فلومتر آلتراسونیک

فلومتر آلتراسونیک (Ultrasonic Flowmeter)، یکی از انواع رایج و پر کاربرد فلومتر های مبتنی بر سرعت سیال است که با استفاده از امواج فراصوتی جریان سیالات مختلف نظیر گاز، بخار و مایع را اندازه گیری می کند.

فلومترهای التراسونیک دارای دو یا چند سنسور پیزو الکتریک می باشند که در کنار یا روبروی یکدیگر در خطوط لوله نصب می شوند. این سنسورها به صورت متناوب امواج التراسونیک ارسال می کنند و به عنوان فرستنده و گیرنده عمل می کنند. مدت زمانی که طول می کشد تا سنسور گیرنده امواج التراسونیک را از فرستنده دریافت کند متناسب با جریان سیال عبوری از لوله است. در نهایت پس از اندازه گیری جریان ترانسمیتر سیگنال جریانی از 4 تا 20 میلی آمپر به اتاق کنترل ارسال می کند.

فلومترهای اولتراسونیک به دو صورت کمربندی (Clamp -on) و داخل خطی (in-line) روی خطوط لوله نصب می شوند و به دلیل عدم وجود قطعه مکانیکی هیچ گونه افت فشاری در خط ایجاد نمی کنند.

در دبی سنج التراسونیک سیال فرآیندی باید آرام، بدون تلاطم و Clean باشد تا امواج به درستی ارسال شوند. به همین دلیل برای این فلومترها Upstream در نظر گرفته می شود. همچنین به دلیل اینکه بعد از عبور سیال در اثر برخورد با تجهیزات دیگر ممکن است تلاطم برگشتی ایجاد شود از Downstream نیز باید برای نصب این نوع فلومترها استفاده گردد.

فلومترهای التراسونیک بر اساس اصل اثر داپلر (Doppler Effect) یا اختلاف زمان (Transit-Time) عمل می کنند. این فناوری پیشرفته اندازه گیری اولتراسونیک را میتوان برای کاربردهای انتقال، نگهداری، اندازه گیری، تشخیص نشت و کنترل موجودی استفاده کرد. در ادامه این مقاله به معرفی و بررسی عملکرد فلومتر التراسونیک می پردازیم.

فلومتر التراسونیک چیست؟

فلومتر التراسونیک یک تجهیز است که با اندازه‌گیری سرعت جریان سیال، از طریق امواج التراسونیک یا فراصوت، حجم آن سیال را تعیین می‌کند. این نوع از فلومتر با استفاده از ترانسدیوسرهای التراسونیک، سرعت متوسط سیال (مانند آب، روغن، گرانولا) را با استفاده از امواج التراسوند و میانگین گیری زمان انتقال این پالس‌ها برخلاف مسیر جریان مشخص می‌کند.

فلومتر های التراسونیک یکی از تجهیزات اندازه گیری نرخ جریان عبوری سیالات از خطوط لوله میباشند. اندازه گیری فلوی سیالات با استفاده از فلومتر های آلتراسونیک یکی از جدیدترین روش های اندازه گیری است که در برخی از مدل ها دارای دقت های بسیار بالایی میباشد و حتی میتواند برای کاربردهای Custody میترینگ مورد استفاده قرار بگیرد.

همین امر سبب شده که استفاده از فلومتر های آلتراسونیک در صنایع روز به روز در حال گسترش باشد و در سرویس ها و کاربردهایی که محدودیت هایی برای استفاده از سایر تکنولوژی های اندازه گیری فلو  دارند، فلومتر های التراسونیک بهترین گزینه و راه حل مناسبی باشند.

فلومترهای التراسونیک برای سیالات مایع بر خلاف گاز مستقل از  فشار، چگالی، دما و رسانایی عمل می کنند. به همین منظورفلومترهای التراسونیک گازی دارای سنسور دما و فشار می باشند تا تغییرات دما و فشار گاز که بر اندازه گیری تاثیر می گذارد را در نظر بگیرند. همچنین در فلومترهای التراسونیک مناسب سیالات گازی نوع گاز و ترکیب گازی تاثیری بر اندازه گیری جریان سیال ندارد.

اساس کار و عملکرد فلومتر آلتراسونیک بر اساس اندازه گیری اختلاف زمان ارسال و دریافت امواج فراصوتی یا Ultrasound و یا اندازه گیری تغییر فرکانس امواج ارسالی و دریافتی است.

 امواج فراصوتی یا التراسونیک از نوع امواج مکانیکی محسوب میشوند و فرکانس بالاتر از 30KHz را دارا هستند. این امواج برای انتشار نیاز به یک محیط مادی دارند و برخلاف امواج رادار یا الکترومغناطیس در صورت برخورد با اجسام مادی و فیزیکی، فقط مقدار کمی از آنها از جسم عبور میکند و مقدار بیشتر آنها بازتاب داده خواهد شد.

انواع فلومتر التراسونیک

فلومتر های التراسونیک دارای دو مدل اختلاف زمانی (Transit Time) و اثر داپلری (Doppler Effect) عمل می کنند. فلومتر های التراسونیک یا زمان جابجایی بر اساس اندازه گیری اختلاف زمان بین ارسال و دریافت پالس های التراسونیک مقدار جریان سیال را محاسبه می کند.

در فلومتر های التراسونیک نوع داپلری، پالس ها و امواج التراسونیک پس از برخورد به ناخالصی ها و ذرات جامد یا حباب های هوای داخل سیال تغییر فرکانس داده و فلوی عبوری سیال با اندازه گیری این تغییر قابل محاسبه خواهد بود. انواع فلومترهای التراسونیک بر اساس نوع عملکرد در موارد زیر بیان می شوند:

دبی سنج التراسونیک Transit-Time

همانگونه که بالاتر نیز اشاره شد فلومتر های التراسونیک زمان جابجایی بر اساس اندازه گیری اختلاف زمان بین ارسال پالس التراسونیک و دریافت آن عمل میکنند. به این معنی که این امواج توسط یک ترانسدیوسر التراسونیک ارسال شده (Sender) و ترانسدیوسر دیگر آن را دریافت میکند (Receiver).

پس از 2 ثانیه مکث ترانسدیوسر گیرنده امواج دریافتی را برای ترانسدیوسر فرستنده ارسال میکند و این ارسال و دریافت بین ترانسدیوسر ها دائمآ در حال تکرار می باشد. طبیعتا زمان ارسال و دریافت امواج توسط فرستنده (جهت جریان سیال) کمتر از حالتی میباشد که گیرنده پالس ها را دریافت کرده و میخواهد مجددآ برای فرستنده ارسال کند (خلاف جهت جریان سیال).

در این روش سنسورها امواج را هم ارسال و هم دریافت می کنند اما در روش داپلر یک سنسور فقط امواج را ارسال و سنسور دیگر ارسال می کند. این اختلاف زمان ارسال و دریافت پالس ها دقیقا متناسب با سرعت جریان سیال در خط لوله بوده و فلومتر های التراسونیک به روش زمان جابجایی به این صورت فلوی عبوری را اندازه گیری می کنند. انواع فلومترهای جابه جایی زمان عبارتند از:

• فلومتر Transit-Time نوع Z یا Z – factor
• فلومتر Transit-Time نوع V یا V – factor
• فلومتر Transit-Time نوع W یا W – factor

فلومتر Transit-Time نوع Z یا Z – factor:

در نوع Z-type سنسور ها روبروی یکدیگر و به صورت مایل روی خط لوله نصب میشوند همچنین برای خطوط لوله در سایز های 4 اینچ تا 156 اینچ به کار می روند. در این حالت یک سنسور به عنوان فرستنده عمل میکند و سنسور دیگر به عنوان گیرنده امواج خواهد بود.

Q=A*V  و  L=V*Δt

با استفاده از دو فرمول فوق در این روش جریان سیال محاسبه می شود. در خطوط لوله با سایز های کمتر از 4 اینچ به دلیل آنکه اختلاف زمان بین ارسال و دریافت امواج (Δt) در سنسورها به قدری کم خواهد بود که سنسور ها قادر به محاسبه این اختلاف زمان نیستند از نوع V – factor استفاده میگردد.

فلومتر Transit-Time نوع V یا V – factor:

برای خطوط لوله با سایز های 2 تا 4 اینچ از فلومترهای التراسونیک V – factor استفاده میگردد. در این مدل دو ترانسدیوسر التراسونیک تقریبا به فاصله قطر لوله در کنار یکدیگر نصب شده و امواج فراصوتی پس از ارسال توسط ترانسدیوسر فرستنده به دیواره لوله برخورد کرده و منحرف میشود. سپس تراسندیوسر گیرنده پالس منحرف شده را مطابق شکل دریافت خواهد کرد.

فلومتر Transit-Time نوع W یا W – factor:

اگر سایز خظ لوله از 2 اینچ هم کمتر باشد حتی روش V –factor هم قابل استفاده نمی باشد. در این حالت از روش W – factor استفاده می شود. این روش مناسب خطوط لوله از 1/2 تا 2 اینچ خواهد بود. در تصویر زیر تفاوت های هر سه روش جابه جایی زمان قابل مشاهده می باشد.

همچنین این نوع فلومتر ها برای سیالات تمیز و عاری از هرگونه ناخالصی و ذرات جامد مناسب میباشند و برای سیالات دوغابی، فاضلابی و دارای ذرات متخلخل به کار نمی روند. این سیالات باید با فلومترهای روش اثر داپلری اندازه گیری شوند.

فلومترهای التراسونیک داپلری

جهت اندازه گیری جریان عبوری سیالات کثیف و دارای ناخالصی با فلومترهای جابه جایی زمان به دلیل برخورد امواج با ذرات جامد و ایجاد خطا در اندازه گیری اختلاف زمان بین پالس های ارسالی و دریافتی باید از روش داپلری Doppler Effect استفاده نمایید. روش داپلری مناسب سیالات دارای رسوب و ویسکوزیته بالا است.

عملکرد و مکانیزم فلومترهای التراسونیک اثر داپلری به این صورت می باشد که یک تراسندیوسر التراسونیک در یک سمت لوله نصب خواهد شد و امواج فراصوتی را با یک فرکانس ثابت تولید و به سمت سیال فرآیندی ارسال خواهد کرد. با استفاده از دو فرمول زیر جریان یا دبی سیالات محاسبه می گردد.

   V = C (Δf) / (2 f0 cosΦ)  و  Q=A*V

در رابطه فوق f0 فرکانس اولیه جریان، V سرعت سیال و C سرعت امواج داخل سیال است.این امواج با برخورد به ذرات جامد و یا حباب ها و ذرات متخلخل داخل سیال تغییر فرکانس خواهند داد. سرعت عبوری سیال یا فلوی سیال متناسب با این مقدار تغییر فرکانس خواهد بود.

مزایای فلومتر اولتراسونیک

فلومترهای آلتراسونیک مزایای متعددی نسبت به انواع دیگر تجهیزات اندازه گیری جریان دارند. برخی از مزایای فلومترهای التراسونیک در موارد زیر بیان شده است:

• فلومترهای التراسونیک از دقت بسیار بالایی برخوردار می باشند که این دقت را میتوان با اضافه کردن ترانسدیوسر های التراسونیک بیشتر نیز افزایش داد. به عنوان مثال به جای استفاده از یک ترانسدیوسر فرستنده و یک ترانسدیوسر گیرنده امواج الترسونیک، دو یا 4 عدد سنسور التراسونیک به کار برد. در این صورت دقت اندازه گیری فلوی عبوری به میزان قابل توجهی افزایش خواهد یافت.
• طراحی فلومتر آلتراسونیک بدون هیچگونه قطعه مکانیکی یا متحرکی میباشد این موضوع باعث کاهش هزینه های تعمیرات و نگهداری همچنین کاهش هزینه های نصب فلومتر می شود.
• فشارهای بالا و دماهای شدید را به آسانی کنترل می کند.
• فلومترهای التراسونیک سیالات نارسانا را اندازه گیری میکنند و یک جایگزین عالی برای فلومترهای مغناطیسی هستند که برای عملکرد صحیح به مایعات رسانا نیاز دارند.
• فلومترهای اولتراسونیک با روش داپلر همچنین می توانند  سیالات کثیف را در مواقعی که برخی از فلومترهای دیگر نمی توانند کنترل کنند.
• فلومترهای التراسونیک کلمپی بدون تماس با سیال (Non-contact) می باشند و تاثیری بر جریان سیال نمی گذارند.
• قابلیت نصب برای خطوط لوله بزرگ، طول عمر بالا و پاسخ دهی بالا از دیگر ویژگی های این نوع فلومتر می باشد.
• به دلیل عدم وجود هیچ قطعه مکانیکی در مسیر سیال، این نوع فلومتر بدون هیچگونه افت فشار در خط خواهند بود. به عبارتی دیگر فلومترهای آلتراسونیک مسیر عبوری جریان را مسدود نمی کنند. میتوان از آنها در کاربرد های بهداشتی، سیالات خورنده و ساینده مطابق با سختگیرانه ترین استاندارد ها بهره مند شد.

کاربرد فلومتر التراسونیک

فلومترهای التراسونیک برای اندازه‌گیری سرعت جریان مایعات درون لوله‌ها استفاده می‌شوند، بدون اینکه نیاز به تماس مستقیم با مایع داشته باشند. این تجهیزات با استفاده از امواج صوتی فراصوتی کار می‌کنند که از یک طرف لوله به‌طرف دیگر فرستاده می‌شوند. دو سنسور معمولاً به‌صورت مخالف روی دیواره لوله نصب می‌شوند. عدم وجود قطعات متحرک نیاز به تعمیر و تعویض قطعات را از بین می برد و هزینه های آنها را کاهش می دهد.

با توجه به ویژگی های فوق این فلومترها در صنایع گوناگونی از جمله نفت و گاز، پتروشیمی، نیروگاه ها،شیمایی، آب و فاضلاب، غذایی، داروسازی و غیره به کار می روند. فلومترهای التراسونیک جهت اندازه‌گیری جریان مایعات در خط لوله مانند آب، فاضلاب، اسیدها و حلال‌ها، مواد شیمیایی و هیدروکربن‌ها و روغن‌ها، همچنین برای نظارت و کنترل سیستم‌ های گرمایش و تهویه مطبوع استفاده می شوند.

رایج ترین کاربردهای فلومتر التراسونیک به شرح زیر است:

صنایع نفت و گاز:

فلومترهای آلتراسونیک نقش مهمی در صنایع نفت و گاز جهت اندازه گیری جریان هیدروکربن ها مانند نفت خام، گاز طبیعی و فرآورده های نفتی تصفیه شده ایفا می کند. این فلومترها در خطوط لوله، پالایشگاه ها، سکوهای دریایی و کاربردهای انتقال مالکیت استفاده می شوند.

دقت و انعطاف‌ پذیری فلومترهای التراسونیک آنها را به عنوان تجهیزات انتقال مالکیت و توزیع‌ کننده از چاه‌ های نفت به پالایشگاه  تبدیل کرده است. مانند سایر کاربردها، عدم وجود قطعات متحرک و سادگی عملکرد فلومتر اولتراسونیک را برای کاربردهای انتقال مالکیت custody transfer ایده آل کرده است.

صنایع آب و فاضلاب:

فلومترهای التراسونیک به طور گسترده در تصفیه خانه ها، شبکه های توزیع و تاسیسات تصفیه فاضلاب برای نظارت و کنترل نرخ جریان آب استفاده می شوند. این فلومترها می توانند جریان در خطوط لوله با اندازه های مختلف از لوله های کوچک خانگی گرفته تا خطوط لوله بزرگ شهری را اندازه گیری کنند.

صنایع شیمیایی و پتروشیمی:

فلومترهای التراسونیک در صنایع شیمیایی و پتروشیمی برای اندازه گیری دبی مواد شیمیایی مختلف حلال ها و سیالات خورنده استفاده می شوند. این تجهیزات اندازه گیری دقیق را در محیط های چالش برانگیز ارائه می دهند و می توانند مواد شیمیایی خورنده را کنترل کنند.

تهویه مطبوع HVAC و مدیریت انرژی:

جریان سنج التراسونیک در سیستم های گرمایش، تهویه و تهویه مطبوع (HVAC) برای نظارت بر جریان آب، آب سرد و سیالات حرارتی استفاده می شود. این فلومترها به بهینه سازی مصرف انرژی و اطمینان از عملکرد کارآمد سیستم های HVAC کمک می کنند.

صنایع غذایی و داروسازی:

فلومترهای اولتراسونیک در صنایع غذایی و آشامیدنی برای اندازه گیری دبی سیالات مختلف کاربرد دارند. این فلومترها بهداشتی هستند و با استانداردهای صنعتی مطابقت دارند. همچنین در فرآیندهای تولید دارو برای نظارت و کنترل جریان مایعات از جمله حلال ها، مواد شیمیایی و فرمولاسیون های دارویی استفاده می شوند. در واقع این فلومترها دوز دقیق و کنترل دقیق فرآیند را تضمین می کنند.

نصب فلومتر آلتراسونیک

نصب فلومترهای التراسونیک بستگی به متریال و ضخامت لوله بستگی دارد. فلومترهای التراسونیک به دو روش In-Line و Clamp-On نصب می شوند و در سرویس قرار می گیرند. در حالت کلمپی سنسور های التراسونیک در بیرون لوله توسط بست هایی مانند کمربند بسته شده و هیچ گونه تماسی بین سیال و سنسور ها وجود نخواهد داشت.

اما در فلومترهای اولتراسونیک in-line سنسور ها داخل لوله فلومتر و در تماس با سیال فرآیندی قرار می گیرند. طبیعتا دقت اندازه گیری در فلومتر های in-line به مراتب بالاتر از فلومتر های کلمپی است.

نصب فلومترهای اولتراسونیک درون خطی  in-line مستلزم این است که به فاصله بالادستی (upstream) و پایین دستی (downstream) نیز توجه نمایید. فلومترهای التراسونیک باید با فضای بیشتری از هر تجهیزی که ممکن است مشخصات جریان را مختل کند نصب شود.

خرید فلومتر التراسونیک و پارامترهای موثر

فلومتر آلتراسونیک برای کاربردهایی که افت فشار کم و تعمیر و نگهداری کم مورد نیاز است ایده آل می باشد. توجه داشته باشید که فلومتر داپلر التراسونیک یک فلومتر حجمی است که برای مایعات با ذرات معلق و ناخالصی مانند فاضلاب یا دوغاب به کار می رود. فلومترهای اولتراسونیک جابه جایی زمان برای کاربردهای سیالات تمیز مانند آب و روغن استفاده می شود. 

هنگام خرید فلومتر التراسونیک مناسب پارامترهای متعددی را باید مدنظر داشته باشید که مهمترین آنها در موارد زیر ذکر می شود:

• برند سازنده فلومتر
• نوع و سایز اتصال (فلنجی یا کلمپی)
• دما و فشار فرآیندی
• نوع سیال
• متریال اتصالات، بدنه و سنسور 
• دقت اندازه گیری
• نوع پروتکل ارتباطی
• درجه حفاظت بدنه (IP)
• تاییدیه ضد انفجار (Ex)
• ولتاژ منبع تغذیه

تجهیز صنعت وارد کننده انواع فلومتر آلتراسونیک Ultrasonic Flowmeter، فلومتر الکترومغناطیسی Electromagnetic Flowmeter، فلومتر ورتکس Vortex Flowmeter- مس فلومتر Mass Flowmeter -انواع فلومتر آب و گاز با برندهای اندرس هاوزر، کرونه، فلومتر یوکوگاوا از سایز “1/2 تا “16 علاوه بر این تامین تجهیزات صنایع نفت،گاز و پتروشیمی واردات و تامین انواع فلومتر آلتراسونیک را بر عهده دارد.

جهت کسب اطلاعات بیستر در مورد خرید و شرایط فروش فلومتر با کارشناسان فروش ما در ارتباط باشید.