فلومتر التراسونیک ــ راهنمای جامع

فلومتر التراسونیک (ultrasonic flowmeter)

یکی از انواع فلومترهای حجمی است که سرعت سیال را از طریق عبور امواج صوتی فرکانس بالا از درون مسیر سیال اندازه‌گیری می‌کند. حرکت سیال بر انتشار این امواج صوتی تاثیر می‌گذارد و از همین امر برای اندازه‌گیری سرعت سیال استفاده می‌شود. در مطالب قبلی وبلاگ پریسماتک به بررسی انواع دیگر فلومترها مانند فلومتر کوریولیس، فلومتر الکترومغناطیسی و فلومتر اریفیس پرداختیم. در این مطلب قصد داریم اصول کاری و ساختمان فلومترهای التراسونیک را بررسی کنیم.

انواع فلومتر التراسونیک

فلومترهای التراسونیک دارای دو نوع اصلی اختلاف زمانی (Transit Time) و اثر داپلری (Doppler Effect) هستند. البته هر دو نوع فلومتر التراسونیک با عبور امواج صوتی فرکانس بالا از درون سیال و آنالیز پالس دریافتی کار می‌کنند.

فلومتر التراسونیک اثر داپلری

فلومترهای داپلر از اثر داپلر بهره می‌برند. اثر داپلر بیان‌ می‌کند که امواج تولیدشده یا منعکس‌شده توسط یک شی متحرک، دچار شیفت فرکانسی می‌شوند. یک مثال از اثر داپلر، شیفت فرکانسی بوق ماشین‌ در حال حرکت است. هر چقدر خودرو به شنونده نزدیک‌تر شود، پیچ (pitch) صدا که تاثیر فرکانس یک صوت در ذهن انسان است، بالاتر از حالت عادی به نظر می‌رسد. زمانی که خودرو از شنونده دور می‌شود، ناگهان پیچ صدا شروع به کاهش به فرکانس پایین‌تر می‌کند. در واقع فرکانس بوق هیچ وقت تغییر نمی‌کند، بلکه سرعت ماشین در حال نزدیک شدن به شنونده نسبت به فرد ثابت، باعث فشرده شدن ارتعاشات صوتی در هوا می‌شود. زمانی که خودرو دور می‌شود، از منظر شنونده امواج صوتی کشیده می‌شوند.

زمانی که یک موج صوتی از یک شی متحرک تولید یا بازنشر شود نیز همین اتفاق رخ می‌دهد و فرکانس اکو نسبت به فرکانس ارسالی دچار تغییر می‌شود. اگر موج بازتابیده از یک حباب در حال نزدیک شدن به ترانسدیوسر التراسونیک باشد، فرکانس بازتافته نسبت به فرکانس تابش بزرگتر خواهد بود. اما اگر فلو در جهت معکوس حرکت کند و موج بازتاب شده از یک ذره یا حباب در حال دور شدن از ترانسدیوسر التراسونیک باشد، آن‌گاه فرکانس بازتافته کوچک‌تر از فرکانس تابش خواهد بود.

در یک فلومتر التراسونیک اثر داپلری، ابتدا امواج صوتی بازتاب شده از حباب‌ها یا سایر مواد و ذرات درون سیال دریافت می‌شود و سپس مقدار شیفت فرکانسی اندازه‌گیری شده و از روی آن سرعت سیال محاسبه می‌شود. بنا بر آن‌چه بیان کردیم، یکی از ملزومات فلومتر اثر داپلر این است که ذرات موجود در سیال به حد کافی بزرگ باشند تا امواج صوتی را منعکس کنند. همین نیاز، کاربرد فلومترهای التراسونیک اثر داپلری را در اندازه‌گیری فلوی مایعات محدود می‌کند. مایعات کثیف مانند دوغاب و فاضلاب و یا مایعات حاوی حباب‌های گاز مانند نوشیدنی‌های گازدار کاندیداهای مناسبی برای استفاده در این نوع فلومترها هستند.

نباید انتظار داشته باشیم که هر جریان گازی شامل قطرات مایع و یا ذرات جامد بزرگی برای بازتاب کافی امواج صوتی باشد، پس این فلومتر در اندازه‌گیری فلوی گازها نیز مورد استفاده قرار نمی‌گیرد. رابطه ریاضی بین سرعت سیال v و شیفت فرکانسی داپلر Δf برای سرعت‌های سیال بسیار کمتر از سرعت صوت در سیال (v << c) به صورت زیر است:

در رابطع فوق، Δf شیفت فرکانس داپلر، v سرعت سیال، f فرکانس موج صوتی تابیده‌شده، θ زاویه بین ترانسدیوسر و خط مرکزی لوله و c سرعت سیال در سیال مورد نظر است. بنابراین اثر داپلر می‌تواند یک اندازه‌گیری مستقیم سرعت سیال را از سیگنال اکوی دریافتی توسط ترانسدیوسر ایجاد کند. این بیان مقداری شبیه به اندازه‌گیری مستقیم فاصله از روی تاخیر زمانی است که در آن مقدار تاخیر بین زمان تابش پالس و دریافت پالس بازتابیده رابطه مستقیمی با فاصله بین منبع تابش و منبع انعکاس موج دارد. با این تفاوت که در این حالت تاخیر زمانی و در فلومتر داپلر شیفت فرکانسی به وجود آمده و اندازه‌گیری می‌شود. حالت اخیر در اندازه گیری سطح مایعات کاربرد دارد.

مقدار شیفت فرکانسی با سرعت سیال رابطه مستقیم دارد و همین امر باعث می‌شود که فلومترهای التراسونیک داپلر یک وسیله اندازه‌گیری مستقیم در نظر گرفته شوند. اگر معادله فوق را بازنویسی کنیم، می‌توان مقدار سرعت را به صورت زیر به دست آورد:

با توجه به اینکه نرخ فلوی حجمی برابر با حاصل ضرب سطح مقطع لوله در میانگین سرعت سیال در آن است، می‌توان مقدار فلوی عبوری از لوله را به صورت زیر محاسبه کرد:

نکته بسیار مهمی که در مورد اندازه‌گیری با فلومتر التراسونیک داپلر باید به آن توجه کرد این است که کالیبراسیون فلومتر متناسب با سرعت صوت در سیال (c) تغییر می‌کند. البته این نکته با توجه به وجود c در فرمول فوق کاملا واضح است. برای هر نرخ فلوی حجمی ثابت Q، با افزایش c مقدار Δf باید کاهش یابد. به این دلیل که فلومتر به گونه‌ای طراحی شده که نرخ فلو مستقیما بر حسب Δf به دست آید، هر گونه افزایش در مقدار c باعث کاهش Δf و در نتیجه کاهش Q می‌شود. بر اساس آنچه بیان شد، برای داشتن یک اندازه‌گیری دقیق و صحیح، اطلاع از مقدار دقیق سرعت صوت در سیال کاملا ضروری است. سرعت صوت درون هر سیالی تابعی از چگالی سیال و ضریب ارتجاعی حجمی (bulk modulus) آن است. ضریب ارتجاعی حجمی مقدار مقاومتی است که یک سیال در مقابل تراکم از خود نشان می‌دهد.

در رابطه فوق، B ضریب ارتجاع حجمی بر حسب پاسکال یا نیوتون بر متر مربع و ρ چگالی جرمی سیال بر حسب کیلوگرم بر متر مکعب است. دما بر چگالی سیال تاثیر می‌گذارد و ترکیب شیمیایی (composition) سیال بر ضریب ارتجاع حجمی. بنابراین دما و ترکیب شیمیایی هر دو از فاکتورهای تاثیرگذار در کالیبراسیون فلومتر التراسونیک داپلری هستند. در مورد این فلومترها، فشار مولفه تاثرگذاری در نظر گرفته نمی‌شود، زیرا فشار فقط بر چگالی گازها تاثر می‌گذارد و همان طور که از قبل بیان کردیم، فلومتر التراسونیک داپلر برای گازها مورد استفاده قرار نمی‌گیرد.

به دلیل این مشکل که برای استفاده از فلومتر التراسونیک داپلر باید ذرات و حباب‌های موجود در سیال به قدر کافی بزرگ باشند، محدودیت این فلومترها ناتوانی آن‌ها در اندازه‌گیری نرخ فلو مایعات بسیار تمیز و هموژن است. در این حالت‌ها انعکاس امواج صوتی بسیار ضعیف است و اندازه‌گیری از دقت کافی برخوردار نخواهد بود. اما محدودیت دیگر در حالتی است که ذرات جامد سرعتی نزدیک به سرعت صوت در سیال داشته باشند. زیرا انعکاس فقط زمانی رخ می‌دهد که امواج صوتی به ماده‌ای با سرعت بسیار کمتر از صوت برخورد کنند.

فلومتر التراسونیک زمان انتقالی (Transit-time)

فلومتر زمان انتقالی یا زمان جابه‌جایی که گاهی به آن فلومتر انتشار متقابل هم می‌گویند، نوع دیگری از فلومترهای التراسونیک است. این نوع فلومتر از دو سنسور برای اندازه‌گیری اختلاف زمانی بین دو سیگنال صوتی استفاده می‌کند که یکی از آن‌ سیگنال‌ها در جهت سیال و دیگری در خلاف جهت آن حرکت می‌کنند. از آنجا که حرکت سیال تمایل دارد سیگنال صوتی را نیز با خود حمل کند، در نتیجه سیگنال صوتی منتقل شده به پایین دست (downstream) سریع‌تر از سیگنال صوتی در بالا دست (upstream) جابه‌جا می‌شود. در تصویر زیر ساختار فلومتر زمان انتقالی نشان داده شده است.

نرخ فلوی حجمی درون یک فلومتر زمان انتقالی تابعی از زمان انتشار بالا دست و پایین دست و به صورت زیر است:

در رابطه فوق، Q نرخ فلوی حجمی، K ثابت تناسبی، t_up زمان حرکت پالس صوتی از پایین دست به بالا دست (در خلاف جهت فلو) و t_down زمان حرکت پالس صوتی از بالا دست به پایین دست (در جهت فلو) است. یک مشخصه جالب از اندازه‌گیری سرعت زمان انتقالی این است که با تغییر سرعت صوت در سیال، نسبت اختلاف زمان عبور به حاصل ضرب زمان عبور ثابت باقی می‌ماند. برای اثبات، کافی است در رابطه بالا به جای tup = L/(c−v) و به جای tdown = L/(c+v) قرار دهید. با ساده سازی متوجه حذف C از رابطه و رسیدن به مقدار Q = 2kv/L می‌شوید. در نتیجه فلومتر زمان انتقالی نیز مانند فلومتر داپلر خطی است، با این مزیت که نسبت به تغییرات سرعت صوت در سیال نیز ایمن است. بنابراین تغییرات در ضریب ارتجاع حجمی ناشی از تغییرات در ترکیب سیال و یا تغییر چگالی ناشی از تغییرات دما، فشار و ترکیب اثر بسیار کمی روی دقت فلومتر زمان انتقالی دارند.

فلومترهای التراسونیک زمان انتقالی نه‌ تنها در برابر تغییرات سرعت صوت در سیال ایمن هستند، بلکه قادرند سرعت صوت را مستقل از نرخ فلو اندازه بگیرند. معادله محاسبه سرعت صوت بر اساس زمان انتقال بالا دست و پایین دست به صورت زیر است:

که در این رابطه c سرعت صوت در سیال است. با اینکه محاسبه سرعت صوت در سیال به صورت مستقیم در اندازه‌گیری فلو مهم و یا لازم نیست، اما با این حال به عنوان ابزار عیب‌یابی مفید واقع می‌شود. اگر ما از پیش مقدار صحیح سرعت صوت در سیال را از طریق اندازه‌گیری آزمایشگاهی یا آنالیز شیمیایی نمونه بدانیم، می‌توانیم آن را با مقدار محاسبه شده توسط فرمول فوق مقایسه کنیم و دقت اندازه‌گیری زمان انتقالی مطلق فلومتر را کنترل کنیم. با این کار گاهی مشکلات سنسور یا قسمت‌های الکترونیکی تشخیص داده می‌شود.

به منظور عملکرد صحیح فلومتر التراسونیک زمان انتقالی، باید اطمینان حاصل شود که سیال فرایند عاری از هر گونه حباب گاز و یا ذرات جامدی است که ممکن است راه امواج صوتی را سد کنند. توجه کنید که این الزام دقیقا بر خلاف آن‌چه هست که در فلومتر داپلر بیان کردیم. در فلومتر داپلر وجود حباب و ذرات جامد برای اندازه‌گیری ضروری هستند. این اختلاف دقیقا کاربردهای فلومتر زمان انتقالی را مشخص می‌کند که می‌تواند حتی برای سنجش فلوی گازها و یا مایعات تمیز نیز مورد استفاده قرار گیرد.

یکی از مشکلات فلومترهای التراسونیک توانایی آن‌ها در اندازه‌گیری سرعت میانگین واقعی سیال هنگام تغییر پروفایل فلو متناسب با عدد رینولدز سیال است. اگر فقط یک پالس التراسونیک برای اندازه‌گیری سرعت سیال ارسال شود، در مسیری که این سیگنال طی می‌کند با تغییر نرخ فلو (و متعاقبا عدد رینولدز)، سرعت‌های متفاوتی را تجربه خواهد کرد. در تصویر زیر تفاوت بین پروفایل‌های سرعت سیال برای عدد رینولدز پایین (تصویر سمت چپ) و عدد رینولدز بالا (تصویر راست) نشان داده شده است.

یک روش برای حل این مشکل، استفاده از چند جفت سنسور و ارسال سیگنال‌های آکوستیک در چند مسیر مختلف و در نهایت میانگین‌گیری از سرعت‌های اندازه‌گیری شده است. به این فلومتر، فلومتر التراسونیک چندمسیره (multipath) می‌گویند. فلومترهای زمان انتقالی دو سیگنالی (Dual-beam) و حتی پنج سیگنالی با دقت ۰/۱۵٪ ± نیز در صنعت وجود دارند.

فلومتر التراسونیک ۴ کاناله

در تصویر زیر مثالی از ساختار یک فلومتر التراسونیک چهار کاناله نشان داده شده است.

فلومتر التراسونیک چندمسیره یا چندکاناله، بیش از یک مسیر صوتی را درون سیال اندازه‌گیری می‌کند و توانایی تشخیص ناهنجاری در پروفایل فلو را نیز دارد. هر مسیر صوتی بین جفت سنسورها در یک فلومتر زمان انتقالی را قوس (chord) می‌گویند. سرعت‌های اندازه‌گیری شده برای هر قوس، با سرعت فلوی میانگین محاسبه‌شده برای فلومتر مقایسه شده و بر حسب نرخ‌های سرعت بیان می‌شوند. اگر یک قوس خاص سرعتی بیشتر از سرعت فلوی میانگین فلومتر را اندازه‌گیری کند، دارای نرخ سرعت بزرگتر از یک و اگر کمتر از سرعت میانگین باشد، دارای نرخ سرعت کمتر از یک خواهد بود.

در فلومتر چهار کاناله تصویر فوق، دو قوس B و C سرعت را در نزدیکی مرکز لوله و دو قوس A و D سرعت را در نزدیکی دیواره‌های لوله اندازه می‌گیرند. در فرایندهای عادی، نرخ سرعت قوس‌های مرکزی باید مقداری بیشتر از سرعت قوس‌های بیرونی باشد. پارامتر دیگر در فلومترهای چندکاناله، فاکتور پروفایل نام دارد که فاکتورهای سرعت قوس را به صورت نسبت فاکتورهای سرعت درونی بر فاکتورهای سرعت بیرونی ((B+C)/(A+D)) بیان می‌کند. این عدد باید همواره بزرگتر از یک باشد. مقدار دقیق این فاکتور پروفایل با نصب فلومتر تغییر می‌کند و اگر بنا به دلایلی (مانند انسداد فلو کاندیشنر، تغییرات لوله و تجمع رسوبات روی دیواره لوله) با گذر زمان پروفایل فلو تغییر کند، فاکتور پروفایل نیز شیفت می‌یابد.

به عنوان مثال، یک لوله با تجمع رسوبات روی دیواره، باعث کاهش سرعت سیال در نزدیکی دیواره‌ها نسبت به سرعت در مرکز لوله می‌شود. در نتیجه نرخ سرعت قوس‌های A و D کاهش و نرخ سرعت قوس‌های B و C افزایش می‌یابد، پس مقدار فاکتور پروفایل نیز افزایش می‌یابد. به همین دلیل فاکتور پروفایل فلومتر می‌تواند یک ابزار برای عیب‌یابی سیستم باشد و ناهنجاری‌های داخل لوله را آشکار کند.

سایر ملاحظات

برخی از فلومترهای التراسونیک مدرن می‌توانند مطابق با سیال تحت سنجش، به صورت اتوماتیک بین نوع اثر داپلر و زمان انتقالی سوییچ کنند. این حالت، گستره کاربردهای فلومتر التراسونیک را بسیار وسیع‌تر می‌کند. چرخابه (swirl) و سایر اغتشاشات بزرگ در سیال، اثرات مضری روی فلومترهای التراسونیک می‌گذارند. به همین دلیل باید مقدار قابل توجهی لوله مستقیم در بالا دست و پایین دست فلومتر به منظور تثبیت پروفایل فلو نصب گردد.

مانند فلومترهای مغناطیسی، فلومترهای التراسونیک هم کاملا غیر انسدادی هستند و منجر به افت فشار دائم بسیار ناچیز و عدم تجمع رسوبات می‌شوند. به دلیل پیشرفت‌های بسیار در تکنولوژی ساخت، از فلومترهای التراسونیک حتی برای اندازه‌گیری custody transfer گاز طبیعی نیز مورد استفاده قرار می‌گیرند. در برخی کاربردها، به منظور اندازه‌گیری دقیق فلوی گاز، علاوه بر حجم، نیاز به اندازه‌گیری مقادیر مولکولی است و به همین دلیل سنجش‌های دما و فشار نیز مورد نیاز است. با کمک این مقادیر می‌توان خروجی حجمی فلومتر التراسونیک را به فلوی جرمی یا فلوی حجمی استاندارد تبدیل کرد.

یک مزیت یکتای فلومترهای التراسونیک، توانایی آن‌ها در اندازه‌گیری فلو از طریق سنسورهای موقت کلمپی به جای تیوب فلو مخصوص با ترانسدیوسر التراسونیک است. اگرچه سنسورهای کلمپی نیز بدون مشکل و دردسر نیستند، اما در بسیاری از کاربردها راه حل بسیار خوبی برای اندازه‌گیری فلو به شمار می‌آید. یک معیار مهم برای کارکرد موفق فلومتر کلمپی این است که ذات لوله دارای مواد یکنواخت باشد تا سیگنال صوتی را به صورت موثر بین سیال فرایند و ترانسدیوسر کلمپی هدایت کند. بنابراین لوله‌های خاک رس و سیمانی برای استفاده در سنجش فلو التراسونیک کلمپی مناسب نیستند.

اگر این مطلب برای شما مفید بود، شاید به مطالب زیر نیز علاقه‌مند باشید:

فلومتر کوریولیس ــ از صفر تا صد

فلومتر الکترومغناطیسی ــ از صفر تا صد

کنداکتیویتی‌متر ــ به زبان ساده

سنسور دمای غیرتماسی ــ از صفر تا صد

پریسماتک اولین تولیدکننده رفرکتومتر، فلومتر و کنداکتیویتی‌مترهای صنعتی در انواع مختلف است. برای راهنمایی در انتخاب این ابزارها با شماره‌های شرکت تماس بگیرید.

محصولات پریسماتک:

انواع رفرکتومترهای دیجیتال

انواع فلومترهای الکترومغناطیسی

انواع کنداکتیویتی مترها

منبع