فهم عدادات التدفق بالموجات فوق الصوتية ومبدأ عملها في قياس تدفق المياه

يتضمن قياس معدل التدفق تحديد كمية السوائل التي تمر عبر مساحة سطح محددة للسفينة في وقت معين. مثل جميع أشكال القياسات ، فإنه يحتوي على تطبيقات الحياة اليومية التي تتراوح من استخدامه في مراقبة استهلاك المياه والغاز لتقدير الفاتورة إلى التطبيقات الصناعية الأكثر أهمية (مثل الخلط على نطاق واسع للمواد الكيميائية المتعددة) حيث يلعب قياس معدل التدفق دورًا رئيسيًا في الحفاظ على جودة العملية / المنتج.

لتحديد معدل التدفق ، يتم استخدام أنواع خاصة من العدادات يشار إليها باسم عدادات التدفق. هناك العديد من الأنواع المختلفة من أجهزة قياس التدفق ، وذلك بسبب المتطلبات المتنوعة في قياس التدفق (الخطي / غير الخطي ، معدل الكتلة / الحجم ، إلخ). تختلف العدادات عن بعضها البعض بناءً على عوامل مختلفة بما في ذلك ؛ تقنية القياس التي يطبقونها ، ومعلمات التدفق المحددة التي يراقبونها ، وحجم السائل الذي يمكنهم تتبعه ، وخصائصهم الفيزيائية على سبيل المثال لا الحصر. YFS201 هو مستشعر شائع لتدفق المياه ، استخدمناه سابقًا لقياس تدفق المياه باستخدام Arduino ومعدل التدفق المحسوب وحجم المشتت.

تتضمن بعض أنواع / فئات عدادات التدفق ؛ التوربينات ، الدوامة ، الكتلة الحرارية ، المغناطيسية ، الترس البيضاوي ، عجلة التجديف ، كوريوليس ، مقياس التدفق الكتلي ، التدفق المنخفض ، وعدادات التدفق فوق الصوتية والتي هي محور هذه المقالة. توفر عدادات التدفق بالموجات فوق الصوتية وسيلة غير جراحية وموثوقة للغاية لتحديد كمية السوائل التي تتدفق عبر الوعاء ، وقد وجدت تطبيقات في مختلف الصناعات من النفط والغاز إلى موفري المرافق.

في هذه المقالة ، سننظر في كل شيء حول مقياس التدفق فوق الصوتي ، وكيف يعمل ، ومزايا وعيوب.

مقياس التدفق فوق الصوتي

كما يوحي الاسم ، مقياس التدفق فوق الصوتي ، أحد مقاييس التدفق المستخدمة على نطاق واسع ، هو جهاز غير تدخلي يحسب تدفق حجم السائل عن طريق قياس سرعته باستخدام الموجات فوق الصوتية. يمكنه قياس تدفق السوائل في أي سائل تقريبًا يمكن أن تنتقل إليه الموجات الصوتية. يعتبر هذا النوع من مقياس التدفق عادةً "هجينًا" حيث يمكنه استخدام مبدأ دوبلر أو طريقة وقت العبور لقياس التدفق ، وسوف نناقش كلا المبدأين لاحقًا في هذه المقالة. لاحظ أن مقاييس التدفق هذه تسمى أيضًا مقياس تدفق دوبلر إذا كانت تعمل باستخدام مبدأ دوبلر.

تعد مقاييس التدفق بالموجات فوق الصوتية مثالية لتطبيقات المياه حيث يتطلب انخفاض الضغط المنخفض والصيانة المنخفضة والتوافق الكيميائي. لن تعمل بشكل عام مع مياه الشرب أو الماء المقطر ولكنها مناسبة لتطبيقات المياه العادمة أو السوائل القذرة الموصلة. يتم استخدامها مع السوائل الكاشطة والمسببة للتآكل لأنها لا تعيق تدفق السائل عبر خطوط الأنابيب.

مبدأ العمل لمقياس التدفق فوق الصوتي

تستخدم مقاييس التدفق فوق الصوتي مبادئ الصدى والتباين في سرعة الصوت عبر الوسائط المختلفة لقياس التدفق. تحتوي العدادات عادةً على محولين طاقة فوق صوتيين يعمل أحدهما كمرسل والآخر كمستقبل. يمكن تركيب المحولين إما جنبًا إلى جنب أو بزاوية من بعضهما البعض على جانبي الوعاء المتقابل. يصدر محول الطاقة المرسل نبضات صوتية من سطح المستشعر إلى السائل ويتم استقبالها بواسطة محول الطاقة المعين كمستقبل. ثم يتم تقدير الوقت الذي تستغرقه نبضة الصوت للانتقال من المرسل إلى المستقبل ، والمعروف باسم وقت العبور ، واستخدامها في تحديد معدل التدفق والمعلمات الأخرى.

بالنسبة للتكوين الثاني ، مع وضع جهاز الإرسال والاستقبال جنبًا إلى جنب ، يرسل جهاز الإرسال نبضة الصوت بينما يراقب جهاز الاستقبال الوقت الذي يستغرقه لاستقبال صدى الإرسال.

بغض النظر عن تكوين المستشعر ، فإن القياس بفارق وقت العبور يعتمد على حقيقة أن ؛ تنتشر الموجات الصوتية في اتجاه تدفق الوسط بسرعة أكبر من انتشار الموجات عكس اتجاه تدفق الوسط. وبالتالي ، فإن الاختلاف في وقت العبور يتناسب طرديًا مع سرعة تدفق الوسيط ويستخدم هذا المبدأ لقياس حجم الغازات والسوائل بدقة وأيضًا لاشتقاق الكثافة واللزوجة.

في حين أن الطريقتين المذكورتين أعلاه هما الأكثر استخدامًا ، تستخدم مقاييس التدفق بالموجات فوق الصوتية المختلفة نسخة معدلة من ذلك ، بناءً على نوع السائل والقياس الذي يتعين القيام به. توضح صورة عداد المياه بالموجات فوق الصوتية أدناه كيفية وضع محولات الطاقة في المنبع والمصب داخل أنبوب استشعار جنبًا إلى جنب مع بعض العاكسات لتصميم عداد تدفق المياه. يتم عرض إعداد الأجهزة الفعلي لنفسه أيضًا مع وضع علامة على كلا المحولين.

حساب معدل التدفق باستخدام مجسات التدفق بالموجات فوق الصوتية

للحصول على فهم أوضح للجوانب الفنية الكامنة وراء ذلك ، ضع في اعتبارك الصورة أدناه التي تتميز بالتكوين الأول مع محولات الطاقة المرسلة (TA) والمستقبل (TB) المثبتة بزاوية متقابلة ؛

دع الوقت الذي تستغرقه الموجة الصوتية للانتقال من جهاز الإرسال إلى جهاز الاستقبال ، أي في اتجاه تدفق الوسط يكون T _{A B} ، والوقت الذي يستغرقه الانتقال من محول الطاقة المستقبل إلى محول الطاقة المرسل ، هذا عكس اتجاه التدفق T _{B –A}.

يتناسب الاختلاف في أوقات العبور بشكل مباشر مع متوسط ​​سرعة التدفق ، v _m للوسيط أي ؛

T _{B –A} - T _{A –B} = v _m ------------- المعادلة 1

نظرًا لأن وقت عبور الإشارة هو المسافة بين محول الطاقة المرسل وجهاز الإرسال المستقبل مقسومًا على السرعة التي تحتاجها الإشارة الصوتية للانتقال من محول إلى آخر لدينا

T _{A –B} = L / (C _AB + v * cosα) -------------- المعادلة 2

و

T _{B –A} = L / (C _BA - v * cos α) --------------- المعادلة 3

تحدد المعادلتان 2 و 3 معدل التدفق بين محول الطاقة A المنبع والمحول B في اتجاه التيار. أين؛

v = سرعة تدفق الوسط ، L = طول المسار الصوتي ، c = سرعة الصوت في الوسط ، و alpha "α" هي الزاوية إلى الأنبوب التي ينتقل فيها الصوت فوق الصوتي من المرسل إلى المستقبل.

بافتراض أن سرعة الصوت في الوسط ثابتة (أي لا يوجد تغيير في المعلمات مثل كثافة السائل ودرجة الحرارة وما إلى ذلك) لدينا ؛

(L / (2 * cos)) * (T _{B – A} - T _{A – B}) / (T _{B – A} x T _{A – B})

بضرب متوسط ​​السرعة في مساحة المقطع العرضي للأنبوب ، نحصل على معدل التدفق ، Q as ؛

Q = (π * D ³) / (4 * sin 2α) * (T _{B – A} - T _{A – B}) / (T _{B – A} x T _{A – B})

مساحة المقطع العرضي للأنبوب ثابتة بالنسبة لمقياس التدفق بالموجات فوق الصوتية المضمن مع القطر د.

تنفيذ هذه المعادلات بدون متغيرات مثل الكثافة ودرجة الحرارة والضغط وسرعة الصوت وغيرها من الخصائص المحددة للوسائط / السوائل ، يوضح الأسباب وراء براعة ودقة عدادات التدفق فوق الصوتي.

مزايا / أهمية عدادات الموجات فوق الصوتية

لديها مزايا كبيرة من تدفق متر فوق الصوتية لأكون لهم طبيعة غير الغازية ولهم القدرة على العمل مع أي نوع من السوائل (منذ كثافة وسرعة الصوت في السوائل لا يهم). يتم نقل المواد المتنوعة (بما في ذلك المواد الكيميائية والمذيبات والزيوت وما إلى ذلك) ذات الخصائص المختلفة وتوزيعها بواسطة أنظمة الأنابيب كل يوم مع الحاجة إلى مراقبة تدفقها. الطبيعة غير الغازية لمقاييس التدفق بالموجات فوق الصوتية تجعلها مقياس الانتقال في مواقف مثل هذه. هذا هو السبب في أنهم يجدون تطبيقات في مختلف القطاعات الصناعية ، من الصناعات المتعلقة بالمواد الكيميائية إلى معالجة الأغذية ومعالجة المياه وقطاع النفط والغاز.

سلبيات

يجب أن يكون العيب الرئيسي لمقاييس التدفق فوق الصوتي هو سعرها. نظرًا لتعقيد تصميمها ، عادةً ما تكون عدادات التدفق فوق الصوتية أغلى من العدادات الميكانيكية أو أنواع أخرى من العدادات ، لأنها تتطلب المزيد من الجهود والمكونات ،

إلى جانب تعقيد التصميم والتكلفة ، تتطلب مقاييس التدفق بالموجات فوق الصوتية أيضًا مستوى من الخبرة في التركيب / المناولة مقارنة بمعظم أنواع العدادات الأخرى.

أعلى أجهزة قياس التدفق بالموجات فوق الصوتية في السوق

بينما من المتوقع أن يصل سوق مقياس التدفق فوق الصوتي العالمي إلى 2 مليار دولار أمريكي بحلول عام 2024 ، فقد شهد السوق نموًا قويًا في السنوات القليلة الماضية ، وذلك بفضل تطبيقاته في العديد من الصناعات اليوم وإدخال بعض المتغيرات المحسنة حديثًا. طور العديد من الشركات المصنعة عدادات التدفق بالموجات فوق الصوتية بتقنية متقدمة لتحسين دقة القياس. نظرًا لأن هذا العداد يلبي الحلول الخاصة بالصناعة ، فمن المتوقع أن تقود التطورات الأخيرة السوق خلال فترات التنبؤ. تشمل أجهزة قياس التدفق بالموجات فوق الصوتية الأعلى في السوق ما يلي:

أجهزة قياس التدفق بالموجات فوق الصوتية ذات الرؤية الصوتية: الرؤية الصوتية ، أحد أفضل الحلول لقياس تدفقات السائل المنخفضة تعمل على مبدأ وقت العبور. المحولات ليست على اتصال مع الوسيط ولا توجد أجزاء متحركة مستخدمة داخل الأجهزة. الميزات التي لا تضاهى مثل تكاليف الملكية المنخفضة ، وسنوات من التشغيل الخالي من الصيانة ، ومحولات الطاقة المحمية ، ودورة طويلة من العداد القوي وطبيعته غير الحساسة ضد قمم الضغط والجزيئات ، كلها تساهم في سبب كون مقياس التدفق فوق الصوتي ذو الرؤية الصوتية أحد أهم أفضل الحلول في سوق العدادات.

عدادات المياه بالموجات فوق الصوتية Shmeters: في ظل ظروف تدفق الأنابيب المختلفة ، فإن عداد المياه بالموجات فوق الصوتية هذا للأغراض الصناعية والتجارية قادر على تمييز قياسات قسم التصميم بأعلى دقة قياس ممكنة. المقياس يعمل بالبطارية ويمكن أن يعمل دون انقطاع لمدة 10 سنوات ببطارية واحدة فقط ؛ استهلاكها للطاقة أقل من 0.5 ميجا واط. يمكن أن تستمر في العمل لفترة طويلة دون أن تتأثر بالتداخل المغناطيسي. وفي الوقت نفسه ، فهي موثوقة وحساسة للغاية ، ويمكن اكتشاف سرعة تدفق منخفضة تصل إلى 0.002 متر / ثانية بسرعة.

أجهزة قياس التدفق بالموجات فوق الصوتية Sitrans FS: إنها توفر أداءً رائعًا لمجموعة متنوعة من الغازات والسوائل لأنها يمكن أن تعمل بشكل مستقل عن درجة الحرارة واللزوجة والتوصيل والضغط والكثافة وفي ظل أصعب الظروف. يفتخر Sitrans FS220 بأنه الحل الأفضل في فئته لإجراءات التدفق المباشر حيث يبدو أن إمكانياته لا حصر لها.

في التطبيقات الخاصة بالمستهلكين على وجه الخصوص ، يتم تحسين عدادات الموجات فوق الصوتية من خلال تقنيات مثل LoRa التي تسمح للسلطات البلدية والسلطات ذات الصلة بمراقبة أشياء مثل استهلاك الغاز والمياه عن بُعد. تتيح طبيعة الطاقة المنخفضة لوسط الاتصال أن تدوم هذه العدادات لأكثر من 5 سنوات على شحنة بطارية واحدة ، أكثر بكثير مما يمكن تحقيقه باستخدام العدادات الميكانيكية.