در دنیای دبی سنج‌های مدرن، شاید هیچ تکنولوژی و روشی به اندازه فلومترهای اولتراسونیک برای اندازه‌گیری جریان مایعات محبوب نباشد. فلومتر اولتراسونیک ابزاری است که بسته به تکنولوژی خود، جریان یک سیال را به وسیله تشخیص واکنشی که سیال بر روی پرتوهای اولتراسونیک (یا پالس‌های اولتراسونیک) می‌گذارد، اندازه‌گیری می‌کند. فلومترهای التراسونیک تحت تاثیر خواص صوتی سیال هستند و بسته به نوعشان می‌توانند تحت تاثیر دما، چگالی، ویسکوزیته و ذرات معلق موجود در سیال قرار گیرند. این فلومترها شاید کمی گران قیمت باشند، اما اغلب استفاده و نگهداری آنها ارزان است، زیرا بر خلاف جریان سنج‌های مکانیکی از قطعات متحرک استفاده نمی‌کنند. اکنون در این مطلب قصد داریم تا به دنیای ultrasonic flow meters وارد شده و به بررسی فناوری آنها و مزایا و معایب انواع فلومترهای اولتراسونیک بپردازیم. پس با ما همراه باشید!
فلومتر اولتراسونیک چیست؟
فلومترهای التراسونیک نوعی جریان سنج حجمی هستند که از ارتعاشات صوتی برای اندازه‌گیری دبی مایعات استفاده می‌کنند. فلومتر اولتراسونیک در دسته بندی کلی در 3 نوع داپلر (Doppler) و زمان عبور (transit time) و کانال باز وجود دارد. به طور عمومی، هر فلومتر اولتراسونیک دارای دو فرستنده و دو گیرنده است که یکی از هر کدام در دو طرف لوله در فاصله مشخص نصب شده است تا اندازه‌گیری دقیقی را ارائه دهند. بر خلاف دیگر انواع فلومتر، فلومترهای اولتراسونیک دارای قطعات متحرک نیستند و همه کاره و دو جهته می‌باشند. فلومترهای اولتراسونیک مایعات عموما در دو نوع کلمپ آن و اینلاین عرضه می‌شوند. نسخه کلمپ آن غیر نفوذی است (یعنی درون لوله جاگذاری نمی‌شود) و به راحتی می‌توان سنسورهای آن را با گیره در قسمت بیرونی لوله نصب کرد. در نسخه اینلاین، سنسورها درون لوله‌ی فلومتر جایگذاری شده‌اند و بدین ترتیب دستگاه در مسیر حرکت سیال به عنوان بخشی از خط لوله نصب می‌شود.
تاریخچه جریان سنج التراسونیک
اولین جریان سنج اولتراسونیک توسط یک مخترع ژاپنی در سال 1959 معرفی شد که از فناوری داپلر برای اندازه‌گیری جریان خون استفاده می‌کرد. در اوایل دهه 1960، فلومترها به عنوان ابزاری صنعتی برای اندازه‌گیری جریان گازها و مایعات مورد استفاده قرار گرفتند. از همان ابتدا، آنها به محصول اصلی بسیاری از شرکت‌های سازنده ابزار دقیق تبدیل شده‌اند. هدفِ یک فلومتر، اندازه‌گیری حجم جریان مایعات و گازها برای برای کنترل دقیق فلو است. بسیاری از کاربردهای صنعتی، مانند شرکت‌های شیمیایی، نیاز به قرائت دقیق برای فرآیندهای تولید خود دارند.
یک فلومتر اولتراسونیک از امواج صوتی برای اندازه‌گیری جریان استفاده می‌کند. دو روش اصلی اندازه‌گیری جریان اولتراسونیک وجود دارند که عبارتند از سفر زمان عبور (transit time travel) و انتقال داپلر (Doppler shift). تفاوت بین این روش‌ها در نحوه به دست آوردن اندازه‌گیری جهت‌ها است. با روشtransit time ، امواج صوتی در امتداد یک خط مورب به جریان ارسال می‌شوند و اندازه گیری‌ها در هر دو جهت انجام می‌شوند. با روش داپلر، امواج صوتی در طول مسیر جریان پخش می‌شوند و فرکانس سیگنال برگشتی اندازه‌گیری می‌شود.
تئوری پشت کار یک فلومتر اولتراسونیک بر این مفهوم استوار است که با تغییر در سرعت جریان سیال، سرعت پالس‌های امواج اولتراسونیک تغییر می‌کند.
فلومتر التراسونیک چگونه کار می‌کند
مبدل (transducer یا دستگاهی که نرخ جریان را محاسبه می‌کند)، می‌تواند به صورت موازی یا با زاویه‌ای نسبت به کنار لوله نصب شود. فلومتر اولتراسونیک دارای دو فرستنده (transmitter) است که موج صدا را ارسال می‌کنند و دو گیرنده (receiver) که موج‌ها را دریافت می‌کنند. فرستنده‌ها سیگنال‌ها یا پالس‌های اولتراسونیک کوتاه و لحظه‌ای را از طریق جریان سیال ارسال می‌کنند.
یک فرستنده (ترنسمیتر ترجیحی)، امواج صوتی را در امتداد جهت جریان (به صورت مورب) می‌فرستد. این ترنسمیتر را ترجیحی می‌گوییم، زیرا در جهت جریان پالس می‌فرستد. فرستنده دیگر امواج صوتی را در جهت مخالف جریان می‌فرستد. سیگنال فرستنده اول با افزایش سرعت سیال افزایش می‌یابد. سیگنال فرستنده دوم هم با افزایش سرعت سیال کاهش می‌یابد زیرا در جهت مخالف جریان ارسال می‌شود و هر چه سرعت سیال بیشتر شود، کاهش سیگنال شدیدتر خواهد بود. شکل زیر نحوه ارسال، حرکت و دریافت سیگنال‌ها را نشان می‌دهد.
اصول کارکرد داپلر
نوع داپلر جریان سنج اولتراسونیک، تغییر فرکانس داپلر (Doppler frequency shift) امواج صوتی پراکنده شده توسط ذرات معلق در سیال را اندازه‌گیری می‌کند. این تغییر فرکانس اطلاعاتی در مورد سرعت سیال ارائه می‌دهد. شکل داپلر جریان سنج اولتراسونیک را می‌توان در کانال‌های باز برای اندازه‌گیری جریان مواد زائد، آب و سایر مایعات کانال باز استفاده کرد.
Transit Time چیست؟
جریان سنج‌های اولتراسونیک زمان عبور (Transit Time)، سرعت جریان را با محاسبه زمان لازم برای عبور پالس‌های اولتراسونیک در سیال اندازه‌گیری می‌کنند. سپس نرخ دریافتی پالس‌های اولتراسونیک به سرعت جریان تبدیل می‌شود. ماهیت منحصر به فرد جریان سنج‌های اولتراسونیک زمان عبور، توانایی آنها برای اندازه‌گیری دبی بدون توجه به جهت جریان است.
فلومترهای آلتراسونیک کانال باز
فلومترهای اولتراسونیک کانال باز، سطح، دبی و حجم آب جاری در سرریزها، مجرا‌ها و کانال‌ها را اندازه‌گیری می‌کنند. فلومترهای کانال باز باید غیر تماسی باشند، به همین دلیل است که از فلومترهای کانال باز اولتراسونیک به طور گسترده برای این کاربرد استفاده می‌شود. بر خلاف فلومترهای لوله بسته، فلومترهای اولتراسونیک کانال باز نیاز به ورودی هندسه کانال از جمله عمق و عرض آن دارند. فلومتر از ارتفاع آب برای تعیین دبی استفاده می‌کند. آنها در کانال‌هایی که رسوب جمع نمی‌شود بهترین عملکرد را دارند، زیرا جمع شدن رسوب به شدت بر خوانش این کنتورها تأثیر می‌گذارد.
ویژگی‌های یک فلومتر اولتراسونیک
مزایای دبی سنج اولتراسونیک شامل موارد زیر است:
- اندازه گیری دقیق: اندازه گیری‌های ارائه شده توسط فلومتر اولتراسونیک تحت تأثیر فشار، چگالی، دما، هدایت یا ویسکوزیته سیال نیستند.
- قطعات بدون حرکت: مزیتی که در مورد دبی سنج‌های اولتراسونیک به طور مداوم بر آن تاکید می‌شود، عدم وجود قطعات متحرک در آنها است. این عامل نیاز به تعمیر و یا تعویض قطعات را برطرف می‌کند. هنگامی که فلومتر نصب می‌شود، هیچ بخشی از آن در حرکت نیست، اما قرائت‌ها ثابت و تکرارپذیر هستند.
- عمر طولانی خدمات: با حذف قطعات متحرکی که ممکن است فرسوده شوند یا آسیب ببینند، دبی سنج‌های اولتراسونیک طول عمر بالایی دارند. از آنجایی که آنها غیرتهاجمی هستند، هیچ نگرانی در مورد سایش ناشی از مواد خورنده یا ساییدگی سنسورهای آنها وجود ندارد.
- انعطاف پذیری و قابلیت تغییر موقعیت: چه فلومتر اولتراسونیک اینلاین باشد یا به صورت گیره‌ای (کلمپ آن)، بسته به نیاز به راحتی می‌توان آن را تغییر مکان داد یا برداشت. در حالی که سایر فلومترها دائمی هستند و نیاز به تلاش زیادی برای تعمیر یا تعویض دارند، فلومترهای اولتراسونیک می‌توانند موقتی بوده و در صورت نیاز نصب شوند.
- اندازه لوله: فلومتر التراسونیک به دلیل توانایی در نظارت و اندازه‌گیری جریان در اندازه لوله‌های بزرگ برای کاربردهای انتقال نگهدارنده تایید شده است. آنها برای انتقال از طریق لوله‌های شش اینچی یا پانزده سانتی متری یا بزرگتر استفاده می‌شوند که برای سایر دبی مترها بسیار بزرگ هستند.
- مواد قابل اندازه گیری: فلومترهای التراسونیک می‌توانند جریان مایعات، گازها و بخارات غیر رسانا را اندازه‌گیری کنند، که همه‌ی این‌ها محدودیت اصلی کنتورهای مغناطیسی هستند، چون کنتورهای مغناطیسی فقز می‌توانند سیالات رسانا را اندازه‌گیری نمایند. به همین دلیل، فلومتر اولتراسونیک به طور گسترده در صنایع نفت و گاز، حمل و نقل و پالایش استفاده می‌شود، زیرا نفت و گاز نارسانا هستند.
- دقت و محدوده اندازه گیری: فلومتر التراسونیک برد بالایی را ارائه می‌دهد و می‌تواند هر شرایطی از جریان (از کم به زیاد) را با قابلیت اطمینانی طولانی مدت و استثنایی اندازه‌گیری کند. اندازه‌گیری آنها دقیق و قابل تکرار با قابلیت انجام در شرایط دمایی شدید است.
- اندازه گیری‌های غیر نفوذی، ایمن و بهداشتی: صرف نظر از نحوه نصب، فلومتر اولتراسونیک جریان سیالات یا مواد را مسدود نمی‌کند. فلومترهای کلمپ آن هم هرگز با مواد تماس پیدا نمی‌کنند و بنابراین بر جریان یا یکپارچگی مواد تأثیر نمی‌گذارند. این ویژگی خاص، تضمین می‌کند که نصب فلومتر ملزومات بهداشتی را نقض نکند.
اما دبی سنج اولتراسونیک چندین عیب هم دارد:
اگر حباب هوا در لوله وجود داشته باشد، به درستی کار نمی‌کنند
در مقایسه با سایر دبی سنج‌های مکانیکی گران‌تر هستند
طراحی آنها پیچیده است
برای نگهداری و تعمیر نیاز به افراد متخصص دارند
کاربردهای فلومتر آلتراسونیک
فلومترهای آلتراسونیک در صنایع زیادی کاربرد دارند:
صنایع آب و فاضلاب
اولین فلومتری که در آلمان ساخته شد، برای اندازه‌گیری جریان آب طراحی شده بود. در عرض یک سال پس از معرفی، فناوری دبی سنج‌ها در سراسر جهان گسترش یافت. پنجاه سال بعد، یعنی در سال 1959، اولین فلومتر اولتراسونیک که از روش داپلر برای اندازه‌گیری جریان خون استفاده می‌کرد معرفی شد. در سال 1963، فلومتر اولتراسونیک برای مصارف صنعتی به بازار آمد.
فلومترهای التراسونیک سنت اولین فلومترها را حفظ کرده‌اند و برای اندازه‌گیری آب کانال‌های باز و جریان آب از طریق لوله‌ها استفاده می‌شوند. انعطاف پذیری دبی سنج‌های التراسونیک و عدم وجود قطعات متحرک، آنها را برای نظارت و اندازه‌گیری جریان آب ایده آل می‌کند.
صنعت نفت و پتروشیمی‌ها
شرایط سخت صنعت نفت نیازمند ابزارهایی است که بتوانند در محیط‌های پرچالش مقاومت کنند. انعطاف‌پذیری فلومترهای التراسونیک گیره‌ای (کلمپ-آن)، آنها را به انتخابی ایده‌آل برای استخراج و تولید نفت تبدیل کرده است. از آنجایی که نفت با فشار و سرعت جریان بالا پمپاژ می‌شود، سایر جریان سنج‌ها قادر به تحمل در آن شرایط نیستند. دبی سنج‌های اولتراسونیک نیازی به نصب داخل لوله ندارند، که نصب آنها را آسان کرده و در زمان صرفه جویی می‌کند. همچنین، برش در لوله‌های حاوی مواد شیمیایی برای قرار دادن شکل دیگری از دبی سنج‌ها جریان می‌تواند خطرناک باشد.
حوزه انتقال مایعات
در تمام حوزه‌هایی که دقت در انتقال مایع از فروشنده به خریدار ضروری است، فلومتر آلتراسونیک نقش عمده‌ای را بازی می‌کند. دقت و انعطاف‌پذیری دبی‌مترهای اولتراسونیک، آنها را به عنوان دستگاه‌های اندازه‌گیری مطمئنی برای انتقال سیال در هر مسیری مناسب کرده است.
سخن نهایی
فلومتر آلتراسونیک به طور گسترده در انواع کاربردهای صنعتی استفاده می‌شود، و برای بسیاری از کاربردها ایده آل است، زیرا جریان را با استفاده از صدا اندازه‌گیری می‌کند و بنابراین روشی غیر تهاجمی دارد. دبی سنج التراسونیک بیشتر در صنایع آب و فاضلاب، شیمیایی‌ها و نفت و گاز کاربرد دارد و همچنین در صنایع دارویی، مواد غذایی و آشامیدنی، صنایع فلزی، معدن، خمیر و کاغذسازی استفاده می‌شود.