جریان سنج های التراسونیک “کلمپ” به دلیل توانایی اندازه گیری دقیق جریان حجمی سیال درون لوله از بیرون و بدون نیاز به قطع سیستم، در صنایع مختلفی از جمله آب، غذا، شیمی، فرآیند و تأسیسات ساختمان، کاربرد گستردهای پیدا کرده اند.
این نوع جریان سنج ها برای کاربردهایی که توقف سیستم امکان پذیر نیست، ایده آل هستند زیرا به صورت غیرتهاجمی کار کرده و به راحتی بر روی قسمت خارجی لوله نصب میشوند و با سیال داخلی تماس ندارند.
فلومتر اولتراسونیک نوعی جریان سنج است که سرعت مایعات را اندازه گیری می کند.(دبی سنج آلتراسونیک)
درباره جریان سنج های التراسونیک “کلمپ” برای سیالات
پیشرفت های اخیر در فناوری اندازه گیری و پردازش جریان گاز با روش “کلمپ” باعث شده است که علیرغم سطوح پایین تر امپدانس آکوستیک و سطوح بالاتر اتلاف در اکثر گازها، این نوع جریان سنج بتواند زمان عبور امواج را در گازهایی که نسبت سیگنال به نویز بسیار کم است اندازه گیری کند. در حال حاضر امکان اندازه گیری جریان گاز طبیعی، بخار، هوای فشرده، هیدروژن و موارد دیگر با استفاده از جریان سنج های “کلمپ” وجود دارد.
نحوه عملکرد جریان سنج های التراسونیک (زمان پرواز)
این نوع جریان سنجها مدت زمانی را اندازه گیری میکنند که طول میکشد تا یک سیگنال فراصوت از یک سنسور ارسال شود، از لوله عبور کند و توسط سنسور دوم دریافت شود.
نحوه عملکرد جریان سنج های التراسونیک (زمان پرواز)
شکل 2: چیدمان سنسورهای معمول جریان سنج التراسونیک “کلمپ” برای نوع زمان پرواز
جریان سنج های زمان عبور یا زمان پرواز از دو ترانسدیوسر استفاده میکنند که به عنوان هر دو فرستنده و گیرنده امواج فراصوت عمل میکنند. این جریان سنجها با ارسال و دریافت متناوب بستههای انرژی صوتی با مدولاسیون فرکانس بین دو ترانسدیوسر کار میکنند. این بسته ابتدا در جهت جریان سیال و سپس خلاف جهت جریان سیال فرستاده میشود. از آنجا که انرژی صوتی در یک سیال در حال حرکت، هنگامی که در جهت جریان سیال (پاییندست) حرکت میکند نسبت به زمانی که خلاف جهت جریان سیال (بالادست) حرکت میکند سریعتر منتقل میشود، اختلاف زمانی در زمانهای پرواز رخ خواهد داد.
زمان پرواز صدا در هر دو جهت به طور دقیق اندازه گیری میشود و اختلاف زمان پرواز محاسبه میگردد. سرعت سیال (V) داخل لوله را میتوان با استفاده از معادله زیر به اختلاف زمان پرواز (dt) مرتبط کرد: V = K * D * dt، که در آن K یک ثابت و D فاصله بین ترانسدیوسرها است.
مزایا (اصل زمان پرواز)
- قابلیت اندازه گیری طیف وسیعی از سیالات غیر هوا دار و تمیز (همچنین مدلهای سازگار با گاز موجود است)
- جریان سنج های التراسونیک “کلمپ” میتوانند برای اندازه گیری جریان حجمی انواع سیالات، از جمله آب بدون املاح، فاضلاب، بخار، گاز شهری، سیالات با ویسکوزیته بالا، سیالات خورنده، سیالات ساینده، نوشیدنیها، آب خنککننده، هوای فشرده و غیره مورد استفاده قرار گیرند.
- برخی از مدلها برای اندازه گیری جریان گازهایی مانند گاز طبیعی، بخار، هوای فشرده و هیدروژن نیز کاربرد دارند.
- توانایی اندازه گیری سیالات حاوی مقدار کمی ذرات معلق یا حباب های هوا (به عنوان مثال، آب سطحی، فاضلاب)
- این نوع جریان سنجها میتوانند برای اندازه گیری جریان سیالاتی که دارای ذرات معلق یا حباب های هوا تا حد کم یا متوسط هستند، مانند آبهای سطحی، فاضلاب، و لجنها مورد استفاده قرار گیرند.
- اندازه گیری تقریباً هر سیالی که از نظر صوتی رسانا باشد
- جریان سنج های التراسونیک “کلمپ” قادر به اندازه گیری تقریباً هر سیالی هستند که امواج فراصوت را هدایت کند.
- اندازه گیری جریان دوطرفه
- جریان سنج های التراسونیک “کلمپ” قادر به اندازه گیری جریان در هر دو جهت (رفت و برگشت) هستند.
- مناسب برای فشار بالا
- از آنجایی که سنسورها از بیرون به لوله متصل میشوند، فشار بالا در لوله مشکلی برای این نوع جریان سنج ایجاد نمیکند.
- اندازه گیری غیرتهاجمی انرژی حرارتی
- برخی از مدلها امکان اندازه گیری غیرتهاجمی انرژی حرارتی (بر حسب BTU یا کیلووات ساعت) را فراهم میکنند.
- سازگاری با انواع سیالات
- از آنجایی که سنسورها از بیرون به لوله متصل میشوند، جنس سیال درون لوله مشکلی برای این جریان سنج ایجاد نمیکند.
- مناسب برای دماهای بالا (بستگی به ترانسدیوسر دارد)
- برخی از مدلها با توجه به نوع ترانسدیوسر آنها، برای اندازه گیری در دماهای بالا نیز مناسب هستند.
- افت فشار ناچیز
- از آنجایی که سنسورها از بیرون به لوله متصل میشوند، افت فشار در لوله برای این نوع جریان سنج اهمیتی ندارد.
- تأییدیه MID
- در حال حاضر برخی از مدلهای جریان سنج های التراسونیک “کلمپ” دارای تأییدیه MID (بخشنامه ابزارهای اندازه گیری اتحادیه اروپا) هستند.
- مناسب برای مناطق خطرناک
- این نوع جریان سنجها به دلیل ماهیت غیرتهاجمی بودن، برای استفاده در مناطق خطرناک نیز مناسب هستند.
- بهداشتی
- از آنجایی که سنسورها از بیرون به لوله متصل میشوند، این نوع جریان سنج ماهیت بهداشتی داشته و آلودگی ایجاد نمیکند.
- هزینه مالکیت پایین و بدون نیاز به توقف سیستم در هنگام نصب و نگهداری
- جریان سنج های التراسونیک “کلمپ” هزینه مالکیت پایینی دارند و نصب و نگهداری آنها بدون نیاز به توقف سیستم انجام میشود.
- نصب آسان
- نصب این نوع جریان سنجها آسان بوده و نیاز به تخصص ندارد. همچنین امکان جابهجایی آنها در نقاط مختلف کارخانه وجود دارد.
- طراحی اثباتشده و روند بهبود مستمر
- جریان سنج های التراسونیک “کلمپ” دارای طراحی اثباتشدهای هستند که به طور مستمر در حال بهبود و ارزانتر شدن میباشند.
- تنوع خروجی برای اتصال به ثبتکنندههای داده، نمایشگرها و سیستمهای از راه دور
- جریان سنج های التراسونیک “کلمپ” خروجیهای متنوعی دارند که امکان اتصال آنها به ثبتکنندههای داده، نمایشگرها و سیستمهای از راه دور را فراهم میسازند.
- صفحهنمایش LCD یکپارچه یا از راه دور و مدلهای قابل حمل با باتری
- برخی از مدلهای جریان سنج های التراسونیک “کلمپ” دارای صفحهنمایش
معایب (اصل زمان پرواز)
- عدم تحمل جریانهای ضربانی
- جریانهای ضربانی (غیر یکنواخت) بر کیفیت سیگنال و قرائتهای جریان سنج تأثیر منفی میگذارند.
- وابستگی به پروفیل جریان میانگین
- عملکرد صحیح جریان سنج های التراسونیک “کلمپ” به عبور از پروفیل جریان میانگین در لوله بستگی دارد. بنابراین، برای بهبود عملکرد این نوع جریان سنجها نیاز به تجهیزاتی برای ایجاد جریان یکنواخت، مانند طول مستقیم لوله یا دیفیوزرها، وجود دارد.
- عدم کارایی برای سیالات حاوی هوای مخلوط
- جریان سنج های التراسونیک “کلمپ” برای سیالات حاوی هوای مخلوط شده مناسب نیستند، زیرا هوای مخلوط در سیال منجر به قرائتهای اشتباه میشود. البته برخی مدلها نسبت به این مشکل تحمل بیشتری دارند.
- عدم کارایی برای سیالات حاوی ذرات معلق (ذرات جامد)
- جریان سنج های التراسونیک “کلمپ” برای سیالات حاوی ذرات معلق (ذرات جامد) نیز مناسب نیستند. البته برخی مدلها نسبت به این مشکل تحمل بیشتری دارند.
- محدودیت سایز لوله و سرعت جریان
- این نوع جریان سنجها برای لولههای با قطر بسیار کم و کاربردهایی با سرعت جریان پایین (کمتر از 2 فوت بر ثانیه) همیشه مناسب نیستند. قابلیت عملکرد این نوع جریان سنجها در این شرایط بستگی به مدل آنها دارد.
- مشکل رسوب، خوردگی و پوشش در لولههای قدیمی
- رسوب، خوردگی و پوششهایی که ممکن است در طول زمان در لولههای قدیمی ایجاد شوند، میتوانند عملکرد جریان سنج های التراسونیک “کلمپ” را با مشکل مواجه کنند.
- محدودیت جریان پر لوله
- برای عملکرد صحیح جریان سنج های التراسونیک “کلمپ” جریان سیال باید کل لوله را پر کند.
کاربردهای معمول جریان سنج های التراسونیک “کلمپ”
جریان سنج های التراسونیک “کلمپ” قادر به اندازه گیری جریان طیف وسیعی از سیالات و گازها هستند، از جمله:
- آب فوق خالص
- فاضلاب و آبهای پسماند
- بخار
- گاز شهری
- سیالات با ویسکوزیته بالا
- سیالات خورنده
- سیالات ساینده
- نوشیدنیها
- آب خنککننده
- هوای فشرده
- پایش جریان در صنایع غذایی و بهداشتی
- بازرسی کنتورهای نصبشده ثابت
نحوه عملکرد جریان سنج های التراسونیک (اثر داپلر)
جریان سنج های التراسونیک اثر داپلر، برای اندازه گیری جریان سیالاتی طراحی شدهاند که حاوی بازتاب دهنده های صوتی مانند ذرات معلق یا حباب های هوا باشند.
اصل داپلر بیان میکند که فرکانس موجی که از یک منبع در حال حرکت ساطع میشود، نسبت به ناظری که در حال حرکت (نسبت به منبع) است، تغییر میکند. این تغییر فرکانس به سرعت منبع و جهت حرکت آن (به سمت یا دور از ناظر) بستگی دارد.
جریان سنج های التراسونیک اثر داپلر از یک ترانسدیوسر استفاده میکنند که یک پرتو فراصوت را با زاویهای خاص به درون جریان مایع ارسال میکند. هنگامی که امواج فراصوت به ذرات معلق یا حباب های هوا در مایع برخورد میکنند، فرکانس امواج به دلیل اثر داپلر تغییر میکند.
این جریان سنجها، امواج صوتی بازتابشده را با یک گیرنده دریافت میکنند و سپس تغییر فرکانس را اندازه گیری میکنند. میزان تغییر فرکانس با سرعت جریان مایع متناسب است.
مراحل کار جریان سنج های التراسونیک اثر داپلر به شرح زیر است:
- انتقال سیگنال: ترانسدیوسر یک پالس فراصوت با فرکانس مشخص را به صورت مورب به درون جریان مایع منتشر میکند.
- بازتاب امواج: امواج فراصوت در حین حرکت در مایع به ذرات معلق یا حباب های هوا برخورد کرده و از آنها بازتاب پیدا میکنند.
- اثر داپلر: به دلیل حرکت ذرات معلق یا حباب های هوا در جهت جریان مایع، فرکانس امواج بازتابی نسبت به فرکانس امواج ارسالشده تغییر میکند.
- دریافت سیگنال: گیرنده جریان سنج، امواج بازتابیافته را دریافت میکند.
- محاسبه جریان: جریان سنج با اندازه گیری تغییر فرکانس امواج بازتابی و استفاده از معادلات مربوطه، سرعت جریان مایع را محاسبه میکند.
نکات مهم در مورد جریان سنج های التراسونیک اثر داپلر:
- این نوع جریان سنجها برای سیالاتی که حاوی ذرات معلق یا حباب های هوا هستند، مناسب میباشند.
- دقت جریان سنج های التراسونیک اثر داپلر به توزیع یکنواخت ذرات معلق یا حباب های هوا در سیال بستگی دارد.
- برای برخی از سیالات با غلظت کم ذرات معلق، ممکن است لازم باشد از مدلهای جریان سنج با حساسیت بالاتر استفاده شود.
شکل 1: جریان سنج التراسونیک اثر داپلر (دو ترانسدیوسر)
شکل 2: جریان سنج التراسونیک اثر داپلر (یک ترانسدیوسر)
هر جریانسنج اثر داپلر از دو کریستال پیزوالکتریک استفاده میکند که میتوانند درون دو هد ترانسدیوسر جداگانه (شکل 1) یا یک هد ترانسدیوسر واحد (شکل 2) قرار داشته باشند. صوت از یکی از کریستالها ارسال میشود، توسط بازتابدهندههای صوتی مناسب که در مایع معلق هستند، منعکس شده و توسط گیرنده ثبت میشود. اگر بازتابدهندهها در مسیر انتقال صوت در حال حرکت باشند، امواج صوتی با فرکانسی متفاوت از فرکانس ارسالشده (شیفت داپلر) منعکس خواهند شد.
اختلاف بین فرکانسهای منعکسشده و فرکانسهای ارسالشده، مستقیم با سرعت حرکت بازتابدهندههای صوتی متناسب است و در نتیجه منجر به اندازهگیری سرعت جریان مایع میشود که سپس به واحدهای اندازهگیری مختلف تعریفشده توسط کاربر تبدیل میگردد.
مزایا (اصل داپلر)
- قابلیت اندازه گیری طیف وسیعی از سیالات حاوی هوا و ذرات معلق
- برخلاف جریان سنج های التراسونیک زمان پرواز، مدلهای اثر داپلر برای اندازه گیری جریان سیالاتی که حاوی هوا یا ذرات معلق هستند، بسیار مناسب میباشند. این قابلیت باعث میشود تا از این نوع جریان سنجها در کاربردهای متنوعی از جمله اندازه گیری جریان فاضلاب، لجن، و سایر سیالات با ذرات معلق استفاده شود.
- مناسب برای فشار بالا
- از آنجایی که سنسورها از بیرون به لوله متصل میشوند، فشار بالا در لوله مشکلی برای این نوع جریان سنج ایجاد نمیکند.
- سازگاری با انواع سیالات
- از آنجایی که سنسورها از بیرون به لوله متصل میشوند، جنس سیال درون لوله مشکلی برای این نوع جریان سنج ایجاد نمیکند.
- مناسب برای دماهای بالا (بستگی به ترانسدیوسر دارد)
- برخی از مدلها با توجه به نوع ترانسدیوسر آنها، برای اندازه گیری در دماهای بالا نیز مناسب هستند.
- افت فشار ناچیز
- از آنجایی که سنسورها از بیرون به لوله متصل میشوند، افت فشار در لوله برای این نوع جریان سنج اهمیتی ندارد.
- بهداشتی
- از آنجایی که سنسورها از بیرون به لوله متصل میشوند، این نوع جریان سنج ماهیت بهداشتی داشته و آلودگی ایجاد نمیکند.
- هزینه مالکیت پایین و بدون نیاز به توقف سیستم در هنگام نصب و نگهداری
- جریان سنج های التراسونیک اثر داپلر هزینه مالکیت پایینی دارند و نصب و نگهداری آنها بدون نیاز به توقف سیستم انجام میشود.
- نصب آسان
- نصب این نوع جریان سنجها آسان بوده و نیاز به تخصص ندارد. همچنین امکان جابهجایی آنها در نقاط مختلف کارخانه وجود دارد.
- صفحهنمایش LCD یکپارچه یا از راه دور و مدلهای قابل حمل با باتری
- برخی از مدلهای جریان سنج های التراسونیک اثر داپلر دارای صفحهنمایش LCD یکپارچه یا از راه دور و همچنین مدلهای قابل حمل با باتری هستند.
معایب (اصل داپلر)
- عدم کارایی برای سیالات تمیز بدون ذرات معلق یا حباب
- برخلاف جریان سنج های التراسونیک زمان پرواز، مدلهای اثر داپلر برای اندازه گیری جریان سیالات تمیز و بدون ذرات معلق یا حباب مناسب نیستند. در این نوع سیالات، امواج صوتی بازتاب دهنده های مناسبی برای اندازه گیری جریان ندارند.
- وابستگی به پروفیل جریان میانگین
- عملکرد صحیح جریان سنج های التراسونیک اثر داپلر به عبور از پروفیل جریان میانگین در لوله بستگی دارد. بنابراین، برای بهبود عملکرد این نوع جریان سنجها نیاز به تجهیزاتی برای ایجاد جریان یکنواخت، مانند طول مستقیم لوله قبل و بعد از محل نصب جریان سنج، وجود دارد.
- محدودیت سایز لوله و سرعت جریان
- این نوع جریان سنجها برای لولههای با قطر بسیار کم و کاربردهایی با سرعت جریان پایین همیشه مناسب نیستند. قابلیت عملکرد این نوع جریان سنجها در این شرایط بستگی به مدل آنها دارد.
- تأثیر تغییرات سرعت صوت
- اندازه گیریهای جریان سنج های التراسونیک اثر داپلر تحت تأثیر تغییرات سرعت صوت در سیال ناشی از دما، چگالی و غلظت قرار میگیرند. بنابراین برای دستیابی به دقت بالاتر، ممکن است نیاز به جبرانسازی این اثرات باشد.
- مشکل رسوب، خوردگی و پوشش در لولههای قدیمی
- رسوب، خوردگی و پوششهایی که ممکن است در طول زمان در لولههای قدیمی ایجاد شوند، میتوانند عملکرد جریان سنج های التراسونیک اثر داپلر را با مشکل مواجه کنند.
- محدودیت جریان پر لوله
- برای عملکرد صحیح جریان سنج های التراسونیک اثر داپلر جریان سیال باید کل لوله را پر کند. همچنین برای اندازه گیری دقیق، سرعت جریان سیال باید از حداقل مقدار مشخصی بالاتر باشد.
کاربردهای معمول جریان سنج های التراسونیک اثر داپلر
جریان سنج های التراسونیک اثر داپلر قادر به اندازه گیری جریان طیف وسیعی از سیالات، از جمله:
- فاضلاب و آبهای پسماند
- لجنها
- سیالات خورنده
- سیالات ساینده حاوی ذرات معلق
- آب آبیاری
