چگونه با فلومتر التراسونیک فلو عبوری سیال های چند فازی را میتوان اندازه گیری کرد؟

بررسی و مقایسه مکانیزم های مختلف فلومتر های آلتراسونیک (Transient time – Doppler effect)

استفاده از امواج آلتراسونیک به عنوان یک مکانیزم غیر تماسی در اندازه گیری کمیت های فیزیکی (سطح و جریان) در صنعت امری متداول است.

فلومترهای آلتراسونیک بسته به شرایط مورد نظر، به دو صورت In-line و Clamp –on مورد استقاده قرار می گیرند.

فلومتر آلتراسونیک از امواج فرا صوت Frequency over 20 kHz) ) جهت اندازه گیری دبی سیال استقاده می نمایند که در حالت کلی از دو مکانیزم پیروی می کند.

فلومتر های آلتراسونیک زمان عبوری (Transient time)

در فلومتر آلتراسونیک زمان عبوری دو مبدل  (Transducer) که یکی از آنها در پایین لوله (مبدل A) و دیگری در بالای لوله (مبدل B) نصب می شود، به طور همزمان یک موج صوتی را منتشر می نمایند.

محل و زاویه نصب مبدل ها بصورتی است که موج صوتی انتشاری از A  به B هم جهت با جریان سیال و موج صوتی از مبدل B  به A در خلاف جهت جریان سیال می باشد.

مدت زمان عبور موج صوتی توسط واحد پردازش سیگنال فلومتر (SPU) اندازه گیری می شود.

در این حالت بدیهی مدت زمان انتفال موج صوتی از مبدل A  به B کمتر از مدت زمان انتفال موج صوتی از مبدل B به A باشد (به دلیل انتشار در جهت و خلاف جهت جربان سیال) و هر چقدر سرعت عبوری سیال بالاتر باشد این اختلاف زمانی بیشتر خواهد بود.

اگر مدت زمان عبور موج صوتی از A به B را T _AB و مدت زمان عبور موج صوتی از B  به A را T _BA  در نظر گیریم آنگاه  اختلاف این دو زمان را میتوان با اعمال ضریبی با سرعت سیال (Velocity) معادل نمود و با مشخص بودن سطح مقطع پایپ (Area) به فلوحجمی رسید.

مقدار ضریب K که تفاوت مدت زمان ها را به دبی عبوری معادل می کند، بسته به جنس لوله ، ضخامت آن ، وجودCoating  داخلی یا خارجی ،  فاصله مبدل ها از هم و … متغیر است که باید در مرحله کالیبره فلومتر مد نظر قرار گیرد.

استفاده از این فلومتر های  Transient timeبرای سیال هایی که همگن نبوده و دارای ذرات معلق هستند توصیه نمی گردد و می بایست از نوع Doppler استفاده نمود

فلومتر های آلتراسونیک داپلر (Doppler Effect)

از آنجایی که طبق اثر داپلر فرکانس موج صوتی در پس و پیش یک جسم متحرک متفاوت است، از این خاصیت به منظور اندازه گیری دبی سیال عبوری در خط استفاده می شود.

اساس کار فلومتر های داپلر یه این صورت است که موج صوتی با فرکانس 500 کیلو هرتز از مبدل A  به B ارسال و در انتها (نقطه B) اندازه گیری می گردد.

اختلاف فرکانس صوتی ارسالی و دریافتی یا به عبارتی میزان تغییر فرکانس در ازای عبور از سیال، بسته به سرعت سیال متغیر بوده و با اعمال ضریبی با فلو عبوری معادل می گردد.

در فلومتر های آلتراسونیک تاپب داپلر میتوان هر دو مبدل A و B در یک کلمپ تعبیه کرد و میزان تغییر فرکانس را پس از انعکاس در اثر برخورد با دیواره لوله محاسبه نمود.

 مهمترین مزیت تایپDoppler  نسبت به Transient time امکان استفاده برای سیال های آلوده ، فاضلاب و حاوی ذرات معلق می باشد.

ΔF میزان تغییر فرکانس در اثر عبور ار سیال

C_t سرعت صوت در آن سیال

F₀   فرکانس اولیه موج صوتی که از آن منتشر می شود

Θ زاوبه راستای موج صوتی با سطح افق

مزایای فلومتر های آلتراسونیک (Transient time & Doppler)

به دلیل عدم وجود هیج قطعه ای در مسیر عبور سیال ، هیچگونه اختلاف فشاری در محل نصب فلومتر ایجاد نخواهند شد.

امکان اندازه گیری در دو حالت In-line و Portable

دقت بالا تا %0.2 فلوی مورد اندازه گیری

غیر تماسی (مناسب برای سیال های خوراکی و سیال های خورنده)

اندازه گیری مستقل از میزان دما ، فشار ، چگالی و ویسکوزیته سیال

هزینه تعمیر نگهداری پایین به دلیل عدم وجود قطعات محترک در مکانیزم

معایب فلومتر های آلتراسونیک (Transient time & Doppler)

نویز های صوتی محیطی می تواند باعث ایجاد خطا گردد. (نباید در نزدیکی کنترل ولو و پمپ نصب گردد)

در دماهای بسیار بالا (بالای 200 درجه سانتی گراد) امکان استفاده ندارند.

هزینه نسبتا بالا

از آنجایی که برای اندازه گیری دبی سیال هایی نظیر:

فاضلاب ، دوغاب (سیمان، ماسه، شن و ..) ، لجن ، مایعات شیمیایی پارتیکل دار ،مواد غذایی حاوی ذرات ریز و کلیه مایعات ناهمگن و چند فازی ، امکان استفاده ازفلومتر های توربینی ، ورتکس، جابجایی مثبت، اوریفیس پلیت، (به دلیل وجود مکانیزم در محل عبور سیال و امکان انسداد) و  همچنین فلومتر جرمی (هزینه بسیار بالا – محدودیت سایز)  وجود ندارد، تنها میتوان از فلومتر های مغناطیسی و آلتراسونیک تایپ داپلر استفاده نمود.

ذکر این نکته ضروری در مواقعی که سیال دارای حداقل رسانایd  microS/cm 5 ( 5 میکرو زیمنس بر سانتی متر) نباشد.امکان استفاده از فلومتر های مغناطیسی نیز وجود نداشته و بهینه ترین گزینه فلومتر آلتراسونیک تایپ داپلر خواهد بود.