دبی سنج اولتراسونیک Ultrasonic Flow Measurement
در گذشته در صنعت از دبی سنج های اولتراسونیک به منظور اندازه گیری دبی حجمی مایعات و اخیرا گازها استفاده می شود. روش اندازه گیری در دبی سنج های فراصوتی به دو صورت اندازه گیری براساس زمان عبور و اثر داپلری می باشد که در ادامه به معرفی این دو روش و تفاوت بین آنها پرداخته می شود.
1-اندازه گیری زمان عبور Transit Time
این روش به خوبی در کاربردهای صنعتی برای بیشتر از بیست سال پاسخ داده است. این روش دقیق و قابل اطمینان است و علاوه بر اندازه گیری نرخ دبی حجمی، با اندازه گیری سرعت صوت، اطلاعاتی درباره نوع مایعات در اختیار قرار می دهد.
2-اثر داپلری Doppler Effect
برای کارکرد صحیح این روش نیاز به منعکس کننده صوت در سیال عبری است. استفاده نادرست از دبی سنج اثر داپلری منجر به کارکرد ناصحیح و در نتیجه غیرمطمئن این دستگاه در سالهای اولیه تولید آن شد.
تفاوت اساسی این دو روش در این است که روش زمان عبوری باید برای سیالات پاک استفاده شود، در حالی که نوع انعکاسی داپلر برای دبی های کثیف و دوغاب به کار گرفته می شود.
در حال حاضر اندازه گیری دبی فراصوتی یا اولتراسویک با استفاده از اختلاف زمان عبوری، یکی از رایجترین روش های اندازه گیری دبی در فرایند های صنعتی است. این روش برای اندازه گیری دبی گازهای برودتی از دمای -200 درجه سانتی گراد تا مایعات و گازهای داغ بخار تا دمای 500 درجه سانتی گراد و بلکه بالاتر و فشارهایی تا 1500 بار و همچنین برای کنترل انتقالهای حجیم مایعاتی بغیر از آب کاربرد دارد.
فلومتر اولتراسونیک نوع زمان عبوری
در دبی سنج نوع زمان عبوری پالسهایی از انرژی فراصوتی به صورت مورب در عرض لوله فرستاده می شود. زمان عبور هنگامی که فرستنده شروع بع ارسال پالس می کند تا هنگامی که دریافت کننده پالس را آشکار می سازد، اندازه گیری می شود.
این تجهیز دارای یک فرستنده و یک گیرنده است. پالسها به صورت متناوب در بالادست و پایین دست ارسال می شوند و سرعت سیال با توجه به اختلاف زمانی بین دو جهت محاسبه می شود.
اساس عملکرد فلومتر اولتراسونیک نوع زمان عبوری
اندازه گیری تفاضل زمان عبوری بر پایه قانون فیزیکی ساده ای استوار است. تصور کنید دو قایق یک رودخانه را در خط اریب مشابه، یکی در جهت جریان و دیگری در خلاف جهت آن می پیمایند. قایقی که در جهت جریان حرکت می کند به زمان خیلی کمتری برای رسیدن به سمت دیگر رودخانه احتیاج دارد. موج های فراصوتی دقیقا به همین صورت عمل می کنند. موج صوتی که در جهت جریان حرکت می کند، با سرعتی بیشتر نسبت به موجی که در خلاف جهت حرکت می کند پخش می شود. زمان عبور به صورت پیوسته اندازه گیری می شوند. اختلاف زمان عبور موجها، مستقیما متناسب با متوسط سرعت سیال است.
با توجه به رابطه نرخ دبی حجمی با سطح مقطع و سرعت متوسط، آن را می توان اندازه گیری کرد.
بنابراین اختلاف زمان عبور، اندازه گیری دقیق خطی متوسط سرعت دبی در طول مسیر اندازه گیری است. مقدار اختلاف زمان عبوری سیگنال صوتی بسیار اندک است.
مبدلهای سیگنال که پیزوها را با پالس تحریک می کنند و سیگنال های دریافتی را بررسی می کنند باید بتوانند چنین دقت زمانی را گارانتی کنند. تاکنونن از روشهای مختلفی برای چنین کاری استفاده شده است. در حال حاضر از DSP های پیجیده برای این کار استفاده می شود.
محدودیت های کاربردی
میزان گاز یا مواد جامد در مایعات نباید از حد مشخصی بیشتر شود، زیرا ممکن است باعث زیاد شدن تضعیف شود.
موج های صوتی موج های فشاری هستند که به دلیل قابلیت فشرده شدن مواد فرایندی، موجهای مکانیکی تولید می کنند. در گران روی های خیلی بالا، این حرکت محدود می شود و باعث لوگیری از پخش موج صوتی می شود. به همین دلیل است که برای گران روی محدودیت اعمال می شود. به طور کلی می توان گفت این محدودیتها شامل سیالات رایج و کاربردی نمی شود و فقط برای تعداد اندکی از موارد مهم است.
در دبی سنج های فراصوتی برای اندازه گیری دقیق و مستقل از عدد رینولدز از تعداد پرتوهای اندازه گیری بیشتری استفاده می شود.
دبی سنج های فراصوتی تک پرتویی برای دبی های آشفته مانند آب استفاده می شوند. این شکل تقریبا خطای 30% را در تغییر از جریان آشفته به آرام نشان می دهد.
دبی سنج های فراصوتی دو پرتویی خطای تقریبا 0.5 درصدی در انتقال از آرام به آشفته را نشان می دهند.
دبی سنج اولترسونیک نوع اثر داپلری
در تجهیزات اثر داپلری به اهدافی با چگالی متغیر در جریان سیال برای بازگرداندن انرژی فراصوتی نیاز است. در دبی سنج اثر داپلری یک پرتوی انرژی فراصوتی به صورت مورب نسبت به لوله ارسال می شود. بخشهایی از انرژی فراصوتی از ذرات درون مسیر چگالی متغیر باز می گردد. از آنجایی که اهداف متحرک هستند، انرژی فراصوتی بازگشتی دارای فرکانسهای متفاوتی است. مقدار اختلاف بین سیگنال اولیه و بازگشتی متناسب با سرعت سیال است.
استفاده از یک سنسور کاملا رایج است. این سنسور شامل فرستنده و گیرنده است. این دبی سنج را می توان در خارج از لوله نیز نصب کرد.
اساس عملکرد دبی سنج اولترسونیک نوع اثر داپلری
دبی سنج های داپلری همانند مترهای راداری در مسیرها عمل می کنند. یک ساطع کننده موجهای فراصوتی را در فرکانس f1 تقریبا 1 تا 5 مگا هرتز به صورت زاویه ای به سیال می فرستد. موجهای فراصوتی به ذرات متحرک در سرعت Vp برخورد می کنند. با توجه به پارامترهای موجود ، طول موج فرکانس، طول موج ذرات متحرک از ساتع کننده و با توجه به اینکه اختلاف فرکانس می تواند اندازه گیری خطی نرخ حرکت ذرات باشد، نرخ دبی حجمی قابل محاسبه می باشد.
محدودیت های کاربردی
از آنجایی که دبی سنج های داپلری به بازگشت انرژی از سیال تیه دارند، لذا اینگونه تجهیزات به ذرات جامد و حباب در اندازه های کافی نیاز دارد. همچنین دبی باید به اندازه کافی سریع باشد که بتواند مقدار مناسبی از مواد جامد و حباب را در خود معلق سازد.
مزایای دبی سنج های داپلری
• به راحتی در خطوط لوله موجود نصب می شود مانند مدل رو-بست
• بدون ساییدگی و بخش متحرک هستند.
معایب
• در این روش اندازه گیری به تعداد کافی از ذرات بازتابنده در سیال نیاز است.
• ذرات باید به اندازه کافی بزرگ باشند تا بازتابش خوبی تولید کنند.
• سرعت صوت مواد ریز باید به طور مشخص با مایعات تفاوت داشته باشد.
• سرعت صوت در سیال مستقیما در نتایج اندازه گیری تاثیر می گذارد.
• سرعت ذرات معلق اغلب به طور قابل ملاحضه ای نسبت به سرعت خود مایع متفاوت است و باعث خطا می شود.
• ته نشینی ذرات در محل پروب می تواند باعث خطا شود.