فلومتر التراسونیک – معرفی روش های داپلر و ترانزیت زمانی

فلومتر التراسونیک یکی از جدیدترین روش های اندازه گیری فلو می‌باشد.

این روش که دارای فناوری جدیدی می‌باشد از دقت بالایی برخوردار است و
همین امر منجر به استفاده از آن در صنعت میترینگ (اندازه‌گیری دقیق فلو) شده است.

در این نوشته به دو روش ترانزیت زمانی و اثر داپلر در فلومتر التراسونیک خواهیم پرداخت!

مدرس: مهندس فرزاد لطفی

فلومتر التراسونیک (بخشی از بسته INSTART)

به امواج صوتی با فرکانس های بیشتر از ۳۰ کیلو هرتز امواج آلتراسونیک گویند (فرکانس بالای شنوائی انسان).
از امواج آلتراسونیک می‌توان جهت اندازه گیری کمیت های زیادی استفاده نمود،
در ادامه کاربرد آن را در اندازه‌گیری فلو خواهید دید.

این امواج در دسته امواج مکانیکی جای می‌گیرند (برای انتشار نیاز به محیط مادی دارند!)

این بدان معناست که در هنگام برخورد به یک مانع، قسمت کمی از آن نفوذ پیدا کرده و
حجم عظیمی از آن بازتاب داده می‌شود!

موج صوتی

فلومتر التراسونیک ، با استفاده از امواج صوتی، دبی سیال را اندازه‌گیری می‌کند و
شرط اصلی آن، پر بودن پایپ از سیال می‌باشد!

در این روش، سنسورهای پیزوالکتریک (که بتوانند امواج فرکانسی-امواج پیوسته‌ی شامل فرکانس- را تولید کنند) را بر روی خط نصب می‌کنیم.
موجی صوتی به وسیله این سنسورها ارسال شده و سپس دریافت می‌شود و فلوی عبوری را محاسبه می‌کنیم!

عموما به دلیل نداشتن قسمت متحرک، ارزان قیمت هستند و
هیچگونه اثری بر روی کمیت مورد اندازه گیری ندارند.

روش فلومتر التراسونیک شامل دو قسمت می‌شود، آن را به بخش‌های زیر تقسیم می‌کنیم:

۱- ترانزیت زمانی – زمان جابه‌جایی (Transit time)

در این روش مانند قایقی که از وسط رودخانه می گذرد، امواج صوتی ارسال و سپس دریافت می‌شوند.
در شکل زیر بدیهی است که زمان رسیدن امواج از مسیر ۱ نسبت به زمان رسیدن امواج از مسیر ۲ بیشتر است
(همان قایق را در نظر بگیرید).
روش ترانزیت زمانی از فلومتر التراسونیک برای سیالات تمیز (مانند بخار یا آب) و عاری از هر حباب یا ذره جامد کاربرد دارد.

فلومتر التراسونیک

نصب سنسورها به صورت Clamp on می‌باشد.

Clamp on یعنی سنسور را با استفاده از بست به پایپ ببندیم!

در زیر آن از ژل یا گریس استفاده می‌شود تا به مرور زمان، سنسور به لوله نچسبد!

اختلاف بین این دو زمان متناسب با سرعت سیال بوده و فرکانس کاری بین  را دارا می‌باشند و
در لوله‌های با سایز پایین استفاده می شود.

مجددا برگردیم به شکل اول و چگونگی محاسبات را باهم مرور کنیم!

دو سنسور send و receive در این روش کاملا مشخص هستند. سنسورها روبروی هم (مایل) در دو طرف لوله نصب می‌شوند.

ابتدا یک سنسور، فرکانسی را ارسال کرده و سنسور دیگر آن را دریافت می‌کند.
سپس یک یا دو ثانیه مکث خواهیم داشت و این بار همان کار به صورت برعکس انجام می‌شود.
این اتفاق به صورت مداوم تکرار می‌شود.

اگر مدت زمان رفت و برگشت را به ترتیب Tup و Tdown بنامیم، خواهیم داشت:

روابط ترانزیت تایم

(Tdown = L/(C+V.cosΘ  

(Tup = L/(C-V.cosΘ  

در رابطه فوق، C سرعت امواج داخل سیال ، V سرعت سیال ،
L فاصله بین دو سنسور و θ زاویه بین امواج و محور اصلی است.

اثبات رابطه

این رابطه از آنجایی بدست می‌آید که داریم:

L=V.Δt

L را که داریم و سرعت در هر حالت نیز بسته به آنکه فرکانس ارسالی در مسیر جریان است یا در خلاف مسیر جریان، مجموعی از سرعت سیال و سرعت موج را خواهیم داشت:

V down= C+V.cosΘ

V up = C-V.cosΘ

اکنون با یک طرفین وسطین راحت به مدت زمان هر حالت خواهید رسید:

(Tdown = L/(C+V.cosΘ  

(Tup = L/(C-V.cosΘ  

البته توجه کنید که مدت زمان عبور موج از لوله، بستگی به مشخصات لوله و جنس سیال عبوری دارد که
در یک اندازه‌گیری خاص، ثابت می‌باشند و در کالیبراسیون دستگاه منظور می‌گردند.

روشی که در بالا مورد بحث قرار گرفت به فلومتر نوع Z یا Z-factor معروف است.

در جاهایی که سایز پایپ بیش از “۴ است، می‌توان از این روش استفاده کرد.

“۱۵۶~”۴

عملا محدودیت سایزی از بالا نداریم. اما برای سایزهای کوچکتر از ۴” چه کنیم!!

چون برای سایزهای کوچتر از  ۴”، آنقدر زمان ارسال اندک است که قابل اندازه گیری نیست.

فلومتر ترانزیت زمانی مدل V

روش دیگر اندازه گیری در حالت Transit time ، فلومتر نوع V یا V-factor است.
این روش برای سیالات تمیز و عاری از رسوب توصیه می گردد.
همچنین در سایز پایپ های کوچکتر نیز قابلیت استفاده را دارا می باشد.

شاید در همان ابتدای بحث برایتان این سوال پیش آمد که چرا در تصویر زیر، هر دو سنسور در یک طرف نصب شده‌اند!

این دقیقا به همین علت است که در این پروژه، سایز لوله کوچک بوده و سنسورها را به صورت V نصب کرده‌ایم.

در این روش ترانسدیوسرها در یک طرف محل اندازه گیری قرار گرفته و فاصله آنها در حدود قطر لوله است.
به طوری که سیگنالهای ارسالی از ترانسدیوسرها پس از برخورد به طرف دیگر مسیر، بازتابش شده و توسط دیگری دریافت می گردد.

از این روش برای پایپ‌های ۲”~۴”  استفاده می‌شود.

مقدار سرعت در این اندازه گیری از رابطه زیر بدست می آید:

(V = k.d.Δt/(sin2Θ.(T0- τ

در این رابطه k مقدار ثابت، V سرعت سیال، d قطر پایپ، θ زاویه برخورد سیگنال به پایپ با محور عمودی،
T0 زمان انتقال سیال در فلوی ثابت، ΔT اختلاف بین زمان ارسال و دریافت، τ زمان انتقال سیگنال از طریق دیواره داخلی لوله است.

تذکر مهم: قطعا برای شما سوال شده است که فاصله بین این دو سنسور چقدر بایستی باشد  و چگونه محاسبه می‌شود؟

این آیتم از جمله اطلاعاتی است که در واقع از جزئیات ساخت محصول به شمار می‌آید و
در نصب به صورت Transit time سازنده محل Send و Receive را براساس پارامترهای سیال و سایزینگ آن بر روی یک Ruler ارائه می دهد و
لذا این ruler روی پایپ با بست کمربندی نگه داشته می شود.

۲- اثر داپلر (Doppler)

برای روش ترانزیت زمانی، اشاره کردیم که بایستی در case های تمییز Clean استفاده بشوند.
اما آیا برای نمونه‌های دارای رسوب و ذرات متخلخل نمی‌توانیم از التراسونیک استفاده کنیم؟!

در نمونه‌های Slurry، Partial و High viscus بایستی به سراغ روش داپلر برویم!

روش داپلر مبتنی بر استفاده از شیفت فرکانسی موج صوتی برگشت داده شده است.
که این شیفت متناسب با سرعت سیال می‌باشد.

این روش برای سرویس‌هایی با ذرات جامدِ معلق یا حباب، سرویس‌های کثیف و حاوی slurry و همچنین نمونه‌های High viscous مناسب است.
در واقع اینگونه سیالات هستند که فرکانس صوتی به آنها برخورد کرده و بازگشت داده می‌شود.

سنسور های پیزو الکتریک در یک housing قرار می‌گیرند و فرکانس کاری مربوط به آنها ۶۴۰KHz~ 1 MHz است.
در مواردی مانند سرویس های فاضلاب یا پساب ها به دلیل انفصال و عدم تداوم در موج صوتی از روش دوپلر نیز نمی توان استفاده کرد.
اساس کار این است که امواج ما فوق صوتِ ارسال شده از فرستنده به سمت گیرنده توسط حرکت ذرات و حباب‌ها تغییر فرکانس می‌یابد
(که به علت انعکاس موج از روی این ذرات می‌باشد.)
این تغییر فرکانس ملاک اندازه‌گیری فلو عبوری است.

ترانزیت تایم التراسونیک

از رابطه زیر می توان سرعت را اندازه گیری نمود:

(V =  C.Δ/(۲f.cosΘ

در این رابطه C سرعت سیگنال ارسالی ، V سرعت سیال، θ زاویه امواج ارسالی و حرکت سیال،
f0 فرکانس سیگنال ارسالی و Δf اختلاف فرکانس ارسالی و دریافتی است.

روش داپلر

سپس با استفاده از Q=A×V، به فلوی عبوری دست خواهیم یافت!

دقت این روش به عواملی چون ضخامت دیواره لوله، تعداد و اندازه ذرات معلق در سیال بستگی دارد.

در روش التراسونیک بایستی کل پایپ پُر باشد.

بهترین توصیه، استفاده از این تجهیز در سیال‌هایی با عدد رینولدز کمتر از ۴۰۰۰ (linear) و یا بالاتر از ۱۰۰۰۰ (turbulent) است.

استفاده از فلومتر التراسونیک در میترینگ

در این حالت دقت اندازه گیری بهتری در حدود ۰٫۷۵~۱% را خواهیم داشت!

در نهایت روش فلومتر التراسونیک با دقت بسیار بالا می‌تواند به عنوان پایه اندازه‌گیری در Custody Meter جهت محاسبه فلوی خروجی از سایت مورد استفاده قرار گیرد.
اما پیش تر گفتیم که این روش دقت بالایی ندارد و در نمونه های Custody Meter بایستی دقت فلومتر فوق العاده بالا باشد!

Custody Meter یا همان Metering به معنای اندازه‌گیری فلوی خروجی با دقت بسیار بالا می‌باشد که
معمولا در آخرین مرحله اندازه‌گیری فلو در نظر گرفته می‌شود!
برای بالا بردن دقت می توان از چند سنسور send و receive استفاده کرد.
مثلا با داشتن ۴ سنسور و ۲-Beam می‌توان دقت را افزایش داد.
(مثلا مدل OPTISONIC 8300 شرکت KROHNE – دقت اندازه گیری در حدود ۰٫۱۵%).

التراسونیک برای اندازه گیری دقیق فلو

ما در مباحث مختلفی از بسته جامع ابزار دقیق به آموزش کاربردی مطالب پرداخته ایم!

توسط | ۱۳۹۷-۸-۲ ۱۷:۴۱:۳۹ +۰۳:۳۰ ۳ شهریور ۱۳۹۷|ابزاردقیق, تکمیل شده دسته بندی ها|بدون ديدگاه

در باره نویسنده :

ما یه هدف مشترک داریم و میخوایم مهارت هایی که توی صنعت لازمه رو به افراد آموزش بدیم تا روزی که کالای ایرانی در دنیا بهترین باشه. اگه شما هم هدفتون همینه، نماتکی بشید. (:

ثبت ديدگاه

در کمتر از 20 ثانیه عضو شوید و بیش از 100 آموزش رایگان در اختیار شماست.
ویدئوها را برایم بفرست
ما هم مثل شما از ایمیل های تبلیغاتی بیزاریم.
Close