فلومتر اولتراسونیک چیست و انواع آن کدام است؟

فلومتر اولتراسونیک به عنوان یکی از تجهیزات پرکاربرد در اندازه گیری سیال استفاده می شود. در این مقاله در ارتباط با این تجهیز اندازه گیری صحبت شده است.

فلومتر اولتراسونیک چیست؟

یک فلومتر اولتراسونیک برای محاسبه جریان حجمی، سرعت یک سیال را با امواج اولتراسونیک اندازه گیری می کند. امواج صوتی معمولا در فرکانس فراتر از محدوده شنوایی هستند. این سیگنال با استفاده از ترنسدیوسر که به صورت گیر دار clamp-on نصب می شوند؛ امواج اولتراسونیک را از طریق دیواره لوله می فرستند، به جریانی از مایع فرستاده می شود.

یک فلومتر اولتراسونیک گیره دار شامل حداقل دو حسگر اولتراسونیک است که به صورت خارجی روی یک لوله نصب شده اند. سرعت جریان به ماهیت کاربرد بستگی دارد.

فلومتر های اولتراسونیک مدرن که امروزه می شناسیم اوج تکاملی نبوغ بسیاری از ذهن ها در ۶۰ سال گذشته است. ریشه‌های فلوسنج های اولتراسونیک در سال ۱۸۴۲ آغاز شد، زمانی که کریستین داپلر “کشف” کرد که صداها تمایل دارند فرکانس را از زمانی که نزدیک به زمان عقب‌نشینی است تغییر دهند.

اصل اولیه مورد استفاده در فلومترهای اولتراسونیک داپلر بود که به نام فردی که اولین بار متوجه آن به عنوان یک اصل شد، نامگذاری شد. فلومترهای اولتراسونیک از تغییر فرکانس صدا برای اهداف اندازه گیری جریان استفاده کردند.

اگرچه فلومتر اولتراسونیک در چند دهه اخیر به دلیل پیشرفت های مهم در زمینه ابزار دقیق اولتراسونیک شروع به ظهور کرده اند، اما اولین مدل ها در دهه ۱۹۶۰ ساخته شدند. Shigeo Satomura یک فیزیکدان ژاپنی بود که اولین فلومتر اولتراسونیک را بر اساس اصل داپلر برای تجزیه و تحلیل جریان خون ساخت.

تا چند سال بعد، اصل عملکرد برای استفاده در کاربردهای صنعتی، همچنین بر اساس اصل عملکرد داپلر، توسعه یافت. این فناوری به دلیل توانایی محدود اولیه اش در اندازه گیری برخی از سیالات رایج زمان، به طور گسترده مورد توجه قرار نگرفت.

در دهه ۱۹۷۰، فلومترهای اولتراسونیک به طور گسترده‌تری شناخته شدند، اما از آنجایی که این فناوری در برنامه‌های کاربردی توسط کاربران نهایی به درستی درک نشده بود و به‌طور نادرست استفاده می‌شد، این فناوری بدون تقصیر خود، بلکه از طریق خطای اپراتور، شهرت منفی به دست آورد.

فلومتر اولتراسونیک چگونه کار می کند؟

شکل اصلی کارکرد، تغییر فرکانس (اثر داپلر) سیگنال اولتراسونیک را زمانی که توسط ذرات معلق یا حباب های گاز (ناپیوستگی) در حرکت منعکس می شود، به کار می گیرد. این تکنیک اندازه‌گیری از پدیده فیزیکی موج صوتی استفاده می‌کند که فرکانس آن با انعکاس ناپیوستگی‌های متحرک در یک مایع جاری تغییر می‌کند.

امواج اولتراسونیک به لوله ای با مایعات روان منتقل می شود و ناپیوستگی های موج اولتراسونیک را با فرکانس کمی متفاوت منعکس می کنند که به طور مستقیم با سرعت جریان مایع متناسب است. فناوری فعلی مستلزم آن است که مایع حداقل دارای ۱۰۰ قسمت در میلیون (PPM) ذرات معلق یا حباب های ۱۰۰ میکرون یا بزرگتر باشد.

فلومتر اولتراسونیک داپلر بر اساس اصل اثر داپلر، که پدیده فیزیکی فرکانس تغییر موج صوتی است، کار می کند. در مورد فلومتر اولتراسونیک، فرکانس سیگنال اولتراسونیک (اثر داپلر) به نسبت مستقیم با سرعت جریان مایع زمانی که توسط ذرات معلق یا حباب های گاز (ناپیوستگی) در حرکت منعکس می شود، تغییر می کند.

به طور معمول، یک فلومتر داپلر اولتراسونیک از یک ترانسمیتر / گیج / توتالایزر و یک مبدل یا همان ترنسدیوسر تشکیل شده است. کاربر با در نظر گرفتن مایع، اندازه و غلظت جامدات یا حباب ها، ابعاد لوله و پوشش لوله، پیکربندی مناسب با برنامه را انتخاب می کند. آستانه سیگنال ترانسمیتر معمولاً برای فیلتر کردن نویزهای مکانیکی و الکتریکی تنظیم می شود.

یک اسیلیتور با فرکانس بالا در ترانسمیتر، مبدل را به حرکت در می آورد، که در طراحی محبوب clamp-on، بر روی قسمت بیرونی لوله نصب می شود. مبدل یک سیگنال اولتراسونیک تولید می کند که از دیواره لوله به مایع جاری می گذرد. ترانسمیتر تفاوت بین فرکانس های خروجی و ورودی خود را به پالس های الکترونیکی تبدیل می کند. پالس‌ها با پردازش، مقیاس‌بندی و کلی‌سازی، اندازه‌گیری جریان را ارائه می‌کنند.

فلومترهای اولتراسونیک داپلر که به بیرون لوله متصل می شوند به صورت غیر تهاجمی و بدون قطعات متحرک عمل می کنند. آنها باعث افت فشار نمی شوند، خطر آسیب ناشی از مایع فرآیند را ندارند و مستلزم نگهداری کمی هستند. اگر به درستی کالیبره شوند، می توانند دقت ±۱% داشته باشند – با این حال، دیواره لوله و هر فضای هوایی بین دیوار و مایع می تواند تداخل سیگنال ایجاد کند. علاوه بر این، یک دیوار لوله فولادی ضد زنگ ممکن است سیگنال ارسالی را تا حدی هدایت کند که به نظر می رسد سیگنال منعکس شده دچار یک تغییر عمده شود.

Transit Time در فلومتر های اولتراسونیک، تفاوت زمانی بین زمانی که سیگنال اولتراسونیک از مبدل اول ارسال می شود تا زمانی که توسط مبدل دوم دریافت می شود را اندازه گیری می کند. یک مقایسه دیفرانسیل از اندازه گیری های بالادست و پایین دست انجام می شود. در صورت عدم وجود جریان، زمان انتقال در هر دو جهت یکسان خواهد بود. هنگامی که جریان وجود دارد، صدا اگر در یک جهت حرکت کند سریعتر و اگر خلاف آن حرکت کند کندتر حرکت می کند.

انواع فلومتر اولتراسونیک چیست؟

در حالی که مدل های بسیاری از فلومترهای اولتراسونیک وجود دارد که همگی می توانند چیزی کمی متفاوت ارائه دهند، دو نوع اصلی فلومتر اولتراسونیک هم از جنبه نصب و هم از جنبه اصلی عملکرد وجود دارد.

هنگامی که صحبت از نصب فلومتر  های اولتراسونیک می شود، دو نوع مختلف به صورت در خط (که در آن ابزار دارای بدنه جریان داخلی است که مستقیماً از طریق اتصال به سیستم های لوله کشی متصل می شود) یا گیره ای (همچنین به عنوان دستگاه قابل حمل یا فلومتر اولتراسونیک تسمه ای شناخته می شود) هستند؛ که در آن ترنسمیتر ها در قسمت بیرونی لوله نصب می شوند و روش های اتصال خاصی می توانند ماهیت دائمی تر یا قابل جابجایی داشته باشند.

از نقطه نظر فناوری، دو نوع فلومتر اولتراسونیک وجود دارد. آنهایی که هنوز از اصل داپلر برای اندازه گیری استفاده می کنند و آنهایی که از اصل زمان عبور استفاده می کنند.

مزایا و معایب فلومتر اولتراسونیک چیست؟

فلومتر اولتراسونیک مزایای زیادی را ارائه می دهد. آنها هیچ قطعه متحرکی ندارند که فرسوده شود و طول سرویس کنتور را کوتاه کند. آنها به حداقل تعمیرات و نگهداری نیاز دارند و هزینه های عملیاتی پایینی دارند. آنها پاسخ دینامیکی خوبی ارائه می دهند. آنها سیالات غیر رسانا را اندازه گیری می کنند و یک جایگزین عالی برای فلومترهای مغناطیسی هستند که برای عملکرد صحیح به مایعات رسانا نیاز دارند.

آنها به طور کلی برای دقت بالا شناخته شده اند. آنها در خواندن نرخ جریان پایین بهتر از فلومتر گردابی هستند، تکنولوژی اندازه گیری جریان دیگری که هیچ قطعه متحرکی برای استفاده ندارد. آنها همچنین افت فشار کم را ارائه می دهند و می توانند مدل های زیادی را ارائه دهند که از نظر شیمیایی با مواد شیمیایی سازگار هستند. آنها همچنین می توانند سیالات حاوی پارشیال و قطعات فرساینده را در جایی که برخی از فلومتر های دیگر نمی توانند، کنترل کنند.

فلومتر های اولتراسونیک، مانند هر تکنولوژی جریان، محدودیت های خود را نیز دارد. بسته به تقاضاها و متغیرهای کاربردی، آنها می توانند از نظر هزینه اولیه بالاتر از برخی فناوری های دیگر باشند. در صورت خرابی، تعمیر آنها سخت تر و گران تر می شود. آنها به لوله های مستقیم نیاز دارند تا از پروفیل جریانی که برای اصل عملیات اولتراسونیک مناسب است اطمینان حاصل شود. آنها با مایعاتی که امواج اولتراسونیک را از خود عبور نمی دهند، مانند دوغاب، کار نمی کنند. در نهایت، دقت دبی سنج های اولتراسونیک می تواند با جریان های کم، مانند جریان های کمتر از ۲ فوت در ثانیه، به خطر بیفتد.

فلومتر اولتراسونیک برای چه کاربردهایی استفاده می شود؟

فلومتر اولتراسونیک برای طیف گسترده ای از مناطق کاربردی مفید است. مدل‌های جدیدتر clamp-on راه‌حلی ایده‌آل برای بسیاری از کاربرد ها ارائه می‌دهند که در آن انواع فناوری‌های دیگر سازگار نیستند. کاربردهای صنعتی رایج برای فلومتر اولتراسونیک شامل نیروگاه ها، آب و فاضلاب، مدیریت تاسیسات، صنایع شیمیایی و صنایع غذایی و آشامیدنی است.

فلومتر اولتراسونیک را می توان با انواع سیالات خاصی استفاده کرد که سایر فناوری های جریان ممکن است با آنها سازگار نباشد مانند مایعات بهداشتی، مایعات خورنده و مایعات ساینده. مدل های خاص را می توان با مایعات برودتی نیز استفاده کرد. آنها همچنین با نفت کار می کنند. سایر انواع سیالاتی که با فناوری اولتراسونیک سازگار هستند به این بستگی دارد که آیا فناوری داپلر یا Transit-time اصل کار برای اندازه گیری است یا خیر.

دقت فلومتر اولتراسونیک

در کنار سایر فناوری‌هایی که از اصول مکانیکی کار استفاده نمی‌کنند، فلومتر اولتراسونیک می‌تواند دقت بسیار خوبی ارائه دهد. آنها همچنین می توانند نسبت چرخش بسیار بالایی را ارائه دهند که می تواند طیف گسترده ای از نرخ جریان را در یک اندازه گیری کنترل کند. برای مثال، برخی فلومتر های اولتراسونیک رنج ۲۵۰:۱ ارائه می‌کند.

نصب و کالیبراسیون فلومتر اولتراسونیک

نصب این نوع فلومتر بستگی به نوع فلومتر اولتراسونیک دارد. اگر دبی متر یک نسخه خطی باشد، کنتور باید از طریق اتصالات خوب آب بندی شده در سیستم پایپینگ نصب شود. نصب فلومتر اولتراسونیک درون خطی مستلزم این است که به فاصله بالادستی و پایین دستی نیز توجه کنید. فلومترهای اولتراسونیک باید با فضای بیشتری از هر جسمی که ممکن است جریان را آشفته کند، نصب شود.

اگرچه می توانید آنها را به اندازه پنج برابر طول متر در لوله نصب کنید، اما می تواند منجر به عدم دقت بیشتر شود. همیشه به دفترچه راهنمای نصب مدل فلومتر خاص خود مراجعه کنید زیرا شرایط ممکن است متفاوت باشد. برای مثال، برخی فلومتر های اولتراسونیک به ۱۰ برابر بالا و پایین دست نیاز دارد.

نصب فلومتر اولتراسونیک گیره دار بسیار ساده تر است و یکی از مزایای افزایش محبوبیت آن است. ترانسمیتر ها از طریق تسمه در انواع مختلف به محیط خارجی لوله متصل می شوند. با فلومترهای اولتراسونیک گیره دار، کلید یک نصب و راه اندازی خوب این است که مطمئن شوید لوله ای که به آن چسبانده شده است دارای ویژگی های ساختاری است که به اصل اندازه گیری اولتراسونیک (عبور امواج از سطح لوله) اجازه می دهد تا به درستی عمل کند.

قیمت فلومتر اولتراسونیک

قیمت فلومترهای اولتراسونیک به چند متغیر بستگی دارد. یکی نوع نصب، درون خطی یا گیره دار، و دیگری ویژگی های کنتور خاص مورد نیاز است. به طور کلی، فلومترهای اولتراسونیک از نظر قیمت مشابه انواع فناوری مشابه مانند فلومترهای مغناطیسی هستند. فلومترهای اولتراسونیک عموماً قیمت بالاتری نسبت به فلومترهای نوع مکانیکی دارند که از ابزارهای اندازه گیری پیچیده استفاده نمی کنند.

برای مایعات نارسانا، فلومتر اولتراسونیک از نظر دقت و قیمت، جایگزین مناسبی برای فلومتر مغناطیسی است؛ زیرا فلومترهای مغناطیسی برای کار کردن به مایعات رسانا نیاز دارند. بسته به ویژگی‌های سیالی خاص، فلومترهای اولتراسونیک می‌توانند خود را به عنوان یک راه‌حل خوب در اولویت قرار دهند.

مقایسه فلومتر اولتراسونیک با فلومتر مغناطیسی

اگرچه به طور کلی از نظر قیمت مشابه است، مزیت واقعی فلومتر های اولتراسونیک توانایی اندازه گیری سیالات نارسانا است. فلومترهای مغناطیسی دارای حداقل مقدار رسانایی هستند که سیال برای عملکرد صحیح باید از آن برخوردار باشد. این بدان معنی است که انواع سیال های زیادی وجود دارد که با فناوری فلومتر مغناطیسی سازگار نیستند و با فناوری اولتراسونیک سازگار هستند.

فلومترهای اولتراسونیک و مغناطیسی هر دو بر اساس اصولی ساخته شده اند که نیازی به قطعات متحرک ندارند، بنابراین هر دو نسبت به فلومترهای مکانیکی تعمیر و نگهداری کمتر و عمر مفیدتری دارند. هر دوی آن‌ها می‌توانند دقت بسیار خوبی ارائه دهند، با این حال برخی از فلومترهای اولتراسونیک می‌توانند turn down ratio بالایی را ارائه دهند که می‌تواند دامنه وسیعی از نرخ‌های جریان مختلف را در یک برنامه واحد کنترل کند.

اگر نرخ جریان در واحد فرایندی شما بسیار متفاوت است، فلومتر اولتراسونیک ممکن است گزینه بهتری باشد.

شرکت پترو پردا تامین کننده قطعات و تجهیزات حوزه ی نفت، گاز وپتروشیمی