آنچه درباره فلومترهای(دبی سنج های) التراسونیک مایعات باید بدانیم!

دبی سنج آلترسونیک چیست؟ کاربرد و انواع آن

امروزه، ما برای نوشیدن، پخت و پز، شستن، و سایر نیازهای خانگی به آب وابسته هستیم، اما ممکن است اکثر ما ندانیم که چگونه آب از مخزن به خانه های ما منتقل می شود. تامین آب لوله کشی شامل 3 مرحله کلیدی است: جمع آوری آب خام، تصفیه و توزیع آب، و سیستم خط لوله، توزیع آب نقش حیاتی را در کل فرآیند ایفا می کند. سیستم خط لوله بسیار پیچیده است، ما باید همیشه سرعت جریان، حجم جریان، فشار و دمای مایع داخل لوله را کنترل کنیم تا اطمینان حاصل شود که آب تمیز به ساختمان‌های مختلف منتقل می‌شود.

در این مقاله سعی بر آن است تا قبل از خرید محصول با نحوه عملکرد و انواع فلومتر های آلتراسونیک آشنا شده  و در ادامه کاربرد و مزایا و معایب آن ها ذکر شده است.

دانشمندان معتقدند که علاوه بر اندازه گیری دما، اندازه گیری جریان سیال به عنوان یکی از مهم ترین مشخصه های اندازه گیری در صنعت است.

Shiego Satomura یک دانشمند ژاپنی در سال 1959 میلادی اولین دبی سنج فلومتر آلتراسونیک را برای اندازه گیری جریان خون با استفاده از فناوری داپلر اختراع کرد. 4 سال بعد در سال 1963  اولین فلومتر آلتراسونیک برای استفاده در صنعت ساخته شد.

در طی 20 سال آینده، تا سال1990 انواع دبی سنج ها مبتنی بر روش گیره دار و بیشتر آن ها بر اساس روش داپلر بوده است. اغلب به اشتباه  از روش داپلر برای مایعات تمیز استفاده میکردند که سبب شد کاربران کمتر از آن ها استفاده کنند.

از سال 1990 نقطه عطفی برای توسعه فناوری آلتراسونیک بوده است. انجمن ها و سازمان های متفاوتی در سال های گوناگن استاندارهای اندازه گیری برای اغلب سیال ها اعمال کرده اند. این تاییده های نگه داری و انتقال اندازه گیری راه را برای استفاده از فلومتر های آلتراسونیک هموار کرده اند.

در سال‌های اخیر، سنسورهای نظارتی و تجهیزات تله‌متری بیشتر و بیشتر در سیستم آبرسانی به کار می‌روند تا به هدف صرفه‌جویی در مصرف آب و استفاده بهینه از منابع آب دست یابد، در این زمینه، برند PFlow از شرکت جنتوس تولید انواع گوناگونی از فلومترهای آلتراسونیک را برعهده دارد. مگاتجهیز نمایندگی رسمی Pflow در ایران برای تأمین و توزیع دبی سنج های التراسونیک با کیفیت ارزان قیمت در ایران است.

فلومتر آلتراسونیک چیست ؟

وسیله ای برای اندازه گیری سرعت  و تجزیه و تحلیل حجم جریان مایع است. با استفاده از امواج فراصوت سرعت سیال را اندازه میگیرد. علاوه بر ویسکوزیته، چگالی و دما، این نوع فلومتر ها بر خواص صوتی مایعات نیز تأثیر می گذارند.جریان مایع باید حاوی ذرات ریز یا جباب باشد تا این فلومتر حجمی کار کند. این دبی سنجی برای فاضلاب ها نسبت به آب آشامیدنی مناسب تر هستند. در نتیجه این نوع فلومتر برای کاربرد هایی که سازگاری شیمیایی، نگه داری و افت فشار کمتری دارند ایده آل است. این تجهیز نسبت به دبی سنج های مکانیکی  ارزان تر است چون از قطعات متحرک استفاده نمی­کنند.

نحوه عملکرد فلومتر آلتراسونیک:

اساس کار فلومتر آلتراسونیک مبتنی بر فرکانس است. امواج فلومتر آلتراسونیک بالا­تر از فرکانس شنوایی انسان در نظر گرفته شده است ( بیش تر از 30 کیلو هرتز). فرکانس ارسال شده از سنسور های پیزو الکترونیک توسط گیرنده دریافت می­شود و این فرکانس دائما در حال بررسی می­باشد. امواج تولیدی به دلیل اینکه نیاز به محیط مادی دارند در دسته امواج مکانیکی قرار می­گیرند. با استفاده از تغییرات جریان سیال در لوله میتوان تغییرات سرعت را به وسیله فلومتر آلتراسونیک اندازه گیری کرد.

تکنیک های مختلفی برای اندازه گیری جریان به کار میرود که میتوان به پاره از متداول ترین آن ها در زیر اشاره کرد:

• اندازه گیری جریان به روش جابجائی مثبت ( Positive Displacement )
• اندازه گیری جریان به روش اوریفیس پلیت ( Orifice Plate )
• اندازه گیری جریان به روش توربین ( Turbine)
• اندازه گیری جریان به روتامتری(variable area)
• اندازه گیری جریان به آلتراسونیک با پدیده داپلر ( Ultrasonic: Doppler )
• اندازه گیری جریانبه آلتراسونیک با روش زمان انتقال و Transit Time, Time of Travel, Time of Flight
• اندازه گیری جریان به ونتوری Orifice Plate
• اندازه گیری جریان به مغناطیسی ( Magnetic )
• اندازه گیری جریان به ورتکس ( Vortex Shedder )
• اندازه گیری جریان به روتامتر ( variable area )

در ادامه به بررسی و نحوه عملکرد  فلومتر های آلتراسونیک از نوع زمان انتقال، اثر داپلر و ترانزیت زمانی مدل  V پرداخته می­شود.

انواع روش های اندازه گیری فلومتر آلتراسونیک

Transit time:

ترانزیت زمانی را همانند ماهی در نظر میگیرند که اگر از وسط رودخانه عبور کند، امواج مافوق صوتی را ارسال و دریافت می­کند. این روش برای اندازگیری دبی جریانات تمیز عاری از هر گونه حباب و ذره جامد همانند بخار یا آب استفاده می­شود. شکل زیر نشان میدهد که زمان رسیدن امواج صوتی مسیر یک نسبت به مسیر دوم بیش تر است. سنسور ها در رو به رو هم به صورت گیره ایی (Clamp on)  یعنی با استفاده از بست به لوله نصب میشوند. برای جلوگیری از چسبندگی سنسور با لوله بین سنسورها و لوله با استفاده از ژل یا گریس پر میشود.  ابتدا سنسور send فرکانسی را ارسال کرده و سنسور receive آن را دریافت می­کند. با تاخیر چند ثانیه مجدد همان فرایند به صورت عکس رخ می­دهد. این فرایند مدام در حال تکرار است.

فلومتر ترانزیت زمانی مدل V

این روش همانند روش قبل برای سیالات تمیز عاری از هرگونه ذرات جامد و حباب ها توصیه می­شود. به دلیل اینکه قابلیت استفاد ه از  پایپ ها کوچک تری را دارد سنسور ها در این نوع به صورت V نصب می­شوند.

در این روش ترانسدیوسر‌ها در یک طرف محل اندازه‌گیری قرار گرفته و فاصله آن‌ها در حدود قطر لوله است. به طوری که سیگنال‌های ارسالی از ترانسدیوسر‌ها پس از برخورد به طرف دیگر مسیر، بازتابش شده و توسط دیگری دریافت می‌گردد.

اثر داپلر (Doppler)

برای روش ترانزیت زمانی، اشاره کردیم که بایستی در case‌های تمییز Clean استفاده بشوند. اما آیا برای نمونه‌های دارای رسوب و ذرات متخلخل نمی‌توانیم از آلتراسونیک استفاده کنیم؟

در نمونه‌های Slurry، Partial  و High viscus  بایستی به سراغ روش داپلر برویم. روش داپلر مبتنی بر استفاده از شیفت فرکانسی موج صوتی برگشت داده شده است. که این شیفت متناسب با سرعت سیال است.

این روش برای سرویس‌هایی با ذرات جامدِ معلق یا حباب، سرویس‌های کثیف و حاوی slurry و همچنین نمونه‌های High viscous  مناسب است. در واقع اینگونه سیالات هستند که فرکانس صوتی به آن‌ها برخورد کرده و بازگشت داده می‌شود.

سنسور‌های پیزو الکتریک در یک housing قرار می‌گیرند و فرکانس کاری مربوط به آن‌ها KHz ۶۴۰ ~ ۱ است. در مواردی مانند سرویس‌های فاضلاب یا پساب‌ها به دلیل انفصال و عدم تداوم در موج صوتی از روش داپلر نیز نمی‌توان استفاده کرد.
اساس کار این است که امواج ما فوق صوتِ ارسال شده از فرستنده به سمت گیرنده توسط حرکت ذرات و حباب‌ها تغییر فرکانس می‌یابد (که به علت انعکاس موج از روی این ذرات است) این تغییر فرکانس ملاک اندازه‌گیری فلو عبوری است.

دقت این روش به عواملی چون ضخامت دیواره لوله، تعداد و اندازه ذرات معلق در سیال بستگی دارد.

در روش آلتراسونیک بایستی کل لوله پر باشد.

بهترین توصیه، استفاده از این تجهیز در سیال‌ هایی با عدد رینولدز کمتر از 4000  (linear) و یا بالاتر از 10000 (turbulent)  است.

استفاده از فلومتر آلتراسونیک  در میترینگ

در این حالت دقت اندازه گیری بهتری در حدود 0.75~1% را خواهیم داشت.

در نهایت روش فلومتر آلتراسونیک با دقت بسیار بالا می‌تواند به عنوان پایه اندازه‌گیری در Custody Meter  جهت محاسبه دبی خروجی از سایت مورد استفاده قرار گیرد. اما پیش‌تر گفتیم که این روش دقت بالایی ندارد و در نمونه‌های Custody Meter  بایستی دقت دبی سنج فوق‌العاده بالا باشد

Custody Meter  یا همان Metering  به معنای اندازه‌گیری فلوی خروجی با دقت بسیار بالا است که معمولاً در آخرین مرحله اندازه‌گیری فلو در نظر گرفته می‌شود. برای بالا بردن دقت می‌توان از چند سنسور send و receive استفاده کرد. مثلاً با داشتن ۴ سنسور و ۲ می‌توان دقت را افزایش داد.

انواع فلومتر های آلتراسونیک

فلو مترهای آلترسونیک موجود در بازار عبارتند از داپلر، رادار، گیره و سطح اآتراسونیک.

• سرعت سنج های دوپلر از نویز التراسونیک بازتولید شده برای محاسبه سرعت مایع استفاده می کنند.
• سرعت سنج نوع رادار از فناوری مایکروویو برای انتقال پالس های کوچک استفاده می کند تا سطح در حال جریان را به حسگر برای تعیین سرعت منعکس کند.
• سرعت سنج گیره دار آلتراسونیک برای کاربرد هایی که دسترسی به لوله دشوار است و در غیر این صورت ممکن نیست، مناسب است.
• سطح سنج آلتراسونیک برای تعیین سطح سیال در هر دو کانال باز و بسته ایده آل است.

در انتخاب فلومتر آلتراسونیک موارد زیر را در نظر داشته باشید:

• رنج فلو فشار خط
• نحوه نصب چگالي یا ویسكوزیته سیال
• وجود ذرات ناخالص در سیال

درهنگام استفاده از دستگاه فلومتر آلتراسونیک مطمعن باشید که فرکانس های تولیدی توسط سیال منتقل میشوند در غیر این صورت اگر امواج ما فوق صوت به مایع نفوذ نکند اندازه گیری صورت نمی­گیرد و فلومتر های داپلر با دقت کار نمی­کنند و خطای چشم گیری در اندازه گیری وجود دارد و در انتها سبب آسیب رسیدن به دستگاه میشود.

مزایا و معایب  فلومتر های آلترسونیک

• مزایا

1. مسیر جریان مایع را مسدود نمی کند.
2. o/p این روش برای چگالی، ویسکوزیته و دمای مایع متفاوت است.
3. جریان مایع دو طرفه است.
4. پاسخ دینامیکی خوبی دارد.
5. خروجی به صورت آنالوگ می باشد
6. بقاء انرژی
7. برای اندازه گیری جریان با کیفیت عالی مناسب است.
8. تطبیق پذیری خوبی دارد.
9. هیچ تماسی با مایع وجود ندارد.
10. خطر نشتی وجود ندارد.
11. هیچ قطعه متحرکی وجود ندارد.
12. دقت بالا.
13. نصب و نگهداری آن ساده است.

• معایب

1. در مقایسه با سایر دبی سنج های مکانیکی گران است.
2. طراحی این وسیله پیچیده است.
3. سنسورهای این روش اندازه گیری گران است.
4. این کنتورها در مقایسه با سایر کنتورها پیچیده هستند، بنابراین برای نگهداری و تعمیر این کنتورها نیاز به متخصصین دارد.
5. نمی تواند سرعت سیال در لوله هایی زنگ زده را اندازه گیری کند.
6. هنگامی که لوله دارای سوراخ یا حباب در آن باشد، کار نمی کند
7. سرعت سیال در لوله هایی با جنس سیمان یا بتن را نمیتوان اندازه گیری کرد.

برنامه های کاربردی فلومتر آلترسونیک

از کاربرد های فلومتر آلتراسونیک می توان به موارد زیر اشاره کرد:

1. از این کنتور ها در مصارف فاضلاب و مایعات کثیف استفاده می شود
2. این کنتور ها در هر جایی که به سازگاری شیمیایی، نگهداری کمتر و افت فشار کم نیاز باشد استفاده می شود.
3. این متر ها برای اندازه گیری سرعت یک مایع از طریق آلتراسوند برای تجزیه و تحلیل جریان حجم استفاده می شود.
4. این متر ها اختلاف زمان عبور پالس های آلتراسونیک را که با جهت جریان مایع ارسال می شود اندازه گیری می کنند.
5. کاربردهای این کنتور ها از فرآیند تا جریان نگهداری متغیر است.
6. این یک نوع دستگاه برای اندازه گیری جریان حجمی مایعات و همچنین گاز ها است.
7. این­ ها جایگزین های بسیار خوبی برای فلومترهای گردابی و الکترومغناطیسی هستند.

کاربرد استفاده از فلومتر های آلترسونیک در صنعت:

1. صنعت کاغذ
2. صنعت تفت و گاز
3. صنعت مواد شیمیایی
4. صنعت پتروشیمی
5. صنعت نیروگاه
6. صنعت معدن
7. صنعت مواد غذایی
8. صنعت آب و فاضلاب
9. مانیتورینگ تهویه مطبوع و انرژی
10. تصفیه آب
11. تصفیه آب خاکستری یا سیاه آب

مگا تجهیز نماینده ای از شرکت PFlow  است. فروشگاه مگا تجهیز شامل تجهیز فلومتر های آلتراسونیک گوناگونی است. کالا های موجود  دارای گارنتی یکساله می باشند.

در ادامه به صورت مختصر نحوه نصب و استفاده هر یک از فلومتر های آلتراسونیک را توضیح داده میشود.

کابرد در صنعت تامین و تصفیه آب

فلومتر pFlow به دو صورت قابل حمل و ثابت به راحتی نصب میشوند، این تجهیز برای انواع کاربران در صنعت آب و فاضلاب مناسب است، کاربردهای کلاسیک عبارتند از:

• اندازه گیری آب رودخانه، رودخانه، مخزن
• اندازه گیری مصرف آب مسکونی
• کنترل دوز شیمیایی
• تشخیص نشتی و انسداد
• اندازه گیری آب آشامیدنی و پساب

کاربرد در صنعت کشاورزی

آب یک منبع ارزشمند است و مصرف آبیاری کشاورزی منطقه ای بسیار بالا بوده است، بنابراین نظارت دقیق بر مصرف آب برای کنترل هزینه ها ضروری است.  نصب فلومتر های آلتراسونیک بسیار آسان بوده است و فلومترهای سری pFlow دارای دقت اندازه گیری تا 0.5% هستند که می توانند خطا را در محدوده بسیار کمی کنترل کنند. نصب آن ها برای خطوط لوله بزرگ یک زمین کشاورزی و یا خطوط کوتاه گلخانه فرقی نخواهد داشت تنها باید حسگر های جریان را در قسمت بیرونی خط لوله بسته شود و آن محکم شود، سپس میتوان اندازه گیری کرد.

HVAC

در بسیاری از ساختمان های مدرن، هدف از تجهیزات HVAC حفظ محیطی امن و راحت برای ساکنین ساختمان است.

HVAC مخفف Heating, Ventilating, and Air Conditioning است، سیستم HVAC به طور گسترده در ساختمان های اداری، ساختمان های مسکونی، مراکز خرید و غیره استفاده می شود، نقش حیاتی کل سیستم مدیریت ساختمان را ایفا می کند، برای پشتیبانی از این، برق زیادی مورد نیاز است. در زمان افزایش هزینه های انرژی، اندازه گیری و کنترل دقیق مصرف انرژی مهم است.

کنتورهای انرژی که معمولاً به عنوان سنجش های BTU یا حرارت سنج ها شناخته می شوند، برای اندازه گیری جریان آب سرد و گرم و همچنین مصرف گرمای جریان استفاده می شود.

پتروشیمی

دبی سنج آلتراسونیک برای صنایع شیمیایی و پتروشیمی، به ویژه در مواردی که به دلیل خرابی فلومتر، راه اندازی یا گسترش امکانات تولید به ابزارآلات جدید نیاز است، میتواند انتخاب ایده آل باشد. ما می دانیم که بیشتر تولیدات شیمیایی یک فرآیند مداوم است. پس از قطع شدن فرآیند، عملیات پیچیده مورد نیاز است و هزینه های زیادی نیز متحمل می شود. اصلاح خط لوله خطرات نشت بالقوه خطرناکی را به همراه خواهد داشت. دوم اینکه فلومتر باید در برابر سیالاتی که اغلب خورده می شوند مقاوم باشد یا حتی بهتر است اصلا با آن ها تماس نگیرد. ثابت شده است که فلومتر آلتراسونیک راه حل ایده آلی برای کاربردهای اندازه گیری در صنعت پتروشیمی است. آن ها را می توان بر روی لوله های هر ماده معمولی از جمله پلاستیک ها و فلزات مختلف نصب کرد. از آنجایی که سنسور آلتراسونیک با بستن آن بر روی خط لوله نصب می شود، نیازی به بازکردن خط لوله، خطر نشتی و آلودگی و افت فشار در هر زمان وجود ندارد.

موارد کاربردی

• اندازه گیری پساب
• اندازه گیری جریان آب خنک کننده
• اندازه گیری جریان محلول اسید سولفوریک

آبزی پروری و آکواپونیک

آبزی پروری عبارت است از  پرورش و برداشت ماهی، صدف، جلبک و سایر موجودات در انواع محیط های آبی. منابع شیلات در سطح جهان به عنوان منابع غذایی آینده توجه را به خود جلب می کند و نگرانی در مورد کاهش این منبع است. بنابراین، تغییر صنعت شیلات از صید به پرورش ضروری است. علاوه بر این، سیستم آبزی پروری (مزرعه ماهی) برای فرآیند تولید محصول شیلات ایمن و مطمئن کاملا ضروری است.

آکواپونیک به هر سیستمی اطلاق می شود که آبزی پروری معمولی (پرورش حیوانات آبزی مانند حلزون، ماهی، خرچنگ یا میگو در مخازن) را با هیدروپونیک (کشت گیاهان در آب) در یک محیط همزیست ترکیب کند. در آبزی پروری معمولی، مواد دفعی حیوانات پرورش یافته می توانند در آب جمع شوند و سمیت را افزایش دهند. در یک سیستم آکواپونیک، آب از یک سیستم آبزی پروری به یک سیستم هیدروپونیک داده می شود که در آن محصولات فرعی با نیتریفیکاسیون باکتری ها در ابتدا به نیتریت ها و سپس به نیترات ها تجزیه می شوند که توسط گیاهان به عنوان مواد مغذی مورد استفاده قرار می گیرند. سپس آب دوباره به سیستم آبزی پروری بازگردانده می شود.

نصب فلومتر های آلتراسونیک می تواند در ورودی و خروجی هر لینک در سیستم RAS برای اندازه گیری دبی اعمال شود. این تجهیزات دارای مزایای نصب راحت و روش های خروجی سیگنال متعدد است. عملکرد ارتباط WiFi می تواند داده ها را در سرور ابری آپلود کند و کاربر می تواند از رایانه شخصی یا دستگاه تلفن همراه برای اتصال به ابر برای بررسی و دانلود داده ها استفاده کند.

فرایند های تولید

فلومترها در فرآیندهای صنعتی بسیار مهم هستند و با بهبود راندمان کار و کنترل هزینه انرژی و مواد اولیه مرتبط هستند. با توجه به فرآیندهای جریان مایع، فلومترهای گیره دار آسان برای استفاده هستند، می توانند به سرعت قرائت شوند، و می توانند با کمک به تعیین مناطق بهینه سازی کارخانه در آینده و توسعه فرآیندهای تولید کارآمدتر و پیشرفته تر، کارایی را بهبود بخشند.

موارد کاربردی

• سیستم تمیز کردن ماشین قالب گیری پلاستیک
• تست سیستم هیدرولیک
• سیستم خنک کننده مایع