ابزار دقیق و سنسورینگ, اتوماسیون صنعتی

اندازه گیری جریان سیالات در صنعت، 12

Flow Measurement

6.اندازه ­گیری جریان به کمک شاخص سرعت سیال (ادامه)

4.6.اندازه­ گیری جریان سیال به کمک امواج فرا صوتی

امواج ماوراءصوت یا امواج فراصوت شامل امواجی می ­شود که از محدوده­ فرکانس قابل شنیدن بشر (18KHz) بیش تر است. و این در حالی است که در کاربرد ویژه­ اندازه­ گیری جریان، حتی امواجی با فرکانس فراصوتی در حد مگاهرتز نیز استفاده می ­شود. برای مثال در اندازه­ گیری جریان گازها از امواج صوتی با فرکانس  100KHzو در اندازه ­گیری جریان مایعات از امواج صوتی با فرکانس چند مگاهرتز استفاده شده است.

اندازه­ گیری جریان سیال
شکل10.6. سرعت صوت در هادی­ های مختلف صوتی

دستگاه ­های اندازه ­گیری جریان سیال مبتنی بر امواج فراصوتی از نظر ساختمان شامل نمونه ­های متعددی می ­شود و عبارت فراصوتی برای تمام این دستگاه ­ها، بیان­گر یگانگی کامل فناوری به­ کار برده شده و هم­سانی در نحوه­ عمل­کرد این دستگاه ­ها نخواهد بود. اما آن­چه مسلم است، تمام این دستگاه ­ها و روش ­ها را می ­توان در دو دسته­ کلی تقسیم بندی نمود:

1.4.6.دستگاه­ های اندازه ­گیری فراصوتی مبتنی بر «اثر داپلر»[1]
2.4.6. دستگاه ­های اندازه­ گیری فراصوتی مبتنی بر «اصل اختلاف زمان گذر»[2]

با تشریح دو روش بیان شده، ملاحظه خواهد شد که اصول و شرایط اندازه ­گیری در دو روش فوق، تاحدودی با هم متفاوت است.

1.4.6.دستگاه­ های اندازه ­گیری فراصوتی مبتنی بر «اثر داپلر»

پدیده­ داپلر این اصل بیان می ­دارد زمانی­ که یک جسم محرک به­ عنوان هدف به یک ناظر نزدیک می ­شود دارای صدای بم و زمانی­ که در جهت مخالف و از هدف دور می شود دارای صدای زیر است (مبنای مقایسه­ صدا در این­جا بروز تغییرات در فرکانس صوتی است).
در اندازه ­گیری جریان سیال به کمک این پدیده­ فیریکی، تعداد و ابعاد ذرات موجود در سیال نیز نقش پیدا می­ کنند. به­ طوری­که، اندازه ­گیری به این روش امکان­ پذیر نخواهد بود مگر آن­که سیال دارای ذرات معلق و یا حباب هوا باشد. با برخورد امواج فراصوتی به ذرات معلق فوق، فرکانسِ امواجِ بازگشت داده شده نسبت به امواج ارسال شده­ اولیه دارای تفاوت خواهد بود. کاهش یا افزایش فرکانس بستگی به فاصله­ منبع صوت (فرستنده[3]) با ذره و فاصله­ گیرنده­ صوت[4] با ذره دارد؛ به­ طوری­که در رفت و برگشت امواج فوق، محل فیزیکی ذره تغییر پیدا کرده است.

اندازه­ گیری جریان سیال
شکل 11.6. اصول کار اندازه ­گیری جریان
به­ روش فراصوتی مبتنی بر «اثر داپلر»
f = f1 – f2

اصول کار:
رابطه­ طول موج (λ) با فرکانس ارسالی (f1):

λ = c / f1

که در آن c سرعت صوت است.

با در نظر داشتن α به ­عنوان زاویه­ امواج ارسالی و برگشتی (که خود به موقعیت ذره و نحوه­ بازتاب امواج بستگی دارد)، آن­گاه و به ­طور کلی vp سرعت سیال بر مبنای طول موج برگشتی، این­گونه محاسبه خواهد شد:

λp = ( c – vp . Cos α ) / f1

برای مثال:

λ2 = ( c – v2 . Cos α ) / f1

برای مقادیر vp<<c که احتمال آن هم به راحتی متصور و محتمل است، داریم:

f2 = f1.c / ( c – 2vp . Cos α )

و به ­این ترتیب با اندازه ­گیری اختلاف فرکانس رفت و برگشت، سرعت ذرات عبوری (و در نتیجه سرعت سیال) قابل اندازه ­گیری خواهد بود:

f2 – f1 = ∆f = 2vp . f1. Cos α / c

پس با داشتن اختلاف فرکانس، امکان محاسبه­ سرعت سیال یا در حقیقت میزان سیال عبوری فراهم خواهد شد. چون:

Q = K.∆f

که در آن میزان K در یک اندازه ­گیری خاص، عددی ثابت بوده و بیش از هر چیز، به عواملی هم­چون زاویه­ انتشار و بازتاب موج و موقعیت قرار گرفتن ذرات معلق در سیال بستگی دارد.

محدودیت­ های روش داپلر:

  • سیال مورد اندازه ­گیری باید به ­اندازه­ کافی دارای ذرات معلق باشد.
  • ذرات باید به ­اندازه­ کافی بزرگ باشند تا امکان برگرداندن موج را ایجاد کنند.
  • ایجاد شده در اثر سرعت سیال می ­تواند به طور مخرب و نامطلوب، روی اندازه ­گیری تأثیرگذار باشد.
  • سرعت ذرات معمولاً با میانگین سرعت سیال متفاوت است، از این رو ممکن است تاحدودی در اندازه ­گیری ایجاد خطا کند.
  • بسته به نوع پروفایل جریان، اندازه­ گیری جریان با دقت­ های متفاوت امکان­ پذیر خواهد بود.
  • نیاز به ادواتی جهت آرام­ سازی سیال می ­باشد.

2.4.6.دستگاه ­های اندازه ­گیری فراصوتی مبتنی بر «اصل اختلاف زمان گذر»

اساس این روش متناسب است با میزان نفوذ امواج فراصوتی ارسالی در سیال که این نفوذ خود به سرعت سیال و جهت ارسال امواج بستگی دارد. به بیانی، امواجی که در جهت جریان سیال ارسال می ­گردند در مقایسه با امواج ارسالی در جهت مخالف جریان سیال، به مراتب انرژی کم­تری نیاز دارند.

اندازه­ گیری جریان سیال
شکل 12.6. دستگاه اندازه ­گیری جریان فراصوتی مبتنی بر اصل اختلاف زمان (از سمت راست)الف : چگونگی چیدمان حسگرها مقابل هم – ب : نمایش یک آشکارساز

حسگر­های تعبیه شده روی لوله به ­طور پیوسته و هم­زمان امواج فراصوتی را به طرف حسگر مقابل ارسال نموده و امواج ارسالی را از حسگر مقابل دریافت می­ کنند. زمانی­که میزان جریان سیال صفر است، هر دو حسگر در زمان یکسان و بدون اختلاف زمان امواج ارسالی را دریافت می­کنند. اما زمانی­ که سیال دارای جریان باشد، چون یکی از امواج در جهت حرکت سیال حرکت می ­کند و موج دیگر در جهت مخالف آن، دو موج فوق با اختلاف زمانی متناسب با سرعت سیال و فاصله بین حسگرها به گیرنده­ مقابل می ­رسند. فاصله بین دو حسگر مشخص و ثابت است، از این رو می ­توان مدعی شد اختلاف زمان محاسبه شده صرفاً متناسب است با سرعت سیال.

اصول کار:

با مراجعه به شکل 12.6-الف، زمان عبور موج از حسگر A به حسگر  B:

و همین­ طور، زمان عبور موج از حسگر B به حسگر  A:

در نتیجه، اختلاف زمان ارسال و دریافت امواج این ­گونه محاسبه خواهد شد:

که در آن: D قطر لوله، v سرعت سیال و α زاویه­ ارسال امواج فراصوتی یا همان زاویه­ قرار گرفتن حسگر روی لوله است.
با داشتن سطح مقطع لوله (A) میزان جریان سیال این­گونه محاسبه خواهد شد:

q = v . A = v . π . D2 / 4

یا:

تقسیم بندی­ های گوناگون روش اندازه ­گیری جریان سیال به کمک امواج فراصوتی:

ضمن بیان این­که روش­ های اندازه ­گیری فراصوتی دارای کاربرد در اندازه ­گیری جریان سیال با دمای 200- تا 500+ درجه­ سلیسیوس است، این­ گونه دستگاه ­ها به چهار روش دسته­ بندی می ­شوند:

  1. از نظر جنس یا نوع سیال مورد اندازه ­گیری (مایع یا گاز)،
  2. از نظر تعداد کانال، تعداد پرتوها[5] یا تعداد آشکارسازهای  اندازه ­گیری،
  3. از نظر پیکربندی یا نحوه­ چیدمان آشکارساز (پرتوها)،
  4. از نظر ساختمان دستگاه و نحوه­ قرار دادن آن روی لوله:
  5.  کمربندی یا دستگاه اندازه ­گیری خشک
  6. In Line یا دستگاه اندازه ­گیری تر (حسگرها به نحوی با سیال در تماس هستند)

بیشترین کاربرد روش­ های فراصوتی در اندازه ­گیری جریان مایعات و به ویژه اندازه ­گیری جریان سیال به قصد فروش است، اما این فناوری در اندازه ­گیری جریان گازها نیز کاربرد دارد. از نظر ساختمان دستگاه، متناسب با کاربرد آن و این­که دستگاه فوق در اندازه ­گیری های موقت استفاده می ­شود یا اندازه ­گیری دایم، ممکن است ساختمان دستگاه ­های انتخاب شده با هم متفاوت باشند. در اندازه ­گیری ­های موقت از نوع کمربندی[6] استفاده خواهد شد که معمولاً دستگاه تنها دو حسگر خواهد داشت و حسگرها در هر اندازه ­گیری در محل مربوطه روی لوله قرار خواهند گرفت.

بدیهی است این دستگاه ­ها دارای دقت بسیار بالایی نخواهند بود. اما در اندازه ­گیری ­های دایم، تعداد حسگرها و متناسب با آن تعداد پرتوها بسیار بالاتر خواهد بود و چون اندازه ­گیری دایم است دستگاه نیز به حالت کمربندی نبوده و برای نصب دایم طراحی شده است. در ادامه خواهیم پرداخت به تقسیم ­بندی دستگاه از نظر تعداد و چگونگی چیدمان حسگر­ها که فقط در دستگاه ­های با کاربرد دایم موضوعیت پیدا می ­کند. به ­طور کلی این­ گونه دستگاه ­ها به سه دسته تقسیم می ­شوند:

  1. دستگاه ­های تک پرتو
  2. دستگاه­ های دو پرتو
  3. دستگاه­ های با تعداد پرتوهای متعدد[7]

ارتباط بین هر فرستنده و گیرنده توسط یک دسته پرتو برقرار می­ شود. با توجه به انواع متفاوت پروفایل سیال داخل لوله، به نظر می رسد نمی ­توان برای هر نوع اندازه ­گیری تنها یک نسخه پیچید و از یک نوع چیدمان یا یک معماری برای ساخت دستگاه اندازه ­گیری استفاده نمود. در ادامه بحث سه تقسیم بندی بالا تشریح می ­شود:
دستگاه­ های اندازه ­گیری با یک پرتو- در این نوع چیدمان، حسگرهای A و B به صورت قرینه در دو طرف لوله قرار گرفته و سرعت متوسط سیال توسط این دو اندازه­ گیری می­ شود. برای داشتن دقت قابل قبول، لازم است دو حسگر به طور کاملاً قرینه مقابل هم قرار گرفته و سیال دارای پروفایل قابل قبول و بدون اعوجاج باشد.

اندازه­ گیری جریان سیال
شکل 13.6. دستگاه اندازه­ گیری جریان سیال با یک دسته پرتو

اما چون امکان نصب دو حسگر به ­طور کاملاً متقارن باعث بروز خطا خواهد شد، از طرفی وجود اعوجاج و اغتشاش در پروفایل سیال نیز اجتناب ناپذیر است، برای جبران و کاهش خطا به جای یک دسته پرتو از دو دسته پرتو استفاده می­ شود.

دستگاه ­های اندازه ­گیری با دو پرتو- در این حالت میانگین حسابی مقدار خوانده شده توسط دو حسگر محاسبه و در خروجی دستگاه قرار می­ گیرد.

اندازه­ گیری جریان سیال
شکل 14.6. دستگاه اندازه ­گیری جریان سیال با دو دسته پرتو

چنان­چه در انتخاب محل نصب حسگرها دقت لازم داشته باشیم می ­توان مدعی شد تا حدودی دقت و صحت مورد نظر در اندازه ­گیری حاصل شده است. اما با توجه به شکل، می ­توان به این نکته اشاره داشت که در اغلب اندازه گیری­ ها خروجی هر دو حسگر تقریباً با هم معادل است و این امر به لحاظ موقعیت جاگیری کاملاً قرینه­ حسگرها است.
از طرف دیگر، پروفایل جریان سیال داخل لوله همواره به صورت ملایم و بدون تلاطم نیست، از این رو به نظر می ­رسد استفاده از این نوع چیدمان و معماری حسگرها همیشه موفقیت ­آمیز نخواهد بود. شاید یکی از راه­ های مقابله با این نقص، افزایش تعداد دسته­ های پرتو باشد.

اندازه­ گیری جریان سیال
شکل 15.6. دستگاه اندازه ­گیری جریان سیال با تعداد پرتوهای متعدد

دستگاه ­های اندازه ­گیری با تعداد پرتوهای متعدد– می­ دانیم در کاربردهای اندازه ­گیری جریان سیال به قصد فروش، دقت و صحت بالاتری مورد نیاز کاربر است. با اضافه کردن تعداد حسگرها به 10 یا بیش تر (معادل پنج پرتو یا بیش تر) به ­طور موازی تمام زوایای پروفایل سیال با دقت قابل قبول دیده شده و در نهایت سرعت سیال که با محاسبه­ میانگین حسابی از تعداد ارقام به­ دست خواهد آمد، قابل قبول­ تر است. هم­چنین با نصب شکل دهنده­ جریان[8] قبل از دستگاه اندازه­ گیری و کاهش تلاطم سیال در لوله، تا حدودی دقت و صحت دستگاه اندازه­ گیری جبران می ­شود.

اندازه­ گیری جریان سیال
شکل 16.6. دستگاه اندازه ­گیری جریان سیال با تعداد پرتوهای متعدد

سؤال: آیا هرچه تعداد پرتوها بیش تر باشد، صحت و دقت اندازه ­گیری نیز ارتقاء می­ یابد؟
متناسب با این­که کدام سازنده بخواهد دستگاه خود را برای فروش تبلیغ کند، این سؤال پاسخ­ های گوناگونی می ­تواند داشته باشد:

  1. برخی سازندگان که فناوری ساخت دستگاه اندازه­ گیری با تعداد زیادی آشکارساز یا پرتو را به ­کار می­ برند پاسخ می­ دهند هر چه تعداد پرتوها بیش تر باشد، دقت دستگاه نیز بالاتر خواهد بود.
  2. در مقابل رقبای این سازندگان مدعی هستند که تعداد زیادی از این پرتوها یکدیگر را هم­ پوشانی کرده و در عمل تعداد بهینه (هم از نظر دقت و هم با لحاظ کردن عوامل اقتصادی) برای مثال تعداد پنج پرتو است.

از این رو، کاربر باید هنگام انتخاب دستگاه تمام جوانب را در نظر داشته باشد.

اندازه­ گیری جریان سیال
شکل 17.6. دستگاه اندازه­ گیری جریان سیال با تعداد پرتوهای متعدد

مزایای دستگاه­ های اندازه ­گیری فراصوتی
صرف نظر از دست­ه بندی­ های انجام شده از نظر ساخت این نوع دستگاه ­ها، به طور کلی مزایای زیر منسوب به این نوع دستگاه ­ها است:

  • دارای تأییدیه­ مؤسسات معتبر بین ­المللی از جمله OIML، METRO، NPD، NMI، PTB و API Aproval جهت استفاده از این نوع دستگاه، به ویژه در اندازه ­گیری جریان سیال به قصد فروش
  • دقت بالا (0/15% ±)
  • قابلیت اطمینان بسیار خوب
  • دسترسی و قابلیت نصب دستگاه در تمام اندازه ­ها
  • قابلیت اندازه­ گیری دوجهته سیالات (در کاربردهای خاص)
  • سادگی نصب
  • هزینه­ کم تعمیرات و عدم نیاز به قطعات یدکی متنوع و متعدد
  • قابلیت اندازه ­گیری با دقت بسیار بالا در جریانات کم (عملاً دارای Turn Down معادل 100:1، یعنی جریانات بیشتر از 1% را با دقت قابل قبول اندازه­ گیری می­ کند).

معایب دستگاه ­های اندازه ­گیری فراصوتی

  • تغییر احتمالی رژیم سیال از دقت اندازه ­گیری می ­کاهد، از این رو نیاز به حالت دهنده­ جریان در ورودی دستگاه می ­باشد.
  • در اندازه­ گیری سیالات دوغابی و کثیف نوع مبتنی بر اصل اختلاف زمان گذر کاربرد ندارد.
  • قیمت دستگاه نسبتاً گران است.
  • اندازه­ 4 اینچ یا کوچک­ تر از این نوع دستگاه در دسترس نمی ­باشد.

«ادامه دارد»
قسمت قبلی

پی نویس:

[1] . Doppler Method
[2] . Transit Time Differential Method (Time-of-flight)
[3] . Emitter
[4] . Reciever
[5] . Beam
[6] . Clamp-On
[7] . Multi Beam
[8] . Straightener

برای امتیاز به این نوشته کلیک کنید!
[کل: 0 میانگین: 0]

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *