بخش تحقیق و توسعه

فلومتر التراسونیک:

اهداف واحد تحقیق و توسعه که در جهت تلاش برای دستیابی به سطح مطلوب برای یک سازمان می­باشد، براساس اولویت­ها و نیازهای آن سازمان در یک چارچوب منسجم تدوین می­گردند که می­توان برخی را به شرح زیر نام برد.

• تولید محصول یا محصولات جدید و ارتقای کیفیت
• تولید دانش نوین به منظور توسعه محصولات و بهینه ­سازی فرآیندها
• کشف و درک فرصتها و نیازهای بازار
• مشارکت قوی در جریانهای دانش و یادگیری
• ارتقای بازدهی فعالیت­ نیروی انسانی که نهایتا باعث افزایش درآمد افراد نیز می­گردد
• افزایش نیروی رقابتی در عرصه­ های داخلی و خارجی و حضور فعال در بازارهای جهانی
• ارتقای میزان خوداتکایی
• تحقیقات در راستای کاهش ضایعات تولیدی و یافتن راهکارهای هوشمندانه برای کاهش هزینه تولید

در این راستا واحد تحقیق و توسعه شرکت آسیا ابزاردقیق شروع به مطالعات جهت بومی سازی فلومتر التراسونیک کرده است تا بتواند جلوگیری خروج ارز از کشور و همچنین به تولید علم در کشور کمک کوچکی کرده باشد.

مقدمه :

فلومتر التراسونیک نوعی جریان سنج است که سرعت مایعات را اندازه گیری می کند. با استفاده از مبدل های التراسونیک، فلومتر می تواند سرعت متوسط را در امتداد مسیر پرتوی التراسونیک ساطع شده، با میانگین اختلاف زمان اندازه گیری شده بین پالس های التراسونیک منتشر شده در جهت جریان و یا با اندازه گیری تغییر فرکانس اندازه گیری کند. فلومتر التراسونیک بر اساس روش اندازه گیری دارای سه مدل می باشد:

• فلومتر انتقالی یا جابجایی زمانی
• فلومتر بازتابی یا داپلر
• فلومتر جریان کانال باز

ترانزیت زمانی – زمان جابه جایی (Transit time)
در این روش مانند قایقی که از وسط رودخانه می گذرد، امواج صوتی ارسال و سپس دریافت می شوند. در شکل زیر بدیهی است که زمان رسیدن امواج از مسیر 1 نسبت به زمان رسیدن امواج از مسیر 2 بیشتر است همان قایق را در نظر بگیرید . روش ترانزیت زمانی از فلومتر التراسونیک برای سیالات تمیز ( مانند بخار یا آب) و عاری از هر حباب یا ذره جامد کاربرد دارد.

دو سنسور send و receive در این روش کاملا مشخص هستند. سنسورها روبروی هم (مایل) در دو طرف لوله نصب می شوند. ابتدا یک سنسور، فرکانسی را ارسال کرده و سنسور دیگر آن را دریافت می کند. سپس یک یا دو ثانیه مکث خواهیم داشت و این بار همان کار به صورت برعکس انجام می شود. این اتفاق به صورت مداوم تکرار می شود. اگر مدت زمان رفت و برگشت را به ترتيب Tupو Tdownبنامیم، خواهیم داشت:

Tdown = L/(C+V.cosΘ)
Tup = L/(C-V.cosΘ)

در رابطه فوق، C سرعت امواج داخل سیال، V سرعت سیال، L فاصله بین دو سنسور و θ زاویه بین امواج و محور اصلی است.

اثبات رابطه :

این رابطه از آن جایی به دست می آید که داریم:

L=V.Δt

L را که داریم و سرعت در هر حالت نیز بسته به آن که فرکانس ارسالی در مسیر جریان است یا در خلاف مسیر جریان، مجموعی از سرعت سیال و سرعت موج را خواهیم داشت:

V down= C+V.cosΘ
Tup = L/(C-V.cosΘ )

البته توجه کنید که مدت زمان عبور موج از لوله، بستگي به مشخصات لوله و جنس سيال عبوري دارد كه در يك اندازه گيري خاص، ثابت می باشند و در كاليبراسيون دستگاه منظور می گردند. روشی که در بالا مورد بحث قرار گرفت به فلومتر نوع Z یا factor-Z معروف است. در جاهایی که سایز پایپ بیش از “4 است، می توان از این روش استفاده کرد 4 “~156” . عملا محدودیت سایزی از بالا نداریم. اما برای سایزهای کوچکتر از “4 چه کنیم. چون برای سایزهای کوچتر از “4 آنقدر زمان ارسال اندک است که قابل اندازه گیری نیست.

فلومتر ترانزیت زمانی مدلV

روش دیگر اندازه گیری درحالت Transit time ،فلومتر نوع V یا V-factor است. این روش برای سیالات تمیز و عاری از رسوب توصیه می گردد. همچنین در سایز پایپ های کوچکتر نیز قابلیت استفاده را دارا است. شاید در همان ابتدای بحث برایتان این سوال پیش آمد که چرا در تصویر زیر، هر دو سنسور در یک طرف نصب شده اند.

این دقیقا به همین علت است که در این پروژه، سایز لوله کوچک بوده و سنسورها را به صورت V نصب کرده ایم. در اين روش ترانسديوسرها در یک طرف محل اندازه گيری قرار گرفته و فاصله آن ها در حدود قطر لوله است. به طوري كه سيگنال هاي ارسالي از ترانسديوسرها پس از برخورد به طرف ديگر مسير، بازتابش شده و توسط ديگري دريافت مي گردد. از این روش برای پایپ های “2”~4 استفاده می شود.

مقدار سرعت در اين اندازه گيری از رابطه زير به دست مي آيد:

V = k.d.Δt/sin2Θ. (T0- τ)

در این رابطه k مقدار ثابت، V سرعت سیال، d قطر پایپ، θ زاویه برخورد سیگنال به پایپ با محور عمودی، T0زمان انتقال سیال در فلوی ثابت،ΔT اختلاف بين زمان ارسال و دريافت، τ زمان انتقال سيگنال از طريق ديواره داخلي لوله است. تذکر مهم : قطعا برای شما سوال شده است که فاصله بین این دو سنسور چقدر بایستی باشد و چگونه محاسبه می شود؟ این آیتم از جمله اطلاعاتی است که در واقع از جزئیات ساخت محصول به شمار می آید و در نصب به صورت Transit time سازنده محل Send و Receive را براساس پارامترهای سیال و سایزینگ آن بر روی یک Ruler ارائه می دهد و لذا این ruler روی پایپ با بست کمربندی نگه داشته می شود.

اثر داپلر (Doppler) برای روش ترانزیت زمانی، اشاره کردیم که بایستی در case های تمیز Clean استفاده بشوند. اما آیا برای نمونه های دارای رسوب و ذرات متخلخل نمی توانیم از التراسونیک استفاده کنیم؟ در نمونه های 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 سرویس هایی با ذرات جامد معلق یا حباب، سرویس های کثیف و حاوی slurry و همچنین نمونه هایHigh Viscus مناسب است. در واقع این گونه سیالات هستند که فرکانس صوتی به آن ها برخورد کرده و بازگشت داده می شود. سنسور های پیزو الکتریک در یک housing قرار می گیرند و فرکانس کاری مربوط به آنها KHz 6401Mhz ~ است. در مواردی مانند سرویس های فاضلاب یا پساب ها به دلیل انفصال و عدم تداوم در موج صوتی از روش داپلر نیز نمی توان استفاده کرد. اساس كار اين است كه امواج ما فوق صوت ارسال شده از فرستنده به سمت گيرنده توسط حركت ذرات و حباب ها تغيير فركانس مي يابد (که به علت انعكاس موج از روی این ذرات است). اين تغيير فركانس مالك اندازه گیری فلو عبوري است.

از رابطه زير مي توان سرعت را اندازه گيري نمود:

V = C.Δf/ (2.cosΘ)

در این رابطه C سرعت سیگنال ارسالی، V سرعت سیال، θ زاویه امواج فرکانس سیگنال ارسالی و Δf اختلاف فرکانس ارسالی و حرکت سیال، f0 ارسالی و دریافتی است.

سپس با استفاده از V×A=Q ،به فلوی عبوری دست خواهیم یافت. دقت این روش به عواملي چون ضخامت ديواره لوله، تعداد و اندازه ذرات معلق در سيال بستگي دارد. در روش التراسونیک بایستی کل پایپ ُ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 التراسونیک در میترینگ

در این حالت دقت اندازه گیری بهتری در حدود 75 / 0~1 درصد را خواهیم داشت. در نهایت روش فلومتر التراسونیک با دقت بسیار بالایی می تواند به عنوان پایه اندازه گیری در Custody Meterجهت محاسبه فلوی خروجی از سایت مورد استفاده قرار گیرد. اما پیش تر گفتیم که این روش دقت بالایی ندارد و در نمونه های Custody Meter بایستی دقت فلومتر فوق العاده بالا باشد. Custody Meter یا همان Metering به معنای اندازه گیری فلوی خروجی با دقت بسیار بالا است که معمولا در آخرین مرحله اندازه گیری فلو در نظر گرفته می شود. برای بالا بردن دقت می توان از چند سنسور send و receive استفاده کرد. مثلا با داشتن 4 سنسور و 2Beam می توان دقت را افزایش داد.

مشخصات فنی فلومتر التراسونیک

یکی از انواع فلومتر، فلومترهای التراسونیک هستند که تحت تأثیر خصوصیات صوتی سیال مایع هستند و بسته به دبی می توانند تحت تأثیر دما، چگالی، گرانروی و ذرات معلق قرار بگیرند. فلومتر التراسونیک از نظر قیمت خرید بسیار متفاوت هستند اما استفاده و نگهداری آنها اغلب ارزان می باشد زیرا بر خلاف فلومترهای مکانیکی از قطعات متحرک استفاده نمی کنند. فلومتر التراسونیک دارای خروجی دیجیتالی می باشد.

انواع فلومترهای التراسونیک از لحاظ قرارگیری روی خطوط لوله:

• فلومتر آلتراسونیک کمربندی (Clamp On)
• فلومتر آلتراسونیک در خط (In Line)

فلومتر التراسونیک (Clamp On)کلمپی :

سنسورها به صورت Clamp On به خط لوله متصل می باشند و برای جلوگیری از اتصال سنسورها به لوله در اثر گذشت زمان، در زیر سنسورها ژل یا گریس استفاده می شود.

فلومتر التراسونیک In Line:

در این حالت فلومتر در مسیر خطوط لوله قرار می گیرد و سنسورها مستقیما در تماس با سیال بوده و دقت اندازه گیری فلومتر بسیار بالاتر می باشد و در حدود  0.75 تا 1 درصد است.

فلومتر التراسونیک (روش جابجایی زمانی) :
اندازه گیری فلو در فلومتر التراسونیک که از تجهیزات اندازه گیری فلو بوده، به روش جابجایی زمانی به شرح زیر می باشد:
فلومتر جابجایی زمانی نوع Z یا Z – factor
فلومتر جابجایی زمانی نوع V یا V –factor

فلومتر جابجایی زمانی نوع Z یا Z – factor

در این روش سنسور ها به صورت Clamp On (کلمپی) به خط لوله متصل می باشند و فرکانس کاری 850 کیلوهرتز تا 1.5 مگا هرتز می باشد. فلومتر اولتراسونیک تفاوت بین زمان عبور پالس های اولتراسونیک را که با جهت جریان ارسال می شوند، را اندازه گیری می کنند. این اختلاف زمانی اندازه گیری شده، متناسب با سرعت متوسط مایع در امتداد مسیر پرتو اولتراسونیک می باشد.

از یکی از سنسورها سیگنالی ارسال می شود و بعد از یک یا دو ثانیه مکث، سنسور دیگر سیگنالی را باز ارسال می کند. اگر زمان رفت سیگنال Tup و زمان برگشت سیگنال Tdown باشد. آنگاه خواهیم داشت:
C – v cos∝ = L/tup
C + v cos∝ = L/tdown
در روابط فوق C سرعت موج التراسونیک داخل سیال، V سرعت حرکت سیال، L فاصله دو سنسور از یکدیگر، ∝ زاویه بین امواج التراسونیک و محور اصلی خط لوله می باشد.
فلومتر جابجایی زمانی نوع Z یا Z – factor برای سیالات تمیز و عاری از هرگونه ذره جامد یا حباب کاربرد دارد. در خطوطی که سایز لوله 4 تا 156 اینچ باشد، می توان از این نوع فلومتر استفاده کرد. اما در خطوط با سایز کمتر از 4 اینچ به دلیل اینکه زمان ارسال امواج کوچک می باشد و نمی توان این زمان را اندازه گیری کرد و غیر قابل کاربرد هستند.

فلومتر جابجایی زمانی نوع V یا V–factor

در این روش سنسورها در یک طرف لوله و به فاصله حدودی قطر لوله از یکدیگر قرار می گیرند. سیگنال های ارسالی از سنسورها پس از برخورد به طرف دیگر مسیر، بازتابیده می شود و توسط سنسور دیگر دریافت می شود.

فلومتر جابجایی زمانی نوع V یا V –factor برای سیالات تمیز و عاری از ذرات کاربرد دارند و برای لوله هایی با سایز 2 تا 4 اینچ مورد استفاده قرار می گیرند.

فلومتر التراسونیک (روش داپلر) :

روش دیگر در اندازه گیری جریان مافوق صوت، استفاده از شیفت داپلر است که در نتیجه انعکاس پرتوی اولتراسونیک از مواد منعکس کننده صوتی مانند ذرات جامد یا حباب های هوای فرو رفته در یک مایع در حال جریان یا تلاطم خود مایع حاصل می شود. سنسور های پیزو الکتریک در یک سمت قرار می‌گیرند و فرکانس کاری مربوط به آن ها 640 کیلوهرتز تا 1 مگاهرتز می باشد. فلومترهای داپلر برای دوغاب، مایعات دارای حباب، گازهایی با ذرات منعکس کننده صدا استفاده می شود. در مواردی مانند سرویس های فاضلاب یا پساب ها به دلیل انفصال و عدم تداوم در موج صوتی از روش داپلر استفاده نمی شود.