صحت سنجی و انواع آن

به جرات می­‌توان مدعی شد که تمام دستگاه‌های اندازه گیری با هر کاربردی، نیاز به واسنجی، صحت سنجی (پرووینگ - Proving) و یا تنظیم مجدد دارند، همان­‌گونه که وسایل سنجش غیر صنعتی نیز برای حصول اطمینان از دقت و درستی عمل­کرد آن بایستی به طور مرتب تنظیم گردند. برای واسنجی هر کدام از ابزارهای اندازه گیری صنعتی و غیر صنعتی تدابیر و ابزارآلات متفاوتی پیش­بینی شده است. از جانب دیگر دوره و بازه­ی زمانی لازم برای تنظیم مجدد ابزار اندازه گیری به عوامل متعددی بستگی دارد که به ویژه می­‌توان محل کاربرد و مورد استفاده­ دستگاه، عمر دستگاه، سازنده­ دستگاه، نوع متغیر مورد اندازه گیری، نوع حس­گر و شیوه اندازه گیری، ساختمان دستگاه، امکانات محلی، دقت، صحت و درستی اولیه‌ دستگاه را نام برد. گرچه سازندگان ادوات مختلف اندازه گیری، هنگام تولید آن، آزمایش و صحت سنجی­ های متعددی را انجام می­دهند اما در حین استفاده از دستگاه نیز عوامل زیادی وجود دارد که ضرورت تنظیمات مجدد و تكرار آن را سبب می‌شود. در این‌جا می­‌توان اشاره­ای داشت به قسمت­‌های مکانیکی و متحرکِ دستگاه که فرسایش احتمالی آن ضرورت تنظیمات مجدد را دوچندان می­‌نماید.

در صنعت چهار کمیت اندازه گیری می‌شود که عبارتند از دما، فشار، سطح مایعات و جریان سیالات. اندازه گیری کمیت­ه‌ای یاد شده هم به منظور کنترل آن در واحدهای فرآیندی است و هم می‌­تواند به منظور نمایش آن کمیت باشد. اندازه گیری جریان سیالات از لحاظ تنوع شیوه‌های موجود و همچنین از نظر کاربرد انحصاراً دارای ویژگی‌های خاص خود است. یکی از مهم­ترین کاربردهای اندازه گیری جریان سیالات، اندازه گیری آن به قصدِ فروش و صدور صورت­حساب است. مهم‌ترین و حساس‌­ترین کاربرد این­گونه ادوات، به‌­کارگیری آن در صدور مایعات و محصولات نفتی است که معمولاْ به صورت دو ملیتی خواهد بود. پنجم خرداد ۱۲۸۷ با بهره‌­برداری از اولین چاه نفت (در شهر مسجد سلیمان) ایران نیز به طلای سیاه دسترسی پیدا کرد. حدود پنج سال بعد، اولین محموله‌­های نفتی به صورت ظروفِ در بسته در سال 1293 صادر شد. بعد از آن و به مرور، صدور نفت خام توسط کشتی از بنادر زیبای آبادان آغاز گردید. امروزه نفت خام، میعانات نفتی، فرآورده­‌های نفتی و محصولات پتروشیمی (آروماتیک­‌ها) جزو صادرات نفتی به حساب می‌­آیند.

بروز یک خطای بسیار کوچک در اندازه­ گیری جریان سیال (مثلا در صادرات نفت خام یا فراورده)، می­‌تواند ارقام بسیار بزرگی را در جابجایی و انتقال یک محموله ۷۰۰ هزارتنی به کشتی جابجا کند. لذا، حساسیت روی صحت عملکرد دستگاه اندازه­ گیری جریان که در مسیر انتقال محموله­‌های بزرگ نفتی یا فراورده­‌های نفتی بسیار بیشتر از دیگر دستگاه­‌های اندازه­ گیری خواهد بود. با فرض فروش روزانه ۲ میلیون بشکه  نفت خام، چنان‌چه خطای دستگاه های اندازه گیری فقط در حد ۰.۲۵ درصد باشد، حدود ۵۰۰۰ بشکه در روز خطا وارد محاسبات می‌شود. با در نظر داشتن ۵۰ دلار بهای هر بشکه، رقم ۲۵۰.۰۰۰ دلار در روز و ۹۱.۲۵ میلیون دلار در سال هزینه‌ای است که  بابت ۰.۲۵ درصد خطای اندازه گیری پرداخت می­شود!

برای این­گونه تجهیزات به جای تنظیم (و هنگام آزمایش) یک ضریب تصحیح استخراج و محاسبه می­شود. یک تفاوت عمده و در عین حال ظریف، بین واسنجی و صحت سنجی  ادوات اندازه گیری وجود دارد. اغلب دستگاه­‌های اندازه­ گیری دارای قابلیت واسنجی هستند، به این مفهوم که توسط پیچ گوشتی (سخت افزاری) صفردرصد و صددرصد گستره­ اندازه ­گیری تنظیم می­‌شود (برخی ادوات نیز به صورت نرم‌­افزاری تنظیم می­‌شوند). اما تجهیزاتی که دارای کاربرد به عنوان کنتور هستند (ادوات اندازه­ گیری جریان) را به لحاظ مسایل حقوقی نباید بتوانیم دستکاری و یا تنظیم کنیم.  اگر واسنجی را برای یک دستگاه اندازه گیری جریان در نظر بگیریم، از جمله شرایط مزبور می­‌توان اشاره داشت به واسنجی در جریان‌های متفاوت با دما و چگالی گوناگون که در این حالت به ضریب تصحیح دست پیدا می‌­کنیم. اما صحت سنجی  معمولاً در شرایط واقعی فرآیند و با عبور دادن سیال با شرایط فیزیکی و شیمیایی واقعی از دستگاه اندازه گیری، به ضرایب مورد نظر دستگاه دست پیدا می­‌کنیم. به بیانی دستگاه اندازه گیری جریان را با دستگاه اندازه گیری مبنا (که قبلاً تحت آزمایش­‌های واسنجی قرار گرفته است) سری نموده و عمل­کرد آن­را در شرایط واقعی فرآیند می­‌سنجیم.

هدف اصلی ما از تعیین یک ضریب تصحیح یا MF برای دستگاه اندازه گیری جریان این است که با اعمال این ضریب در مقدار انداز­ه گیری شده، بتوانیم به ارقام واقعی سیال عبور داده شده از دستگاه دست یابیم. برای مثال، اگر داشته باشیم: MF=1.0003 یا MF=0.9995 این ارقام به مفهوم آن است زمانی­که شمارنده یک واحد از حجم سیال مطابق با ظرفیت دستگاه را نشان می‌دهد در واقع مقدار 1.0003 یا 0.9995 برابر از همان واحد حجم را از خود عبور داده است. می‌­دانیم در ساخت و تولید دستگاه‌های اندازه گیری جریان سیالات، از فناوری­های مکانیک و یا اغلب رویکردهای الکترومکانیکی استفاده شده است. لذا این دستگاه‌­ها (به‌­ویژه اگر قسمت متحرک داشته باشند) همواره در معرض خستگی، ساییدگی، زنگ­زدگی، خوردگی، پوسیدگی و هرگونه خسارات و فشار ناشی از سنگینی مایعات می‌باشند. پدیده­‌های یاد شده امکان تحمیل خطا در اندازه گیری توسط دستگاه ما را به‌­وجود خواهد آورد. اما چون دستگاه مورد نظر ممکن است برای اندازه گیری حجم سیالات گوناگون استفاده شود، بایستی منتظر واکنش‌­های متفاوتی از آن باشیم. بنابراین MF به­دست آمده برای اصلاح حجم اندازه گیری شده توسط دستگاه به­کار برده می‌شود تا حجم واقعی عبور داده شده را از طریق مقایسه کردن حجم مایع عبورداده شده در شرایط استاندارد با حجم واقعی مایع سنجش شده آن در بخش صحت سنجی  تعیین نماید.

کاربرد MF در آن دسته از دستگاه‌های اندازه گیری است که خروجی دستگاه روی شمارنده و به‌طور مستقیم به صورت یک رقم که بیان­گر حجم است نشان داده می‌شود (کنتور). اما در پاره‌ای از دستگاه‌های اندازه گیری جریان سیالات و از جمله دستگاه‌های توربینی، چون خروجی دستگاه یک سری پالس‌­های الکتریکی است در این‌جا K-Factor تعریف می‌شود که این ضریب متناسب با تعداد پالس‌­های خروجی بوده و تنها از طریق صحت سنجی  قابل استخراج می‌باشد. در این­حالت حجم واقعی سیال از طریق تقسیم تعداد پالس­‌ها بر K-Factor به­‌دست می­‌آید:

V = n / K

یعنی، K-Factor به معنای تعداد پالس‌­های تولید شده به ازای هر واحد حجم است. از جهتی در برخی از دستگاه‌های اندازه گیری جریان سیالات نیز همواره از ضریب ثابت K-Factor استفاده می‌شود. مقدار این ضریب ثابت یک­بار توسط سازنده­ دستگاه تعیین و در گواهی­نامه­‌های صادره قید می­‌گردد. بدیهی است که برای این­گونه دستگاه‌های اندازه گیری نیز از طریق صحت سنجی  MF تعیین خواهد شد.

شیوه‌های معمول صحت سنجی

واسنجی و صحت سنجی  دستگاه‌های اندازه گیری به منظور حصول اطمینان از ویژگی‌های زیر انجام می‌شود:

• دقت، درستی و صحت عمل­کرد دستگاه
• قابلیت خطی بودن دستگاه
• قابلیت تکرارپذیری دستگاه
• قابلیت بازتولید دستگاه
• دسترسی به میزان تقریبی عدم قطعیت دستگاه

به‌­طور معمول برای واسنجی یک دستگاه اندازه گیری در آزمایشگاه، حداقل در پنج نقطه از گستره‌ی نامیآن دستگاه سنجش انجام می‌شود (صفر درصد، بیست و پنج درصد، پنجاه درصد، هفتاد و پنج درصد و صد در صد از گستره‌ی نامی)، اما معمولاً و به طور عام واسنجی دستگاه‌های اندازه گیری در بیش از سه نقطه خواهد بود. به ­این صورت ویژگی­‌های یاد شده به راحتی قابل سنجش بوده و با اعداد و ارقام قابل بیان خواهد بود.

در دستگاه‌های اندازه گیری جریان سیالات، شبیه­‌سازی جریان و عبور دادن حجم مشخص سیال از دستگاه، تا حدودی مشکل­‌تر از شبیه­‌سازی دیگر کمیت­‌های مورد اندازه گیری می‌باشد. به­ بیانی، برای داشتن ارقام صحیح بایستی معیار سنجش و مقایسه همان­‌قدر قابل اطمینان باشد که ضرورت برقراري پایداری جریان سیال در حین آزمایش غير قابل چشم­‌پوشی است. برای سنجش به‌طور کلی یکی از دو شیوه­ زیر مورد استفاده قرار می‌­گیرد:

• صحت­ سنج ­های وزنی یا مقایسه­ عمل­کرد دستگاه با وزن استاندارد سیال عبوری
• صحت­ سنج ­های حجمی یا مقایسه عمل­کرد دستگاه با ظرف استاندارد

شکل1-  تقسیم‌بندی انواع صحت سنج ­ها

صحت­ سنج یا پروور وزنی 

در صحت سنج های وزنی وزن جابه‌جا شده‌ مایع که با ادوات اندازه گیری وزن و با دقت بالا سنجیده می‌شود مورد استناد آزمایش می‌باشد.

مطابق با استاندارد API ، سه نوع پرووینگ وجود دارد:

• Displacement Provers or Pipe Provers
• Tank Provers
• Master Meter Provers

این دستگاه‌­ها که بر اساس مقایسه جرم سیال عبوری کار می‌­کند مطابق با موازين استاندارد (ISO-4185 / API MPMS 4-4) طراحی و ساخته می‌شوند. سیال مورد استفاده در این روش، آب بدون املاح ، خالص و تمیز است. بعد از تثبیت میزان جریان عبوری از دستگاه، در یک لحظه و به‌طور هم­زمان تغییرات وزن آب خروجی در یک مخزن با دستگاه‌های حساس و بسیار دقیق ثبت شده و درست در همین زمان میزان رقم نشان داده شده و یا تعداد پالس‌­های دستگاه نیز توسط رایانه ثبت می‌شود. با داشتن مشخصات فیزیکی سیال اصلی و مشخصات دستگاه و با اعمال این مشخصات به رایانه، محاسبات لازم جهت به­دست آوردن Meter Factor  یا K-Factor انجام می‌شود. 

صحت­ سنج یا پروور حجمی 

 صحت سنج حجمی، در صحت سنج ­های حجمی مبنای سنجش و مقایسه حجم ثابتی از مایع است که به حجم مبنا شناخته می‌شود و خود دارای انواع زیر است:

• Pipe Prover
• Tank Prover

این دستگاه‌­ها که بر اساس مقایسه­ با حجم ثابت و استاندارد عبوری از دستگاه کار می­‌کنند، مطابق با دستورالعمل‌­های استاندارد (ISO-6817 / API MPMS 4.2) طراحی و در زمان عمليات، حد تفکیک و یا تفكيك‌­پذيری آن 0001/0 خواهد بود. به اين منظور، یا از محتویات یک مخزن با ظرفیت استاندارد برای مقایسه دستگاه استفاده می‌­شود و یا از مایع با حجم ثابت و استاندارد که در یک لوله­ U شکل بین دو آشکارساز قرار دارد کمک گرفته می‌شود. در هر مرحله سنجش با عمليات «يك طرفه» و يا «دو طرفه» عبور سيال به ميزان استاندارد از دستگاه تحت واسنجی، امكان مشاهده 10.000 پالس در خروجی دستگاه وجود دارد. چنان‌چه ميزان سيال عبوری از دستگاه در حدی نباشد كه بتوانيم 10.000 پالس داشته باشيم، براي محاسبه MF قابل قبول و با تفكيک پذيری مناسب می‌­توان رفتار دستگاه اندازه گیری تحت واسنجی را با رجوع به اطلاعات به دست آمده تخمين زد. به اين منظور محدوديت‌­هایی وجود دارد كه می‌توان به استاندارد API-MPMS فصل 4-6 (تخمين مقدار كارآیی در نمونه‌­برداری) رجوع نمود. 

مزایای این روش عبارت است از:

• با توجه به ثابت بودن مسیر و حجم مایع حبس شده بین دو آشکارساز و عدم امكان بخار شدن مایع، از دقت دستگاه کاسته نمی‌­شود.
• دقت بالای دستگاه، به­علت واكنش سریع و به‌­موقع عمل دو آشکارساز در مسیر گوی
• صرفه­‌جویی در مصرف و دور ریز مایع به­کار برده شده برای آزمایش
• قابل حمل بودن و امکان استفاده از دستگاه در محل

می­‌خواهیم بدانیم، چرا کاربران هزینه‌­های بسیار زیادی را در تحقق امر صحت سنجی تحمل می‌­کنند؟ این هزینه‌­ها که برای ایجاد شرایط واقعی فرآیند هنگام آزمایش و صحت سنجی پرداخت می‌شود برای حصول نتایج زیر خواهد بود:

• دستیابی به تغییرات احتمالی در رقم MF
• بازبینی و تحقیق در مورد تکرارپذیری، خاصیت خطی بودن و صحت یا درستی دستگاه
• رعایت قوانین قراردادی و قوانین بین­المللی در اندازه گیری جریان سیال به قصد فروش
• حصول اطمینان از رعایت نکات استانداردی و دستورالعمل‌­های حاکمیتی

برابر با توصیه­ API دستگاه‌های اندازه گیری جریان سیال بایستی به‌­صورت دوره­ای صحت سنجی شوند. بدیهی است MF یک دستگاه نمی‌­تواند برای مدت طولانی مورد استناد قرار گیرد. تغییرات احتمالی در رفتار دستگاه و عدم صحت در ارقام قرائت شده و غیر قابل اعتماد بودن MF می‌­تواند ناشی از هر کدام از عوامل زیر باشد:

• تغییرات در میزان جریان سیال
• تغییرات در شاخص‌­های کیفی سیال، از جمله تغييرات در چگالی و چسبندگی آن
• تغييرات در ميزان دما و فشار سیال
• آلودگی سیال
• فرسودگی دستگاه
• انجام تعمیرات و تعویض قطعه­ دستگاه
• شرایط عملیاتی (به­‌طور عام)

منبع: برگرفته از مقاله «صحت سنجی در دستگاه ­های اندازه ­گیری جریان»
نوشته مهندس محمد حسن موحدی (دبیر انجمن مهندسان کنترل و ابزاردقیق ایران) و
دکتر امیر حسین زائری (عضو هیات علمی دانشگاه آزاد اسلامی، واحد تهران شمال)