فلومتر اولتراسونیک چیست؟ انواع و کاربرد

فلومتر های اولتراسونیک Ultrasonic flowmeters از فناوری امواج فراصوت برای اندازه گیری سرعت سیال در حال حرکت، استفاده می‌کنند. فلومترهای اولتراسونیک برای آب و سایر مایعات ایده آل هستند. از اهدف این دسته از فلومترها اندازه گیری حجم جریان مایعات و گازها برای ارائه خوانش های دقیق برای کنترل جریان است. در بسیاری از کاربردهای صنعتی، مانند شرکت های شیمیایی، نیاز به قرائت دقیق برای فرآیندهای تولید است.

تاریخچه پیدایش

اولین جریان سنج اولتراسونیک توسط یک مخترع ژاپنی (Shigeo Satomura) در سال 1959 معرفی شد که از فناوری داپلر برای اندازه گیری جریان خون استفاده می‌کرد. در اوایل دهه 1960، فلومترها به عنوان ابزار صنعتی برای اندازه گیری جریان گازها و مایعات مورد استفاده قرار گرفتند. از همان ابتدا، آنها به محصول اصلی بسیاری از شرکت های سازنده ابزار تبدیل شده اند.

انواع فناوری های فلومتر اولتراسونیک

در دبی سنج اولتراسونیک از دو نوع تکنولوژی استفاده شده است که عبارتند از: اثر داپلر و جریان سنج زمان عبوری.

• تشخیص فلو بوسیله روش اثر داپلری (doppler effect):

در این فلو سنج، سیال عبوری بایستی بصورت دوغابی (سیال کثیف) باشد. در این فلومتر پرتوهای فراصوتی به صورت مورب نسبت به لوله ارسال می‌شود. که در بخش هایی ازسیال (با چگالی متغیر) پرتوها با برخورد به ذرات موجود در سیال منعکس می‌شوند.

درفلومترهای روش اثر داپلری به سیالی با چگالی متغیر در جریان سیال نیاز است.

• تشخیص فلو بوسیله روش زمان عبوری (transit time):

این مدل دارای یک فرستنده و یک گیرنده می‌باشد که سنسور فرستنده پالس هایی از انرژی فراصوتی را در عرض لوله فرستاده و زمان تا زمانی که سنسور گیرنده به صورت واضح این پالس را دریافت کند، محاسبه می‌گردد با این اختلاف زمان عبوری می توان به دبی حجمی عبوری سیال دست پیدا کرد. در سیال عبوری دراین فلو سنج ها باید سیال پاک باشد .

انواع فلومتر اولتراسونیک

فلومتر اولتراسونیک به طور گسترده ای به عنوان دستگاه های اندازه گیری جریان سیال در صنعت استفاده میشوند، زیرا از فناوری بروزتری نسبت به فلومتر های مکانیکی و قدیمی برای اندازه گیری دبی و حجم استفاده می‌کنند و دارای انواع مختلف برای کاربرد های متفاوتی هستند.

• فلومتر التراسونیک گیره دار Dual and Single Clamp-On Ultrasonic Flow Meters

فلومتر گیره دار اولتراسونیک، تقریبا از کم فرسایش ترین نوع دبی سنج‌ها هستند. آنها به قسمت بیرونی لوله متصل می شوند و در نسخه های تک و دو سنسوره موجود هستند. در نسخه تک سنسور، کریستال های ارسال و دریافت امواج اولتراسونیک در بدنه لوله قرار می‌گیرند.

فلومتر اولتراسونیک گیره دار چه نسخه دوتایی یا تکی باشد، فقط می توانند با انواع خاصی از لوله کار کنند ولی برای لوله های آستردار یا دارای عایق مناسب نیستند.

• فلومترهای هیبریدی اولتراسونیک Hybrid Ultrasonic Flow Meters

فلومترهای هیبریدی اولتراسونیک از متنوع ترین انواع فلومترها هستند. آنها می توانند جریان هر نوع سیالی را اندازه گیری کنند زیرا از هر دو فناوری اثر داپلر و زمان عبور را پشتیبانی می‌کنند.این مزیت به کاربر اجازه می دهد تا روش اندازه گیری فلو را بر حسب نیاز خود انتخاب کند. اگر جریان سیال دارای ذرات باشد، از سیستم داپلر استفاده می‌شود ولی اگر سیال تمیز و عاری از ذرات و حباب باشد از فناوری زمان عبور.

• دبی سنج های التراسونیک خطی In-Line Ultrasonic Flow Meters

فلومترهای خطی در مسیر عبور سیال برای اندازه گیری دبی کاربرد دارند. فلومترهای خطی التراسونیک به طور گسترده ای برای اندازه گیری نرخ فلو استفاده می شوند زیرا نیازی به برش لوله، خاموش کردن عملیات یا ایجاد تاخیر در فرآیند ندارند. فلومتر اولتراسونیک با قابلیت استفاده فوری، یک دستگاه اندازه گیری ارزان و راحت برای کاربردهای اندازه گیری درون خطی ارائه می دهد.

برای استفاده از یک جریان سنج التراسونیک خطی، تنها چیزی که لازم است تنظیمات پارامتر و سایز لوله در صفحه نمایش دستگاه است.

• فلومترهای التراسونیک قابل حمل Portable Ultrasonic Flow Meters

فلومترهای قابل حمل در اندازه‌های مختلفی وجود دارند، از اندازه‌هایی که شبیه به ماشین حساب هستند تا اندازه‌هایی مانند لپ‌تاپ. آنها دارای یک باتری قابل شارژ داخلی یا دوشاخه برق هستند. داده های اندازه گیری شده به صورت نمودار یا ستون نمایش داده می شوند که به راحتی می توانند به رایانه های دیگر منتقل شوند.

سنسورهای یک فلومتر اولتراسونیک قابل حمل، به دو روش گیره‌ای یا آهنربای مغناطیسی به خط لوله قابل وصل شدن هستند. برای عملکرد بهینه دبی سنج، ترانسمیتر ها بر روی لوله بصورت مقابل هم باید قرار گیرند، مانند دیگر، فلومتر های اولتراسونیک.

• فلومتر راداری یا ماکروویو Radar Flow Meters

از نظر فنی، فلومترهای راداری فلو سنج اولتراسونیک نیستند زیرا از سیگنال‌های رادار مایکروویو برای اندازه‌گیری جریان، جرم و حجم استفاده می‌کنند. اگر یک ماده دارای ثابت دی الکتریک بزرگتر از دو باشد، مانند آب یا آمونیاک، می تواند سیگنال های رادار را منحرف کند. هرچه ثابت دی الکتریک بیشتر باشد، سیگنالی که منحرف می‌شود بیشتر است. اگرچه دبی سنج های راداری برای مواد دی الکتریک بزرگتر از 2، ایده آل هستند، اما نمی توان آنها را با سیال هایی که ثابت الکتریک کمتر از 2 دارند استفاده کرد. مانند: هوا، بخارات، گازها یا فوم.

تکنولوژی پشت فلومتر سنج راداری بر اساس فناوری دوربین‌های کنترل سرعت کار می‌کند. هنگامی که پرتو یا امواج به سیال فرستاده می شود، سیگنال های برگشتی با فرکانس فرستاده شده کمی تفاوت دارد. از این تغییر فرکانس جهت اندازه گیری سرعت و جهت جریان سیال استفاده می‌شود.

• فلومتر زمان پرواز اولتراسونیک Time of Flight Ultrasonic Flow Meter (ToF)

فلومتر اولتراسونیک زمان پرواز امواج فراصوت را از دو طرف لوله ارسال می‌کند. امواج از طرف فرستنده حرکت میکند و با عبور از سیال در حال حرکت به گیرنده می‌رسد. مدت زمان رسیدن و تغییر فاز امواج با سرعت حرکت سیال متناسب است.

نصب صحیح مبدل ها برای اطمینان از دقیق بودن قرائت فلومتر الزامی و ضروری است. نکته کلیدی در این فرآیند، زاویه شکست سیگنال اولتراسونیک هنگام عبور از لوله است. بهمین علت یک کوپلنت اولتراسونیک بین مبدل و لوله قرار می گیرد تا شکاف هوایی یا Gap، امواج فراصوت را مخدوش نکند.

برای اینکه فلومتر اولتراسونیک TOF درست کار کند، جریان سیال باید عاری از حباب‌های گاز، آرام و عاری از مواد جامد باشد چون وجود این عناصر موجب پراکندگی سیگنال فلومتر می‌شود. یعنی دقیقا بر خلاف جریان سنج داپلر عمل می‌کند. از مزایای دبی سنج های زمان پرواز، میتوان به تاثیر بسیار پایین تغییرات دما و فشار بر روی نتایج اندازه‌گیری، اشاره کرد.

• فلومتر اولتراسونیک توتالیزاسیون Totalization Ultrasonic Flow Meter

فلومتر اولتراسونیک مجموع مقدار گاز، مایع یا جریان سیالی را که از یک لوله می گذرد، تشخیص می‌دهد. آنها برای استفاده برای سیال هایی طراحی شده اند که دارای ذرات یا حبابهایی بزرگتر از (ppm) 100دارند. از آنجایی که در فلومتر های اولتراسونیک معمولی امواج توسط ذرات یا حباب ها منحرف می‌شود، فلومتر اولتراسونیک توتالیزه برای مقابله با این مشکل ایده آل هستند.

مناسب برای کاربردها در: اندازه گیری جریان فاضلاب، لجن فعال شده، لجن فعال پسماند، لجن، دوغاب، نفت خام، دوغاب آهک، فسفات ها و ذخایر خمیر کاغذ است. در فلومتر اولتراسونیک توتالیزاسیون به دلیل وجود حباب ها و ذرات معلق در جریان سیال، از فناوری داپلر استفاده شده است.

لول ترانسمیتر اولتراسونیک نیز نوعی فلومتر است که برای اندازه گیری فلوی: کانال های باز، استخر ها و رودخانه ها کاربرد دارد! 

ویژگی و مزایای فلومتر اولتراسونیک

• بدون قطعات متحرک، در نتیجه تعمیر و نگهداری نسبتا پایینی دارد
• عمر طولانی و بدون سایش یا خوردگی ناشی از سیال در نتیجه اصل اندازه‌گیری غیر تماسی
• طراحی درون خطی یا گیره ای برای اندازه گیری فلوی ثابت یا موقت
• اندازه گیری مستقل از فشار، چگالی، دما، رسانایی و ویسکوزیته (برای سیالات همگن)
• افت فشار سیال در این تجهیزات وجود ندارد
• o/p متر بسته به چگالی، ویسکوزیته و دمای مایع متفاوت است
• جریان مایع را در هر جهتی اندازه‌گیری می‌کند (دو جهته است)
• پاسخ دینامیکی خوبی دارد
• خروجی به صورت سیگنال جریانی آنالوگ است
• مصرف انرژی بسیار کم
• مناسب برای اندازه گیری جریان جرم بزرگ
• نصب آسان
• تطبیق پذیری بسیار خوب
• عدم تماس با مایعات
• بدون خطر نشتی
• دقت بالا
• مناسب برای هر نوع سایز خطوط لوله
• اندازه‌گیری بصورت ایمن و بهداشتی

معایب

• از دبی سنج های مکانیکی گرانتر هستند
• قطعات و سنسور های یدکی این فلومتر تقریبا گران است
• با وجود تعمیر و نگهداری پایین، حتما برای سرویس این فلومتر نیاز به افراد متخصص است
• برای لوله های سیمانی (بتنی) و فلزی زنگ زده اصلا مناسب نیستند

برند های مطرح در زمینه فلومترهای اولتراسونیک

فلومتر یوکوگاوا Yokogawa

اندرس هاوزر Endress+Hauser

ای‌بی‌بی ABB

فلومتر امرسون Emerrson

فلومتر اولتراسونیک کرونه Krohne

زیمنس Siemens

کاربردهای فلومتر اولتراسونیک

صنعت نفت بیشترین درصد بکارگیری فلومتر های اولتراسونیک را دارد. چون شرایط سخت صنعت نفت نیازمند ابزارهایی است که بتوانند در محیط پرچالش از خود مقاومت بالایی نشان دهند. انعطاف‌پذیری فلومترهای التراسونیک گیره‌ای، آنها را به انتخابی ایده‌آل برای استخراج و تولید نفت تبدیل کرده است. از آنجایی که نفت با فشار و سرعت جریان بالا پمپاژ می شود، فلومتر های دیگر قادر به کارکردن در آن شرایط نیستند.

مواردی که در انتخاب فلومتر التراسونیک باید رعایت کرد

• رنج اندازه گیری فلو
• فشار خط
• نحوه نصب
• چگالی یا ویسکوزیته سیال
• پرتابل یا ثابت بودن دستگاه
• وجود ذرات ناخالص در دستگاه

نتیجه گیری

• فلومتر اولتراسونیک دبی یک مایع یا گاز را با ارسال امواج اولتراسونیک در سراسر لوله اندازه گیری می کند
• یک فلومتر اولتراسونیک از روش آکوستیک امواج فراصوت برای اندازه گیری جریان سیال استفاده می کند
• دو نوع روش اندازه گیری جریان بروش اولتراسونیک وجود دارد که عبارتند از سفر در زمان عبور و انتقال داپلر
• فلومترهای التراسونیک به دلیل داده های فوق العاده دقیق و غیرتهاجمی بودن آنها و عدم تماس با سیال، یکی از محبوب ترین فلومترها هستند.
• هر صنعتی که به داده‌های مربوط به جریان سیالات متکی باشد، از دبی سنج‌های اولتراسونیک برای تشخیص دقیق و مستمر استفاده می‌کند.
• فلومتر اولتراسونیک یک جایگزین عالی برای فلومتر گردابی و نیز فلومتر الکترومغناطیسی هستند.

اگر می‌خواهید در زمینه فلومتر و انواع آن بیشتر بدانید حتما بر روی لینک زیر کلیک کنید!

فلومتر Flowmeter چیست و چه کاربردی دارد

سوالات متداول