نحوه کار فلومتر التراسونیک و انواع آن

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

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

در این نوشته به دو روش ترانزیت زمانی و اثر دوپلر در فلومتر التراسونیک خواهیم پرداخت.

1# فلومتر التراسونیک چیست؟

به امواج صوتی با فرکانس های بیشتر از 30 کیلو هرتز امواج آلتراسونیک گویند (فرکانس بالای شنوائی انسان).

از امواج آلتراسونیک می توان جهت اندازه گیری کمیت های زیادی استفاده نمود،
در ادامه کاربرد آن را در اندازه گیری فلو خواهید دید.

این امواج در دسته امواج مکانیکی جای می گیرند (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 می شود

فلومتر التراسونیک، با استفاده از امواج صوتی، دبی سیال را اندازه گیری می کند و
شرط اصلی آن، پر بودن پایپ از سیال است.

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

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 می شود، آن را به بخش های زیر تقسیم می کنیم:

2# ترانزیت زمانی – زمان جابه جایی (Transit time)

در این روش مانند قایقی که از وسط رودخانه می گذرد، امواج صوتی ارسال و سپس دریافت می شوند.
در شکل زیر بدیهی است که زمان رسیدن امواج از مسیر 1 نسبت به زمان رسیدن امواج از مسیر 2 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.

نصب سنسورها به صورت Clamp on است.

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

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

اختلاف بین این دو زمان متناسب با سرعت سیال بوده و فرکانس کاری بین  را دارا هستند و
در لوله های 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 می شوند.

ابتدا یک سنسور، فرکانسی را ارسال کرده و سنسور دیگر آن را دریافت می کند.

سپس یک یا دو ثانیه مکث خواهیم داشت و این بار همان کار به صورت برعکس انجام می شود.

این اتفاق به صورت مداوم تکرار می شود.

اگر مدت زمان رفت و برگشت را به ترتیب T_up و T_down بنامیم، خواهیم داشت:

(T_down = L/(C+V.cosΘ  

(T_up = 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.

1-2# اثبات رابطه

این رابطه از آنجایی بدست می آید 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:

(T_down = L/(C+V.cosΘ  

(T_up = 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 اندازه گیری خاص، ثابت می باشند و در کالیبراسیون دستگاه منظور می گردند.

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

در جاهایی که سایز پایپ بیش از “4 است، می توان از این روش استفاده کرد.

“156~”4

عملا محدودیت سایزی از بالا نداریم. اما برای سایزهای کوچکتر از 4” چه کنیم.

چون برای سایزهای کوچتر از  4”، آنقدر زمان ارسال اندک است که قابل اندازه گیری نیست.

2-2# فلومتر ترانزیت زمانی مدل V

روش دیگر اندازه گیری در حالت Transit time، فلومتر التراسونیک 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 است.

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

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

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 پایپ های 2”~4”  استفاده می شود.

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

(V = k.d.Δt/(sin2Θ.(T_0- 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 می شود؟

این آیتم از جمله اطلاعاتی است که در واقع از جزئیات ساخت محصول به شمار می آید 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.

3# اثر دوپلر (Doppler)

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

در نمونه های Slurry، Partial و High viscus بایستی به سراغ روش دوپلر برویم

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

این روش برای سرویس هایی با ذرات جامدِ معلق یا حباب، سرویس های کثیف و حاوی slurry و همچنین نمونه های High viscous مناسب است.

در واقع اینگونه سیالات هستند که فرکانس صوتی به آنها برخورد کرده و بازگشت داده می شود.

سنسور های پیزو الکتریک در یک housing قرار می گیرند و فرکانس کاری مربوط به آنها 640KHz~ 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 حباب ها تغییر فرکانس می یابد (که به علت انعکاس موج از روی این ذرات است)

این تغییر فرکانس ملاک اندازه گیری فلو عبوری است.

از رابطه زیر می توان سرعت را اندازه گیری نمود:

(V =  C.Δ/(2f.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.

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 سیال هایی با عدد رینولدز کمتر از 4000 (linear) و یا بالاتر از 10000 (turbulent) است.

1-3# استفاده از فلومتر التراسونیک در میترینگ

در این حالت دقت اندازه گیری بهتری در حدود 0.75~1% را خواهیم داشت.

در نهایت روش فلومتر التراسونیک با دقت بسیار بالا می تواند به عنوان پایه اندازه گیری 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 اندازه گیری فلوی خروجی با دقت بسیار بالا است که
معمولا در آخرین مرحله اندازه گیری فلو در نظر گرفته می شود.

برای بالا بردن دقت می توان از چند سنسور send و receive استفاده کرد.

مثلا با داشتن 4 سنسور و 2-Beam می توان دقت را افزایش داد.

(مثلا مدل OPTISONIC 8300 شرکت KROHNE – دقت اندازه گیری در حدود 0.15%).