اندازه گیری جریان با استفاده از ماوراء الصوت

فلومترهای فراصوت: بررسی اجمالی، اصول و کاربردها

بررسی اجمالی

فلومترهای فراصوت سرعت سیال را با تجزیه و تحلیل نحوه انتشار امواج فراصوت در محیط در حال جریان اندازه گیری می کنند. بسته به روش تشخیص، آنها به دسته های زیر تقسیم می شوند:

روش های زمان پرواز (TOF) (تفاوت زمانی مستقیم، تفاوت فاز، تفاوت فرکانس)

روش داپلر

روش انحراف پرتو

روش همبستگی نویز

با پیشرفت در مدارهای مجتمع، فلومترهای فراصوت در چند دهه گذشته در کاربردهای صنعتی به طور گسترده ای مورد استفاده قرار گرفته اند.

مزایا

اندازه گیری غیر تهاجمی

بدون قطعات متحرک → بدون افت فشار یا اختلال در جریان

مناسب برای لوله های بزرگ، کانال های باز و سیالات با دسترسی دشوار

می تواند سیالات خورنده، غیر رسانا، رادیواکتیو و قابل اشتعال را اندازه گیری کند

کاربرد گسترده

محدوده قطر لوله: 2 سانتی متر تا 5 متر

می تواند مایعات و گازها را اندازه گیری کند

مدل های قابل حمل برای اندازه گیری های موقت (به عنوان مثال، ورودی آب توربین در نیروگاه ها) موجود است

مقرون به صرفه برای لوله های بزرگ

نصب با اندازه لوله مقیاس نمی شود (بر خلاف فلومترهای مکانیکی)

بدون انحراف کالیبراسیون به دلیل تغییرات دما، فشار یا ویسکوزیته

تطبیق پذیری در محیط های چالش برانگیز

روش داپلر می تواند دوغاب، فاضلاب و جریان های دو فازی را اندازه گیری کند

روش های زمان پرواز دقت بالایی را برای مایعات تمیز ارائه می دهند

 

معایب

محدودیت های دما

محدود به مواد مبدل و چسب های اتصال (معمولاً <200°C)

عدم وجود داده های سرعت صوتی در دمای بالا بر دقت تأثیر می گذارد

پردازش سیگنال پیچیده

سرعت سیال (~ متر بر ثانیه) در مقایسه با سرعت صوت (~ 1500 متر بر ثانیه) ناچیز است

به الکترونیک با دقت بالا نیاز دارد (دقت 10⁻⁵ تا 10⁻⁶)

وابستگی به سیال

روش داپلر به بازتابنده ها (به عنوان مثال، حباب ها، ذرات) نیاز دارد

روش های زمان پرواز به سیالات تمیز و همگن نیاز دارند

الزامات نصب

نیاز به مسیرهای لوله مستقیم برای جلوگیری از اعوجاج پروفیل جریان

مشکلات اتصال در لوله های خورده یا پوشش دار

 

اصول اولیه

یک فلومتر فراصوت از موارد زیر تشکیل شده است:

مبدل ها – انرژی الکتریکی را به امواج فراصوت (و بالعکس) با استفاده از عناصر پیزوالکتریک (به عنوان مثال، PZT) تبدیل می کنند.

مدار پردازش سیگنال – تفاوت های زمانی (TOF) یا تغییرات فرکانس (داپلر) را اندازه گیری می کند.

واحد نمایش/خروجی – جریان آنی و تجمعی را نشان می دهد.

فناوری های کلیدی

مبدل های پیزوالکتریک: دیسک های نازک (نسبت قطر به ضخامت 10:1) ساخته شده از تیتانات زیرکونات سرب (PZT).

گوه های صوتی: ساخته شده از PMMA (اکریلیک) یا لاستیک برای هدایت کارآمد امواج به داخل سیال.

حالت های اندازه گیری:

پیکربندی های Z/V/X: مسیر سیگنال را برای اندازه لوله بهینه کنید.

سنسورهای گیره ای در مقابل خیس شده: مبادله بین راحتی و دقت.

 

کاربردهای صنعتی

آب و فاضلاب: جریان رودخانه، تصفیه فاضلاب.

نفت و گاز: آب تولید شده، تزریق مواد شیمیایی.

انرژی: آب خنک کننده، سیستم های بخار.

HVAC: آب سرد، نظارت بر مبرد.

 

روندهای آینده

سنسورهای با دمای بالاتر: فراتر از محدودیت های 200 درجه سانتیگراد گسترش می یابد.

پردازش سیگنال با کمک هوش مصنوعی: جبران خطاهای پروفیل جریان.

سیستم های ترکیبی: ترکیب داپلر و TOF برای سازگاری بیشتر با سیال.

فلومترهای فراصوت برای اندازه گیری های کم مصرف و غیر تهاجمی ایده آل هستند، اما انتخاب مناسب (داپلر در مقابل TOF) و نصب برای عملکرد بهینه بسیار مهم است.