metre/saniye çarpımı volt verir.

Örnek: Hesabı göstermek için manyetik akı yoğunluğunu 0,01 T kabul edelim; bu, gerçek bir cihazın değeri değildir. İç çapı 80 mm (0,08 m) olan bir ölçüm borusunda sıvı 1,5 m/s ortalama hızla akıyorsa:

U = 0,01 T × 0,08 m × 1,5 m/s = 0,0012 V = 1,2 mV

Hız 3 m/s’ye çıkarsa gerilim 2,4 mV olur. Bir cihazda B ve L sabit olduğu için gerilim yalnız akış hızıyla değişir ve hızla doğru orantılıdır. Bir fizik ders kitabı aynı bağıntıyı kan akışının ölçümüne uygular: 0,1 T’lık alanda, iç çapı 4 mm olan bir damarda 20 cm/s ortalama hızla akan kan için gerilim yalnız 80 µV çıkar. Gerilimin bu kadar küçük olması, aşağıda anlatılan topraklamanın neden önemli olduğunu da gösterir.

Bobinler, elektrotlar, astar ve dönüştürücü ne işe yarar?

• Bobinler: Ölçüm borusunun iki yanında durur ve sabit şiddette bir manyetik alan oluşturur. Bir üreticiye göre alanı darbeli doğru akımla (pulsed DC) oluşturmak kanıtlanmış modern bir yöntemdir; bu sayede parazit gerilimleri hesaptan ayıklanır. İlk elektromanyetik debimetrelerde bobinler şebeke frekansındaki alternatif akımla sürülüyordu ve akış yokken sıfır noktası kararlı değildi; kare dalga biçimindeki darbeli doğru akım bu kararlılığı sağladı. BMF2000’in kataloğunda da bobin beslemesi darbeli DC olarak verilir.
• Elektrotlar: Sıvıya temas eder ve indüklenen gerilimi algılar. Bazı cihazlarda iki ölçüm elektrodunun yanında, cihazla sıvı arasında potansiyel eşitlemeye yarayan bir referans (topraklama) elektrodu ve ölçüm borusunun boş ya da kısmen dolu olduğunu algılayan bir boş boru elektrodu da bulunur.
• Astar (iç kaplama): Elektrotlarla ölçüm borusu arasındaki yalıtkan katmandır; ölçüm borusunun sıvıya bakan yüzeyi iletken olsaydı devre çalışmazdı.
• Dönüştürücü (transmitter): BMF2000 kullanım kılavuzundaki tanıma göre dönüştürücü bobinleri uyartım akımıyla besler, sensörden gelen gerilimi yükseltir ve akım ya da frekans gibi standart bir sinyale çevirir. Kılavuz cihazı iki ana parçayla tanımlar: ölçüm borusunu, yalıtkan kaplamayı ve ölçüm elektrotlarını içeren sensör ile sinyal işleme, debi hesabı, gösterge ve çıkış sinyallerinden sorumlu dönüştürücü. BMF2000’de dönüştürücü sensörün üzerinde (kompakt) ya da ayrı bir yerde (ayrık) olabilir.

Akış hızından debi nasıl hesaplanır?

Debi, elektrotlarla ölçülen ortalama akış hızının ölçüm borusunun kesit alanıyla çarpılmasıyla bulunur: Q = A · v. Ölçüm borusunun kesit alanı bilindiği için dönüştürücü bu hesabı kendisi yapar.

BMF2000 kullanım kılavuzu aynı hesabı, iç çap milimetre ve hız m/s cinsinden girilecek biçimde verir:

Q (L/s) = 0,0007854 × ID² × V

Buradaki 0,0007854 katsayısı π/4 ile 0,001’in çarpımıdır: π/4 × ID² dairesel kesitin alanını verir, 0,001 de mm² × m/s biriminden L/s’ye geçişi sağlar. Örnek: iç çapı 80 mm olan bir boruda ortalama hız 1,5 m/s ise:

Q = 0,0007854 × 80² × 1,5 = 0,0007854 × 6.400 × 1,5 ≈ 7,54 L/s

Bu değer yaklaşık 27,1 m³/h’e eşittir (7,54 × 3,6). Başka birimlerdeki karşılığını debi birimi çevirici verir; Q = A · v bağıntısının ayrıntıları ve boru çapına göre debi tablosu debi nedir rehberindedir. DN ya da inç ölçüsüyle anılan bir hattın iç çapını boru çapları tablosunda bulabilirsiniz.

Elektromanyetik debimetre hangi sıvılarda kullanılır?

Elektromanyetik debimetre, elektriği ileten sıvılarda kullanılır: su, atık su, asitler ve bazlar (kostikler) ile kağıt hamuru ve kireç bulamacı gibi katı oranı yüksek sıvılar bu gruba girer. Bir üreticinin pratik kuralına göre pompalanabilen iletken bir sıvı, elektromanyetik debimetreyle ölçülebilir. Bir başka üreticinin uzmanına göre de uygulamadaki tek kesin kural, sıvının iletken olmasıdır.

En düşük iletkenlik ne olmalı?

Sıvının iletkenliği, cihaz için verilen en düşük iletkenliğin üzerinde olmalıdır. Bir üreticiye göre her üretici bu sınırı kendi tasarım teknolojisine ve cihaz çapına göre belirtir; iletkenlik sınırın üzerinde kaldıkça iletkenlikteki dalgalanmalar ölçümü etkilemez. Sektör yazılarında alt sınır genellikle 5 µS/cm olarak anılır. Elektromanyetik Debimetre BMF2000 için ürün sayfasında ve kataloğunda verilen alt sınır 5 µS/cm’dir.

Hangi akışkanlarda kullanılmaz?

• İletken olmayan sıvılar: Yağ bazlı sıvıların çoğu iletken değildir; bu yüzden elektromanyetik debimetre birçok rafineri uygulamasının dışında kalır.
• Gaz ve buhar: Elektromanyetik debimetre gazlarda çalışmaz; ISO 20456’nın kapsamı da iletken sıvılarla sınırlıdır. Buhar ve gaz hatları için önerdiğimiz tipler debimetre sayfasındaki seçim tablosunda yer alır.
• Hava ya da gaz dolu boru: Bir yazara göre boru, sıvının içine karışmış gaz ya da havayla doluysa cihaz çalışmaz.
• İletkenliği düşük saf su: Saf ve demineralize su hatlarında hangi debimetre tiplerini önerdiğimiz BMF2000 sayfasındaki sık sorulan sorularda yer alır.

Elektrot ve astar malzemesi nasıl seçilir?

Astar ve elektrotlar sıvıya doğrudan temas ettiği için malzemeleri sıvının kimyasal etkisine, aşındırıcılığına ve sıcaklığına, astarda ayrıca hatta vakum oluşup oluşmadığına göre seçilir. BMF2000 kullanım kılavuzu da sıvıya temas eden parçaların (astar ve elektrotlar) akışkanın aşındırıcılığına ve planlanan işe uygun olup olmadığının kontrol edilmesini ister.

Astar: Bir üreticiye göre en yaygın astar malzemeleri arasında poliüretan, sert kauçuk ve PFA ya da PTFE vardır; seramik astarlı tipler de üretilir. Astar, cihazın kullanım sınırlarını da belirler. Bir yazara göre elektromanyetik debimetrelerin basınç değerleri sıcaklık aralığının üst ucunda düşürülür ve aşırı ısınan astar şekil değiştirir; vakum oluşan hatlarda vakum astarı yerinden çekip çıkarabilir. BMF2000’de astar sert kauçuk ya da PTFE olarak seçilir; ürün sayfasına ve kataloğa göre akışkan sıcaklığının üst sınırı sert kauçukta 60 °C, standart PTFE astarda 150 °C’dir. Kullanım kılavuzu PTFE kaplamanın taşıma ve montajda daha fazla özen istediğini belirtir ve kurulum ile kullanım sırasında borularda aşırı düşük basınçtan kaçınılmasını ister.

Elektrot: Bir üreticiye göre elektrot malzemesini proses koşulları belirler; paslanmaz çelik, tantal ve platin bu malzemeler arasındadır. BMF2000’de standart elektrot malzemesi AISI 316L paslanmaz çeliktir; tantal ve titanyum da seçenekler arasındadır. Elektrot yüzeyinde biriken tortu yalıtkan olduğundan ölçülen gerilimi düşürebilir ya da devreyi tamamen kesebilir. BMF2000 kılavuzunun sorun giderme tablosu da kirlenmiş elektrodu boş boru alarmının olası nedenleri arasında sayar ve elektrodun temizlenmesini ister.

Uygun cihazı astar ve elektrot malzemesiyle birlikte belirlemek, cihaz seçimi danışmanlığımızın parçasıdır.

Elektromanyetik debimetrenin avantajları ve sınırları nelerdir?

Elektromanyetik debimetrenin başlıca avantajı akışa engel olmadan ölçmesidir: ölçüm borusunda hareketli parça ya da akışın içine giren bir eleman yoktur ve basınç kaybı oluşmaz.

Avantajları:

• Basınç kaybı yok: BMF2000 kataloğunda da basınç kaybı “yok” olarak verilir.
• Koşullardan az etkilenir: Bir üreticiye göre basınç, sıcaklık ve viskozitenin ölçüme etkisi ihmal edilebilir düzeydedir; akış profilinin etkisi de azdır.
• Katı içeren sıvılar: Kağıt hamuru ve bulamaçlar gibi katı oranı yüksek sıvılarda kullanılabilir; aynı üreticiye göre katı içeren sıvılar için özel sensörler gerekebilir.
• Az bakım: Bir yazara göre hareketli parçası olmadığı için yıllarca bakım istemeden çalışabilir. BMF2000 kullanım kılavuzu özel bakım gerekmediğini belirtir, yılda bir de kalibrasyon ayarı yaptırılmasını önerir.

Sınırları:

• İletkenlik şartı: İletken olmayan sıvılar ve gazlar ölçülemez.
• Tam dolu boru: Boru boşsa elektrotlar sıvıya değmez ve gerilim algılanamaz. Boru kısmen dolu olduğu halde elektrotlar ıslak kalıyorsa, bir üreticiye göre ölçüm hatası sıvıdaki havanın oranıyla orantılıdır.
• Astarın sınırları: Bir üreticiye göre ölçüme sınır koyan, sensörün fiziksel yapısı ve astar malzemesidir. Astarın sıcaklık ve vakumla ilgili sınırları yukarıdaki astar seçimi bölümünde anlatılır.
• Kısa süreli dolum (batch) işleri: Bir yazara göre akışın başlaması ile cihazın doğru hızı okuması arasında bir gecikme vardır ve elektromanyetik debimetreler kısa süreli dolum işlerinde iyi çalışmaz.

Elektromanyetik debimetre montajında nelere dikkat edilmeli?

Elektromanyetik debimetre, ölçüm borusu her koşulda sıvıyla dolu kalacak, önünde ve arkasında yeterli düz boru bulunacak ve sıvıyla aynı potansiyele topraklanacak biçimde monte edilmelidir. Müşterilerimize imkân varsa mutlaka akışın yukarı doğru olduğu dikey montajı öneriyor, düz boru mesafelerine dikkat etmelerini belirtiyoruz.

Boru neden her zaman tam dolu olmalı?

Boru boşalınca elektrotlar sıvıya değmez ve ölçüm yapılamaz; kısmen dolu boruda ise hata havanın oranıyla artar. 2000 yılında yayımlanmış bir sektör yazısına göre o dönemin elektromanyetik debimetrelerinin çoğu tam dolu boruyla kısmen dolu boruyu ayırt edemiyordu. Bugün bazı cihazlarda bu durumu algılayan, yukarıda anlatılan boş boru elektrodu bulunur. Uzun yatay hatlarda biriken hava cepleri ölçümü bozar; bu yüzden yatay hatta cihaz borunun alçak bir noktasına konur. Bir üretici, ölçüm borusunun her zaman dolu kalması için cihazın U biçimli bir çukurdan (ters sifon) önce takılmasını gösterir. Pompanın sağladığı pozitif basınç ve yokuş yukarı giden hat da borunun dolu kalmasına yardım eder.

BMF2000 kullanım kılavuzundaki montaj şekli aynı kuralları gösterir:

• Önerilen konumlar: borunun alçak kesimindeki yatay hat ve akışın yukarı doğru olduğu dikey hat. Yukarı doğru eğimli bir boru, kılavuzda ideal konum olarak gösterilir.
• Yanlış konumlar: borunun en üst noktası (hava kabarcıkları sensörde toplanır) ve serbest çıkışa doğru aşağı inen dikey boru (kılavuzdaki not: serbest çıkış, sıfır akış, su yok).
• Serbest giriş ya da çıkışlı hat: sensör, U biçimli bir çukura (sifon tuzağına) yerleştirilir.
• 5 m’den uzun hat: sensörden sonra bir hava alma vanası konur.

Sahada en sık karşılaştığımız hatalardan biri bu kuralla ilgilidir: cihaz hattın en üst noktasına ya da boşalan bir hatta takılır ve boru tam dolu kalmaz. Hattın boşalması önlenemiyorsa boş boru algılaması olan bir cihaz seçilmelidir. BMF2000’de boş boru alarmı bulunur; kullanım kılavuzuna göre bu alarm devredeyken boru boşalırsa analog ve dijital çıkışlar sıfıra iner ve gösterilen debi sıfır olur.

Neden dikey ve akış yukarı doğru monte edilir?

Akışın yukarı doğru olduğu dikey hatta, sıvıdaki hava kabarcıkları akışla, akış durduğunda da kaldırma kuvvetiyle cihazdan uzaklaşır; katı parçacıklar ise akış durunca yerçekimiyle aşağı düşer ve ölçüm borusunda birikmez. Yatay montaj da mümkündür, ancak akışın aşağı doğru aktığı dikey borular uygun değildir. BMF2000 kataloğu cihazın yatay ya da dikey monte edilebileceğini belirtir.

Elektrotlar hangi konumda olmalı?

BMF2000 kullanım kılavuzu, sensörün elektrot ekseni her zaman yatay kalacak biçimde boruya takılmasını ister. Kılavuz bu montaj önerilerini, hava kabarcıklarından ve kaplama bozukluklarından doğan ölçüm hatalarını önlemek için verir.

Pompa, conta ve boru bağlantılarında nelere dikkat edilir?

• Pompa: Pompanın emiş tarafı astar için risklidir. BMF2000 kılavuzu sensörün pompadan önce takılmamasını ister; emişte oluşan vakum astarı ölçüm borusundan ayırabilir ve cihazın içine sıvı girmesine yol açabilir.
• Conta ve flanş: Kılavuza göre cıvatalar çapraz sırayla, eşit biçimde sıkılır ve boru hattı ile ölçüm borusunun eksenlerinin paralel olduğu kontrol edilir. Bir conta akış kesitine taşarsa türbülans yaratır ve ölçüm kalitesini düşürür.
• Kaynak: Bir sektör yazısına göre astar ve dış kaplama zarar görmesin diye cihazın yakınında kaynak yapılmaz; kaynak işleri sensör takılmadan önce bitirilir.
• Titreşim ve manyetik alan: BMF2000 kılavuzu, borunun titreşmemesi için sensörün önünden ve arkasından sabitlenmesini ve sensörün yakınına güçlü manyetik alana sahip nesneler getirilmemesini ister.

Düz boru mesafesi ne kadar olmalı?

Elektromanyetik debimetrenin önünde ve arkasında düz boru bırakılır; üreticilerin genel kuralları önde 5 boru çapı, arkada 2 ya da 3 boru çapı düzeyindedir. Bir üreticinin yazısına göre yatay hatta bir dirsekten sonra önde 5 boru çapı gerekir; bağımsız testler, önde 3 boru çapından kısa düz boru kaldığında borudaki elemanların ölçümü etkileyebildiğini göstermiştir ve bu hatalar boru düzenine ve öndeki düz boru uzunluğuna göre genellikle %0,1 ile %1,5 arasındadır.

BMF2000 kullanım kılavuzundaki şekle göre bu cihazda önde en az 5, arkada en az 2 iç çap (5 × ID ve 2 × ID) uzunluğunda düz boru bırakılır; şekilde iki ölçü de cihazın ortasından başlar. Kılavuz, düz boru mesafesi gerektirmeyen bir bağlantıyı da gösterir: hat, cihazın giriş flanşına doğrudan bağlanan bir redüksiyonla daha küçük çapa iner.

Örneğin DN 100 bir hatta önde 5 boru çapı yaklaşık 0,5 m, arkada 2 ya da 3 boru çapı yaklaşık 0,2-0,3 m düz boru demektir. Kesin değer cihazın montaj kılavuzunda verilir. Cihazın önünde ve arkasında yetersiz düz boru bırakılması da sahada en sık gördüğümüz hatalardandır.

Topraklama nasıl yapılır?

Topraklama, cihazla içinden geçen sıvı arasında potansiyel eşitler ve borudaki kaçak gerilimlerin ölçüme karışmasını önlemeye yarar. Bir üreticinin yazısına göre elektromanyetik debimetre borudaki kaçak toprak akımlarına duyarlıdır; ölçüm bölümündeki 5-6 milivoltluk kaçak gerilim sinyali anlamsız hale getirebilir, çünkü dönüştürücü bu gerilimi gerçek sinyalle karıştırır.

• Kaplamasız metal boru: Aynı yazıya göre bu borularda proses topraklaması genellikle iyidir. Yine de önlem olarak boru flanşlarıyla cihaz flanşları arasına topraklama şeridi çekilir ve boru flanşlarından biri iyi bir toprağa bağlanır.
• Plastik ya da içi yalıtkan kaplı boru: Bu borularda kaçak gerilimler önemli ölçüm hatalarına yol açabilir. Topraklama halkası, diski ya da topraklama elektrodu kullanılır; halkalar cihazın iki ucundaki flanşlara bağlanır. Bir başka üreticiye göre ayrı topraklama diskleri (halkaları), cihazla sıvı arasında potansiyel eşitleyen referans elektroduyla aynı işi görür.
• BMF2000: Kullanım kılavuzuna göre dönüştürücü kutusundaki bakır PE topraklama bağlantısının temas alanı 1,6 mm²’den büyük, temas direnci 10 Ω’dan küçük olmalıdır. Kılavuzun sorun giderme tablosu, debi göstergesinin dengesiz olmasının olası nedenleri arasında topraklama hatasını, sıvıdaki havayı ve dönüştürücünün elektriksel parazit kaynaklarına yakın olmasını sayar.

Sahada en sık gördüğümüz montaj hataları nelerdir?

Elektromanyetik debimetre montajında sahada en sık karşılaştığımız hatalar şunlardır:

• Düz boru mesafesi yetersiz: Cihazın önünde ve arkasında kılavuzun istediği düz boru bırakılmamıştır.
• Boru tam dolu değil: Cihaz hattın en üst noktasına ya da boşalan bir hatta takılmıştır.
• Topraklama yok ya da eksik: Topraklama hiç yapılmamış ya da eksik yapılmıştır. Plastik ve içi kaplı borularda nelere dikkat edileceği yukarıdaki topraklama bölümündedir.

Bu hataların önüne geçmek için ölçüm noktasını keşifle sizinle birlikte seçebilir, montajı ve ardından devreye almayı sahada yapabiliriz. Elektromanyetik debimetrelerin kalibrasyon ayarını, yani cihazın çalıştığı yerde kontrol edilip ayarlanmasını da üstleniyoruz; ayrıntılar hizmetlerimiz sayfasındadır.

Elektromanyetik debimetre hangi çıkış sinyallerini verir?

BMF2000, ölçtüğü debiyi 4-20 mA analog akım sinyaliyle, puls ya da frekans çıkışıyla ve dijital haberleşmeyle kontrol sistemine aktarabilir. Müşterilerimiz cihazlarımızdan veriyi en çok 4-20 mA analog çıkışla PLC ya da SCADA sistemine ve RS485 üzerinden Modbus RTU haberleşmesiyle alıyor. BMF2000’de HART ve RS485 üzerinden Modbus haberleşme seçenekleri vardır; bunlar siparişte modele göre seçilir. 4-20 mA akım döngüsünün nasıl çalıştığı 4-20 mA sinyal nedir rehberinde anlatılır.

BMF2000 kullanım kılavuzuna göre dijital çıkış iki biçimde kullanılır:

• Frekans çıkışı: Frekans anlık debiyle orantılıdır; üst sınırı 5000 Hz’e kadar ayarlanabilir. Anlık debiyi izlediği için kontrol uygulamalarında kullanılabilir.
• Puls çıkışı: Her puls, 0,001 L ile 1 m³ arasında seçilen belirli bir hacme karşılık gelir ve toplam miktarın sayılmasında kullanılır. Puls birimi cihazın debi aralığıyla uyumlu seçilmelidir; büyük debide çok küçük bir puls birimi, puls çıkışının üst sınırını aşar.

İki çıkış aynı çıkış ucunu kullandığı için aynı anda yalnız biri seçilebilir. Bunların yanında üst ve alt debi sınırları için alarm çıkışları da vardır.

Elektromanyetik debimetre seçerken akışkanı, sıcaklığını, hat çapını ve kontrol sisteminizin beklediği sinyali bize iletin; cihazı uygun astar, elektrot ve çıkış seçenekleriyle birlikte belirleyelim.