فلومتر آلتراسونیک
Ultrasonic Flowmeter

(دبی‌سنج) فلومتر اولتراسونیک چیست؟

فلومترهای اولتراسونیک که نوعی دبی‌سنج حجمی هستند، سنسورهای جریان غیرتهاجمی هستند که از ارتعاشات صوتی برای اندازه‌گیری نرخ جریان یک مایع استفاده می‌کنند. دو نوع از آن‌ها وجود دارد: دوپلری و زمان عبور.

(دبی‌سنج‌های) فلومترهای اولتراسونیک برای کاربردهای خودکار فاضلاب یا هر مایع کثیفی که رسانا یا پایه آبی باشد ایده‌آل هستند، اما به طور کلی با آب مقطر یا آب آشامیدنی کار نخواهند کرد. این دبی‌سنج‌ها همچنین برای کاربردهایی که افت فشار کم، سازگاری شیمیایی و نگهداری کم از الزامات آن‌ها هستند، ایده‌آل می‌باشند.

در سال ۱۸۴۲، کریستین دوپلر کشف کرد که یک ناظر ثابت صدایی را با طول موج‌های کوتاه‌تر در هنگام نزدیک شدن منبع صدا و طول موج‌های بلندتر در هنگام دور شدن منبع صدا درک می‌کند.

این پدیده به اثر دوپلر معروف شد و توضیح می‌دهد که چرا صدای بوق یک ماشین در حال نزدیک شدن بلندتر به نظر می‌رسد. وقتی ماشین دور می‌شود، صدای بوق به نظر می‌رسد که پایین می‌آید. فلومترهای اولتراسونیک دوپلری از این تغییر فرکانس در مایعات کثیف استفاده می‌کنند که حاوی ناپیوستگی‌های آکوستیکی - یا ذرات معلق، حباب‌های گاز درگیر یا گرداب‌های آشفتگی هستند.

نحوه کار دبی‌سنج اولتراسونیک

دو نوع دبی‌سنج اولتراسونیک، دوپلری و زمان عبور، هر کدام با استفاده از فناوری‌های مختلفی کار می‌کنند. دبی‌سنج اولتراسونیک دوپلری برای بازتاب سیگنال‌های اولتراسونیک نیاز به ذرات یا حباب‌ها دارد. باید به محدودیت‌های پایین برای غلظت و اندازه جامدات یا حباب‌ها توجه شود و مایع باید با سرعتی کافی جریان یابد تا جامدات معلق بمانند.

هنگامی که یک پالس یا پرتو اولتراسونیک به درون لوله حاوی مایعی با چنین ناپیوستگی‌هایی ارسال می‌شود، از آن‌ها با تغییر فرکانسی که مستقیماً با نرخ جریان مایع متناسب است، بازتاب می‌شود. بنابراین، دبی‌سنج اولتراسونیک دوپلری نرخ جریان مایع را از سرعت ناپیوستگی‌ها محاسبه می‌کند، نه از سرعت مایع.

اصول عملکرد اولتراسونیک

ااصل اولیه عملکرد، استفاده از تغییر فرکانس (اثر دوپلر) یک سیگنال اولتراسونیک است که هنگام برخورد با ذرات معلق یا حباب‌های گاز (ناپیوستگی‌ها) در حال حرکت منعکس می‌شود. این تکنیک اندازه‌گیری از پدیده فیزیکی موج صوتی استفاده می‌کند که هنگام برخورد با ناپیوستگی‌های متحرک در یک مایع در حال جریان، فرکانس آن تغییر می‌کند. صدای اولتراسونیک به داخل لوله‌ای با مایع جاری ارسال می‌شود و ناپیوستگی‌ها موج اولتراسونیک را با فرکانس کمی متفاوت بازتاب می‌دهند که مستقیماً با نرخ جریان مایع متناسب است. فناوری فعلی نیاز دارد که مایع حاوی حداقل ۱۰۰ قسمت در میلیون (PPM) از ذرات معلق یا حباب‌های ۱۰۰ میکرون یا بزرگتر باشد.

دبی‌سنج اولتراسونیک دوپلری بر اساس اصل اثر دوپلر کار می‌کند که پدیده فیزیکی تغییر فرکانس یک موج صوتی است. در مورد دبی‌سنج‌های اولتراسونیک، فرکانس یک سیگنال اولتراسونیک (اثر دوپلر) به طور مستقیم با نرخ جریان مایع تغییر می‌کند که هنگام برخورد با ذرات معلق یا حباب‌های گاز (ناپیوستگی‌ها) در حال حرکت منعکس می‌شود.

معمولاً یک دبی‌سنج اولتراسونیک دوپلری شامل یک فرستنده/اندیکاتور/جمع‌کننده و یک مبدل است. کاربر پیکربندی مناسب برای کاربرد را انتخاب می‌کند - با در نظر گرفتن مایع، اندازه و غلظت جامدات یا حباب‌ها، ابعاد لوله و پوشش لوله. آستانه سیگنال فرستنده معمولاً برای فیلتر کردن نویز مکانیکی و الکتریکی تنظیم می‌شود.

یک نوسانگر فرکانس بالا در فرستنده، مبدل را هدایت می‌کند که در طراحی محبوب گیره، روی قسمت خارجی لوله نصب می‌شود. مبدل یک سیگنال اولتراسونیک تولید می‌کند که از دیواره لوله به داخل مایع جاری عبور می‌کند؛ فرستنده اختلاف بین فرکانس‌های خروجی و ورودی خود را به پالس‌های الکترونیکی تبدیل می‌کند. پردازش شده، مقیاس‌بندی شده و جمع‌آوری شده، پالس‌ها اندازه‌گیری جریان را فراهم می‌کنند.

دبی‌سنج‌های اولتراسونیک دوپلری که روی قسمت خارجی لوله بسته می‌شوند، بدون تماس کار می‌کنند و بدون قطعات متحرک هستند. آن‌ها باعث افت فشار نمی‌شود، خطری از مایع فرآیند ندارند و نیاز به تعمیر و نگهداری کمی دارند. اگر به درستی کالیبره شوند، می‌توانند دقت ±۱٪ داشته باشند - با این حال، دیواره لوله و هر فضای هوایی بین دیوار و مایع می‌تواند تداخل سیگنال ایجاد کند. علاوه بر این، دیواره لوله فولاد ضد زنگ ممکن است سیگنال منتقل شده را تا حدی هدایت کند که سیگنال منعکس شده تغییر زیادی خواهد داشت.

دبی‌سنج‌های اولتراسونیک زمان عبور، اختلاف زمانی بین زمانی که یک سیگنال اولتراسونیک از مبدل اول ارسال می‌شود تا زمانی که توسط مبدل دوم دریافت می‌شود را اندازه‌گیری می‌کنند. مقایسه دیفرانسیلی از اندازه‌گیری‌های بالادستی و پایین‌دستی انجام می‌شود. اگر جریان وجود نداشته باشد، زمان سفر در هر دو جهت یکسان خواهد بود. وقتی جریان وجود دارد، صدا اگر در همان جهت حرکت کند سریع‌تر و اگر در خلاف جهت حرکت کند کندتر حرکت می‌کند.

یک دبی‌سنج اولتراسونیک سوم از همبستگی متقاطع بین جفت مبدل‌های بالادستی و پایین‌دستی برای محاسبه جریان استفاده می‌کند. برخی از دبی‌سنج‌های این طراحی از میکروپروسسورها برای سوئیچ خودکار بین حالت‌های "تمیز" و "کثیف" بر اساس عوامل همبستگی استفاده می‌کنند. برای مثال، یک دبی‌سنج ترکیبی همبستگی متقاطع می‌تواند جریان لجن فعال یا هضم شده را کنترل کند. کاربردهای مهندسی دقیق با استفاده از چنین دبی‌سنج‌هایی دقت نصب شده در حدود ۰.۵٪ از خواندن را گزارش کرده‌اند.

نتخاب دبی‌سنج اولتراسونیک مناسب

فلومترهای اولتراسونیک همچنین برای کاربردهایی که نیاز به افت فشار کم و نگهداری پایین دارند، ایده‌آل هستند. دبی‌سنج اولتراسونیک دوپلری، یک دبی‌سنج حجمی است که برای مایعات هوادار مانند فاضلاب یا دوغاب مناسب است. فلومترهای اولتراسونیک زمان عبور برای کاربردهای مایع تمیز مانند آب و روغن ایده‌آل هستند.

سه نوع اصلی دبی‌سنج اولتراسونیک وجود دارد. عواملی مانند نوع خروجی (آنالوگ یا دیجیتال)، اندازه لوله، حداقل و حداکثر دمای فرآیند، فشار و نرخ جریان همگی می‌توانند بر انتخاب دبی‌سنج اولتراسونیک مناسب برای کاربرد شما تأثیر بگذارند.

تغییرات طراحی اولتراسونیک

دبی‌سنج‌های اولتراسونیک چسبی در دو نوع تک سنسور و دو سنسور موجود هستند. در نسخه تک سنسور، کریستال‌های فرستنده و گیرنده در یک بدنه سنسور قرار می‌گیرند که به یک نقطه از سطح لوله چسبیده می‌شود. از یک ترکیب کوپلینگ برای اتصال اولتراسونیکی سنسور به لوله استفاده می‌شود. در نسخه دو سنسور، کریستال فرستنده در یک بدنه سنسور و کریستال گیرنده در دیگری قرار دارد. دبی‌سنج‌های دوپلری چسبی در معرض تداخل از دیواره لوله و همچنین هر فضای هوایی بین سنسور و دیواره هستند. اگر دیواره لوله از فولاد ضد زنگ ساخته شده باشد، ممکن است سیگنال فرستاده شده را تا حدی هدایت کند که بازتاب برگشتی به اندازه کافی جابجا شود تا با خواندن تداخل کند. همچنین ناپیوستگی‌های آکوستیکی داخلی در لوله‌های مسی، بتن‌لاین، پلاستیک‌لاین و فایبرگلاس تقویت‌شده وجود دارد. این‌ها به اندازه کافی بزرگ هستند که یا سیگنال فرستاده شده را کاملا پراکنده کنند یا سیگنال بازگشتی را تضعیف کنند. این دقت دبی‌سنج را به شدت کاهش می‌دهد (تا حدود ±۲۰٪) و در بیشتر موارد، مترهای چسبی اگر لوله پوشش‌دار باشد، به هیچ وجه کار نخواهند کرد.

نحوه نصب دبی‌سنج اولتراسونیک

دبی‌سنج‌های جریان دوپلری و زمان عبور هر دو به گونه‌ای طراحی شده‌اند که بدون شکستن خط یا قطع جریان، به قسمت بیرونی لوله بچسبند. این همچنین باعث کاهش افت فشار و جلوگیری از نشت می‌شود که در دبی‌سنج‌های درون خطی رایج است.

دقت یک دبی‌سنج اولتراسونیک به نصب صحیح بستگی دارد. تغییرات دمایی بزرگ در لوله یا مقدار قابل توجهی لرزش ممکن است بر تراز مبدل‌ها و کوپلینگ آکوستیک به لوله تأثیر بگذارد. در بیشتر موارد، دبی‌سنج‌های اولتراسونیک اگر لوله با موادی مانند مس، بتن، پلاستیک یا فایبرگلاس پوشیده شده باشد، اصلاً کار نخواهند کرد. این عوامل باید در حین نصب در نظر گرفته شوند. علاوه بر این، برای ارائه نرخ جریان حجمی دقیق، تمام دبی‌سنج‌های اولتراسونیک به لوله‌های پر نیاز دارند.

کاربردهای صنعتی اولتراسونیک

دبی‌سنج‌های اولتراسونیک در طیف گسترده‌ای از کاربردهای صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرند و برای بسیاری از کاربردها ایده‌آل هستند زیرا جریان را با استفاده از صدا اندازه‌گیری می‌کنند و غیرتهاجمی هستند. دبی‌سنج‌های اولتراسونیک بیشتر در صنایع نفت و گاز استفاده می‌شوند. همچنین در صنایع شیمیایی، دارویی، غذایی و آشامیدنی، فلزی، معدنی، خمیر کاغذ و کاغذ و فاضلاب استفاده می‌شوند.

خلاصه

روشهای آلتراسونیک جزء لاینفک بیشتر تجهیزات اندازه گیری ابزار دقیق مخصوصا نمونه های غیر تماسی گردیده است .در فلومترهای آلتراسونیک که در حوزه وسیعی از سیالات ائم از گازها و مایعات کاربرد دارند با توجه به خواص دوپلر که در فیزیک با آن آشنا هستید فرکانسی از یه منبع تولید شده و از طرف دیگر یک گیرنده این فرکانس را لحظه به لحظه چک میکند . در صورتی که فلوی سیال دچار تغییر میشود این فرکانس رفت و برگشت تغییر به خاطر سرعت سیال تغییر محسوسی خواهد داشت . اندازه گیری و کالیبره این تغییرات بر حسب فلو به شما امکان اندازه گیری فلو به روش آلتراسونیک را خواهد داد . در عمل تکنیک اندازه گیری فلو به روش آلتراسونیک پیچیدگی های خود را خواهد داشت ولی اساس اندازه گیری اکثر فلومترهای اولتراسونیک مکانیزم دوپلر میباشد .

در انتخاب فلومتر آلتراسونیک موارد زیر را در نظر داشته باشید :