فلومتر التراسونیک (دبی سنج التراسونیک):

به امواج صوتی با فرکانس‌های بیشتر از ۳۰ کیلو هرتز امواج آلتراسونیک گویند (فرکانس بالای شنوائی انسان). از امواج التراسونیک می‌توان جهت اندازه‌گیری کمیت‌های 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.

فلومتر اولتراسونیک، با استفاده از امواج صوتی، دبی سیال را اندازه‌گیری می‌کند و شرط اصلی آن، پر بودن لوله از سیال است.

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. عموماً به دلیل نداشتن قسمت متحرک، ارزان قیمت هستند و هیچگونه اثری بر روی کمیت مورد اندازه‌گیری ندارند.

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

 

1- ترانزیت زمانی – زمان جابه‌جایی (Transit time)

در این روش مانند قایقی که از وسط رودخانه می‌گذرد، 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 دبی سنج التراسونیک برای سیالات تمیز (مانند بخار یا آب) و عاری از هر حباب یا ذره جامد کاربرد دارد.

نصب سنسور‌ها به صورت گیره‌ای (Clamp on) است. Clamp on یعنی سنسور را با استفاده از بست به لوله ببندیم که 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 هستند و در لوله‌های با سایز پایین استفاده می‌شود.

دو سنسور send و receive در این روش کاملاً 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 لوله بیش از “4 است، می‌توان 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 اندازه‌گیری نیست.

 

فلومتر ترانزیت زمانی مدل V

روش دیگر اندازه‌گیری در حالت Transit time، فلومتر نوع V یا V-factor است. این روش برای سیالات تمیز و عاری از رسوب توصیه می‌گردد. همچنین در سایز پایپ‌های کوچکتر نیز قابلیت استفاده را دارا است.
شاید در همان ابتدای بحث برایتان این سؤال پیش آمد که چرا در تصویر زیر، هر دو سنسور در یک طرف نصب شده‌اند.

این دقیقاً 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 اندازه‌گیری 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 می‌گردد.

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 می‌دهد و لذا این ruler روی لوله با بست کمربندی نگه داشته می‌شود.

2- اثر داپلر (Doppler)

برای روش ترانزیت زمانی، اشاره کردیم که بایستی در case‌های 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 است.

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.

سنسور‌های پیزو الکتریک در یک housing قرار می‌گیرند و فرکانس کاری مربوط به آن‌ها ۶۴۰KHz~ ۱ MHz است. در مواردی مانند سرویس‌های فاضلاب یا پساب‌ها به دلیل انفصال و عدم تداوم در موج صوتی از روش دوپلر نیز نمی‌توان 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 است) این تغییر فرکانس ملاک اندازه‌گیری 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، 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 لوله پُر باشد.

بهترین توصیه، استفاده از این تجهیز در سیال‌هایی با عدد رینولدز کمتر از 4000 (linear) و یا بالاتر از 10000 (turbulent) است.

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 می‌تواند به عنوان پایه اندازه‌گیری در Custody Meter جهت محاسبه دبی خروجی از سایت مورد استفاده قرار گیرد. اما پیش‌تر گفتیم که این روش دقت بالایی ندارد و در نمونه‌های Custody Meter بایستی دقت دبی سنج فوق‌العاده بالا باشد

Custody Meter یا همان Metering به معنای اندازه‌گیری فلوی خروجی با دقت بسیار بالا است که معمولاً در آخرین مرحله اندازه‌گیری فلو در نظر گرفته می‌شود. برای بالا بردن دقت می‌توان از چند سنسور send و receive استفاده کرد. مثلاً با داشتن ۴ سنسور و ۲-Beam می‌توان دقت را افزایش داد.

 

محصولات مرتبط فلومتر التراسونیک (دبی سنج التراسونیک):
فلومتر پرتابل التراسونیک GE PT900
فلومتر التراسونیک پرتابل TUF2000P
فلومتر التراسونیک GE آمریکا
فلومتر التراسونیک پرتابل Katflow 230