جریان سنج فراصوت

دبی‌سنج‌های اولتراسونیک (USD یا UDM) سرعت یک سیال (گاز، مایع) در حال جریان را با کمک امواج صوتی اندازه‌گیری می‌کنند. این تجهیز اندازه‌گیری دبی، طبق استاندارد پایه‌ای DIN 1319،DIN 1319-1:1995-01، مبانی اندازه‌گیری - بخش ۱: مفاهیم پایه، انتشارات Beuth، برلین. از دو بخش تشکیل شده است: حسگر اصلی اندازه‌گیری (سنسور اولتراسونیک) و یک واحد پردازش و تغذیه (ترانسمیتر یا مبدل اندازه‌گیری).

اندازه‌گیری دبی به روش صوتی مزایای متعددی نسبت به سایر روش‌های اندازه‌گیری دارد. این اندازه‌گیری تا حد زیادی مستقل از خواص سیال مورد استفاده مانند رسانایی الکتریکی، چگالی، دما و گرانروی است. عدم وجود قطعات مکانیکی متحرک، نیاز به نگهداری و تعمیرات را کاهش می‌دهد و افت فشار ناشی از تنگ شدن سطح مقطع نیز ایجاد نمی‌شود. یک محدوده اندازه‌گیری بزرگ از دیگر ویژگی‌های مثبت این روش به‌شمار می‌رود. برای اندازه‌گیری جریان به روش صوتی با استفاده از اولتراصوت، دو اصل اندازه‌گیری اصلی در تأسیسات صنعتی به کار می‌رود: روش داپلر اولتراسونیک و روش زمان-گذار اولتراسونیک. روش‌های اندازه‌گیری دبی‌سنجی اولتراسونیک را می‌توان به چهار اصل اندازه‌گیری متفاوت زیر تقسیم کرد:

 روش داپلر 
در اندازه‌گیری اولتراسونیک به روش داپلر، جابجایی فرکانس سیگنال ارسالی که ناشی از سرعت جریان ذرات (ناهمگن) در سیال است، ثبت می‌شود. برای این کار، وجود نقاط بازتاب در سیال (مانند آلودگی، حباب‌های هوا) ضروری است. در لوله‌های نیمه‌پر، علاوه بر سرعت جریان، باید سطح پرشدگی (ارتفاع سیال) نیز برای محاسبه دبی تعیین گردد.

 روش استروبوسکوپی 
روش اندازه‌گیری استروبوسکوپی مشابه روش داپلر با سیگنال‌های صوتی بازتاب‌شده از ذرات متحرک است. در این روش، برخلاف روش داپلر، جابجایی فرکانس سیگنال صوتی ارزیابی نمی‌شود، بلکه زمانی که یک ذره برای طی کردن یک مسافت مشخص در یک مخروط صوتی نیاز دارد، اندازه‌گیری می‌شود. پالس‌های اولتراسونیک با توالی کوتاه و سریع پشت سر هم ارسال می‌شوند (مشابه تصاویر استروبوسکوپی با نور).

 روش رانش (Drift) 
در روش موسوم به رانش (Drift)، یک سیگنال اولتراسونیک پیوسته به صورت عمود بر جهت جریان سیال مورد اندازه‌گیری ارسال می‌شود. توزیع شدت این سیگنال توسط سیال و متناسب با جهت جریان، منحرف می‌شود. از روی توزیع نسبی شدت سیگنال اولتراسونیک بر روی گیرنده‌های مقابل، می‌توان سرعت نسبی جریان را تعیین کرد.

 اندازه‌گیری اختلاف زمان گذار (Transit-Time) 
بندانگشتی| آرایش سنسور |335x335پیکسل
برای این روش اندازه‌گیری، سیال باید تا حد امکان همگن بوده و تنها درصد کمی از مواد جامد را در خود داشته باشد.

به بیان ساده، دو قایق را در نظر بگیرید که یک رودخانه را در یک خط و به صورت مورب طی می‌کنند؛ یکی در جهت جریان و دیگری در خلاف جهت آن. قایقی که هم‌جهت با جریان حرکت می‌کند، برای رسیدن به ساحل مقابل به زمان بسیار کمتری نیاز دارد. امواج اولتراسونیک نیز دقیقاً به همین شکل رفتار می‌کنند. یک موج صوتی در جهت جریان سیال سریع‌تر از موج صوتی‌ای که در خلاف جهت آن حرکت می‌کند، منتشر می‌شود.

زمان‌های گذار به‌طور مداوم اندازه‌گیری می‌شوند. اختلاف زمان گذار بین دو موج اولتراسونیک، مستقیماً با سرعت متوسط جریان متناسب است. حجم دبی در واحد زمان، از حاصل‌ضرب سرعت متوسط جریان در سطح مقطع لوله در محل سنسور به دست می‌آید.

شناسایی یک ماده اندازه‌گیری‌شونده نیز می‌تواند مستقیماً از طریق اندازه‌گیری زمان گذار امواج اولتراسونیک تعیین شود. به عنوان مثال، زمان گذار صوت در آب کوتاه‌تر از زمان گذار آن در نفت گرمایشی است.

 مبانی محاسباتی 
محاسبه سرعت جریان بر اساس روش زمان گذار طبق معادله زیر انجام می‌شود:

در این فرمول:
 v – سرعت متوسط جریان سیال
 t1 – زمان گذار سیگنال اولتراسونیک هم‌جهت با جریان
 t2 – زمان گذار سیگنال اولتراسونیک خلاف جهت جریان
 L – طول مسیر اولتراسونیک
 α – زاویه سیگنال اولتراسونیک نسبت به جریان
اساس کار
دبی‌سنج زمان گذار
دبی‌سنج‌های اولتراسونیک، اختلاف زمان گذار پالس‌های اولتراسونیکی را که در جهت جریان و خلاف جهت آن منتشر می‌شوند، اندازه‌گیری می‌کنند. این اختلاف زمان (TTFM = Transit Time Flow Measurement) معیاری برای سرعت متوسط سیال در طول مسیر پرتو اولتراسونیک است. با استفاده از زمان‌های گذار مطلق  و ، هم سرعت متوسط سیال  و هم سرعت صوت  قابل محاسبه هستند. با استفاده از این دو زمان گذار، فاصله بین مبدل‌های فرستنده و گیرنده  و زاویه تمایل ، و با فرض اینکه صوت هنگام حرکت به سمت بالادست (upstream) در خلاف جهت جریان و هنگام حرکت به سمت پایین‌دست (downstream) هم‌جهت با جریان منتشر می‌شود، می‌توان دو معادله زیر را از تعریف سرعت نوشت:

 و

با جمع و تفریق معادلات بالا، می‌توان  و  را به دست آورد:

 و

که در آن  سرعت متوسط سیال در طول مسیر صوت و  سرعت صوت است.

دبی‌سنج‌های اثر داپلر

روش دیگر در دبی‌سنجی اولتراسونیک، بهره‌گیری از اثر داپلر است. این اثر ناشی از بازتاب یک پرتو اولتراسونیک از مواد بازتاب‌کننده صوت است؛ موادی مانند ذرات جامد یا حباب‌های هوای کشیده شده در یک سیال جاری، و یا خود آشفتگی سیال در صورتی که مایع تمیز باشد.

دبی‌سنج‌های داپلر برای دوغاب‌ها (slurries)، مایعات حاوی حباب، و گازهای دارای ذرات بازتاب‌دهنده صوت استفاده می‌شوند.

این نوع دبی‌سنج می‌تواند برای اندازه‌گیری نرخ جریان خون نیز به کار رود. این کار با عبور دادن یک پرتو اولتراسونیک از بافت‌ها، بازتاب آن از یک صفحه بازتاب‌دهنده، و سپس معکوس کردن جهت پرتو و تکرار اندازه‌گیری انجام می‌شود؛ به این ترتیب حجم جریان خون قابل تخمین است. فرکانس پرتو ارسالی تحت تأثیر حرکت خون در رگ قرار می‌گیرد و با مقایسه فرکانس پرتو بالادست (upstream) با پرتو پایین‌دست (downstream)، می‌توان جریان خون در رگ را اندازه‌گیری کرد. اختلاف بین این دو فرکانس، معیاری از دبی حجمی واقعی است. همچنین می‌توان از یک سنسور با پرتو عریض برای اندازه‌گیری جریان به صورت مستقل از مساحت مقطع رگ خونی استفاده کرد.
 ثبت داده‌های اندازه‌گیری 
بندانگشتی|روش چندکاناله
در دستگاه‌های پردازشگر مدرن، زمان‌های گذار و اختلاف زمان‌های گذار امروزه با پردازشگرهای سیگنال دیجیتال (DSP) تعیین می‌شوند. روش‌های متداول، ارزیابی لبه‌های سیگنال مانند First-Negative و روش همبستگی متقاطع هستند.

 روش چندکاناله 
الکترونیک پردازشگر معمولاً به صورت چندکاناله عمل می‌کند که این امکان را فراهم می‌سازد تا حتی در شرایط دشوار نیز بتواند شرایط واقعی جریان را با اطمینان و دقت بالا ثبت کند.

 اصول روش چندکاناله 
یک دبی‌سنج اولتراسونیک، سرعت دبی را در لوله اندازه‌گیری از طریق دو آرایش سنسور مقابل هم اندازه‌گیری می‌کند. این سنسورها با زاویه‌ای چنان قرار گرفته‌اند که یک سنسور کمی پایین‌دست‌تر از دیگری نصب شده است. سیگنال دبی از طریق اندازه‌گیری متناوب زمان گذار یک سیگنال صوتی از یک سنسور به دیگری به دست می‌آید، با بهره‌گیری از این پدیده که صوت در جهت جریان سریع‌تر از خلاف جهت آن منتقل می‌شود. دبی حجمی از طریق اندازه‌گیری متوالی بین تمام جفت‌سنسورهای موجود در آرایش تعیین می‌شود.
این آرایش تضمین می‌کند که پس از موانع معمول جریان، مانند زانویی لوله در یک یا دو صفحه، تنها به یک مسیر کوتاه مستقیم قبل از دستگاه اندازه‌گیری نیاز باشد. پردازش سیگنال دیجیتال، ارزیابی مداوم اندازه‌گیری دبی را تضمین کرده و حساسیت نسبت به شرایط جریان چندفازی را کاهش می‌دهد و در نتیجه قابلیت اطمینان اندازه‌گیری را به‌طور قابل توجهی افزایش می‌دهد.

 دبی‌سنج‌های گیره‌ای (Clamp-On) 
بندانگشتی
به عنوان یک شکل خاص از اندازه‌گیری دبی با اولتراسونیک، یک آرایش اندازه‌گیری وجود دارد که از بیرون روی لوله نصب می‌شود، نیازی به هیچ‌گونه دخالتی در خود لوله ندارد و بدین ترتیب می‌توان مقدار یا سرعت جریان را تعیین کرد. محدوده کاربرد آن از قطر اسمی DN 5 تا DN 6000 است. به ویژه در قطرهای اسمی بزرگ، این روش Clamp-On یک راه‌حل مقرون‌به‌صرفه است.

مزایای اصلی Clamp-On:
 قابل استفاده برای تمام سیالات همگن در لوله‌هایی که صوت را از خود عبور می‌دهند، حتی لوله‌های دارای پوشش داخلی؛
 کاربردهای شیمیایی یا فرآیندی؛
 محدوده دمای وسیع سیال از ۱۶۰- درجه سانتی‌گراد تا ۶۰۰+ درجه سانتی‌گراد؛
 ایده‌آل برای نصب بر روی سیستم‌های موجود (Retrofitting)؛
 نصب بدون نیاز به توقف فرایند.
 دبی‌سنج‌های Clamp-On ویژه‌ای نیز برای اندازه‌گیری گازها موجود است.

سنسورهای Clamp-On برای اندازه‌گیری دبی در شلنگ‌ها نیز وجود دارند. این روش نیز غیرتهاجمی است و می‌تواند به صورت اختیاری با تشخیص حباب ترکیب شود. برای دستیابی به دقت بهینه اندازه‌گیری، سنسور معمولاً برای جنس خاص شلنگ کالیبره می‌شود.
این سنسورهای Clamp-On به‌طور ویژه در حوزه پزشکی نیز استفاده می‌شوند. به عنوان مثال، هنگام استفاده از دستگاه قلب و ریه که در حین عمل قلب باز وظیفه قلب و ریه را بر عهده می‌گیرد، جریان دقیق خون در سیستم شلنگ‌های مدار خارج از بدن اندازه‌گیری می‌شود. همچنین در کاربردهای ECMO (اکسیژناسیون غشایی برون‌پیکری)، جریان خون به‌طور استاندارد با یک سنسور Clamp-On، اغلب در ترکیب با تشخیص حباب، نظارت می‌شود.

 دبی‌سنج‌های درون‌خطی (In-Line) 
 مقاطع اندازه‌گیری درون‌خطی 
بندانگشتی|دبی‌سنج درون‌خطی
این نوع از دبی‌سنج‌های اولتراسونیک در خط لوله نصب می‌شوند. این دستگاه‌ها می‌توانند در کارخانه کالیبره شوند و به همین دلیل به دقت بسیار بالاتری دست می‌یابند که این دقت در محل نصب نیز حفظ می‌شود. با استفاده از آرایش سنسور چند مسیره می‌توان دقت را باز هم افزایش داد و تأثیر پروفایل جریان نامتقارن را به حداقل رساند.

این سنسورها برای وظایف متعدد کنترل فرایند و کاربردهای تأمین‌کننده در تقریباً تمام شاخه‌های صنعتی مناسب هستند.
مزایای نسخه درون‌خطی عبارتند از:
 اندازه‌گیری دبی کالیبره‌شده برای مایعات رسانا و غیررسانا، مانند حلال‌ها و هیدروکربن‌ها؛
 قابلیت تشخیص عیب (Diagnosis) و پشتیبان‌گیری از داده‌ها برای افزایش کیفیت فرایند؛
 خودنظارتی دائمی مبدل و سنسور؛
 نیاز کمتر به لوله‌کشی مستقیم در بالادست؛ در مدل‌های چهارپرتویی تنها به طول ورودی (۵ برابر قطر لوله) نیاز است؛
 بدون افت فشار؛
 بدون نیاز به تعمیر و نگهداری، فاقد قطعات متحرک.

کاربردهای معمول در زمینه آب و فاضلاب، انرژی و حرارت و در حوزه شیمی قرار دارند.

 اندازه‌گیری‌های نصبی درون‌خطی 
بندانگشتی|اندازه‌گیری نصبی درون‌خطی
علاوه بر نوع مقاطع اندازه‌گیری درون‌خطی، اندازه‌گیری‌های نصبی درون‌خطی نیز وجود دارند که در آن‌ها سنسورها در خطوط لوله موجود نصب می‌شوند. مزایای این روش، قابلیت نصب بر روی سیستم‌های موجود و امکان نگهداری و تعمیر آسان اندازه‌گیری‌هاست. چنین اندازه‌گیری‌هایی به ویژه برای خطوط لوله بزرگتر مناسب هستند، زیرا در این موارد ساخت و حمل‌ونقل مقاطع اندازه‌گیری درون‌خطی دشوار می‌شود. همچنین استفاده در کانال‌های باز، کانال‌ها و رودخانه‌ها با این روش ممکن است؛ در این حالت مبدل‌های