مقدمه ای بر فناوری سنسور جریان فراصوت

سنسورهای جریان فراصوت، راه حل های ابزار دقیق پیشرفته ای برای اندازه گیری نرخ جریان سیال با استفاده از امواج صوتی با فرکانس بالا هستند. این دستگاه های غیر تهاجمی بر اساس اصل انتشار امواج فراصوت از طریق سیالات عمل می کنند و اندازه گیری های حجمی دقیقی را بدون تماس مستقیم با محیط فرآیند ارائه می دهند. این فناوری در صنایع مختلف از جمله تصفیه آب و فاضلاب، نفت و گاز، فرآوری شیمیایی، سیستم های HVAC و تولید مواد غذایی به طور گسترده ای مورد استفاده قرار گرفته است. سنسورهای جریان فراصوت مدرن به دقت هایی تا ±0.5٪ از مقدار خوانده شده دست می یابند و ویژگی هایی مانند اندازه گیری دو جهته، جبران دما و پروتکل های ارتباطی دیجیتال را ارائه می دهند. توانایی آنها در اندازه گیری جریان بدون افت فشار یا سایش مکانیکی، آنها را برای کاربردهایی که به حداقل تعمیر و نگهداری و قابلیت اطمینان بالا نیاز دارند، ایده آل می کند. بازار جهانی سنسورهای جریان فراصوت همچنان در حال گسترش است و این امر ناشی از افزایش تقاضا برای اندازه گیری دقیق، بهینه سازی فرآیند و انطباق با استانداردهای بین المللی است.

اصول عملکرد و مکانیسم های اندازه گیری

سنسورهای جریان فراصوت بر اساس دو اصل اندازه گیری اصلی عمل می کنند: زمان عبور و فناوری اثر داپلر.سنسورهای جریان فراصوت زمان عبور​ اختلاف زمان بین پالس های فراصوت را که با و در خلاف جهت جریان حرکت می کنند، اندازه گیری می کنند. هنگامی که سیال از طریق لوله جریان می یابد، پالس پایین دست سریعتر از پالس بالادست به دلیل سرعت سیال حرکت می کند. اختلاف زمان (Δt) مستقیماً متناسب با سرعت جریان است و از رابطه V ∝ Δt پیروی می کند، که در آن V میانگین سرعت سیال است. این روش دقت بالایی (±0.5٪ تا ±1٪ از مقدار خوانده شده) را ارائه می دهد و برای مایعات تمیز و همگن مانند آب، مواد شیمیایی و روغن ها ایده آل است.سنسورهای جریان فراصوت داپلر​ از اثر داپلر استفاده می کنند، جایی که امواج صوتی از حباب ها، ذرات یا ناپیوستگی ها در سیال منعکس می شوند. تغییر فرکانس موج منعکس شده، سرعت جریان را متناسب با حرکت سیال نشان می دهد. سنسورهای داپلر به دقت متوسطی (±1٪ تا ±5٪ از مقدار خوانده شده) دست می یابند و برای مایعات کثیف، دوغاب ها، فاضلاب و سیالات با هوای محبوس یا حباب ها مناسب هستند. هر دو فناوری از مبدل هایی استفاده می کنند که به عنوان فرستنده و گیرنده عمل می کنند و برای نصب های گیره ای روی قسمت بیرونی لوله نصب می شوند یا برای مدل های درون خطی در دیواره لوله ادغام می شوند.

سناریوهای کاربردی کلیدی در سراسر صنایع

سنسورهای جریان فراصوت نیازهای اندازه گیری حیاتی را در بخش های صنعتی مختلف برطرف می کنند. در صنعت تصفیه آب و فاضلاب, این سنسورها ورودی آب خام، توزیع آب تصفیه شده و جریان فاضلاب را بدون اختلال در عملیات خط لوله نظارت می کنند. طراحی غیر تهاجمی آنها امکان نصب بر روی لوله های موجود را بدون برش یا توقف فرآیند فراهم می کند و آنها را برای سیستم های آب شهری و کاربردهای نظارت بر محیط زیست ایده آل می کند. صنعت نفت و گاز​ از سنسورهای جریان فراصوت برای نظارت بر خط لوله، انتقال امانی هیدروکربن ها و اندازه گیری نفت خام و محصولات پالایش شده استفاده می کند. توانایی آنها در تحمل دما و فشار بالا، همراه با مواد مقاوم در برابر خوردگی مانند تیتانیوم و هستلوی، عملکرد قابل اطمینان را در محیط های سخت تضمین می کند. کارخانه های شیمیایی و پتروشیمی​ از سنسورهای جریان فراصوت برای دسته بندی دقیق، کنترل تغذیه راکتور و نظارت بر مواد شیمیایی خورنده استفاده می کنند. اندازه گیری غیر تماسی، خطرات آلودگی را از بین می برد و دوز دقیق مواد تهاجمی مانند اسیدها و حلال ها را تضمین می کند. صنایع غذایی و دارویی​ از سنسورهای جریان فراصوت بهداشتی با سازگاری با تمیز کردن در محل (CIP) بهره مند می شوند و پردازش استریل را در عین حفظ ثبات دستور غذا در تولید نوشیدنی و تولید دارویی تضمین می کنند. کاربردهای اضافی شامل سیستم های HVAC​ برای بهینه سازی انرژی، نیروگاه ها​ برای نظارت بر آب خنک کننده و عملیات معدن​ برای اندازه گیری جریان دوغاب در محیط های ساینده است.

مزایا و قابلیت های فنی

سنسورهای جریان فراصوت مزایای قابل توجهی نسبت به فناوری های اندازه گیری جریان سنتی ارائه می دهند. مزیت اصلی، نصب غیر تهاجمی, است که امکان نصب گیره ای را بدون اصلاح لوله یا وقفه در فرآیند فراهم می کند. این ویژگی هزینه های نصب را کاهش می دهد و خطر نشت یا آلودگی مرتبط با دستگاه های درون خطی را از بین می برد. این سنسورها دقت بالایی​ (±0.5٪ تا ±1٪ برای مدل های زمان عبور) و تکرارپذیری عالی, را ارائه می دهند و آنها را برای کاربردهای انتقال امانی که دقت اندازه گیری در آن حیاتی است، مناسب می کند. نسبت کاهش گسترده​ (تا 100:1) امکان اندازه گیری دقیق در شرایط جریان متغیر را بدون نیاز به ابزارهای متعدد فراهم می کند. سنسورهای جریان فراصوت دارای هیچ قسمت متحرکی, نیستند که منجر به حداقل نیاز به تعمیر و نگهداری و عمر طولانی در مقایسه با کنتورهای جریان مکانیکی می شود. آنها تحت تأثیر خواص سیال قرار نمی گیرند​ مانند تغییرات چگالی، ویسکوزیته، دما و فشار، و اندازه گیری های پایداری را در شرایط فرآیند پویا ارائه می دهند. قابلیت اندازه گیری دو جهته​ امکان نظارت بر جریان های رو به جلو و معکوس را فراهم می کند، در حالی که پروتکل های ارتباطی دیجیتال​ (HART، PROFIBUS، Modbus) ادغام یکپارچه با سیستم های کنترل و پلتفرم های IoT را برای نظارت و تجزیه و تحلیل داده ها در زمان واقعی امکان پذیر می کند.

ملاحظات پیاده سازی و دستورالعمل های انتخاب

انتخاب سنسور جریان فراصوت مناسب مستلزم ارزیابی دقیق پارامترهای کاربردی است. ویژگی های سیال​ انتخاب فناوری را تعیین می کند - سنسورهای زمان عبور برای مایعات تمیز، سنسورهای داپلر برای سیالات یا دوغاب های کثیف. هدایت، دما و محدوده فشار سیال باید با مشخصات سنسور همسو باشد، با موادی مانند فولاد ضد زنگ 316 برای کاربردهای عمومی و آلیاژهای تخصصی برای محیط های خورنده. پارامترهای لوله​ از جمله قطر، جنس و ضخامت دیواره بر انتقال سیگنال و دقت اندازه گیری تأثیر می گذارد. نصب صحیح به بخش های لوله مستقیم (حداقل 10D بالادست و 5D پایین دست) نیاز دارد تا پروفیل های جریان کاملاً توسعه یافته را تضمین کند و از تلاطم جلوگیری کند. شرایط محیطی​ مانند دمای شدید، طبقه بندی مناطق خطرناک (ATEX، IECEx) و سطوح ارتعاش باید برای عملکرد قابل اطمینان در نظر گرفته شود. سنسورهای گیره ای باید دور از پمپ ها، شیرها و سایر منابع ارتعاش مکانیکی یا تداخل الکترومغناطیسی نصب شوند. الزامات خروجی​ از جمله سیگنال های آنالوگ (4-20 میلی آمپر)، پروتکل های دیجیتال و قابلیت های ارتباط بی سیم باید با معماری سیستم کنترل مطابقت داشته باشد. کالیبراسیون منظم و بررسی های صفر، دقت بلندمدت را حفظ می کند، در حالی که تشخیص های پیشرفته به تخریب عملکرد یا تجمع پوشش هشدار می دهند.

روندهای آینده و پیشرفت های تکنولوژیکی

فناوری سنسور جریان فراصوت همچنان با چندین پیشرفت قابل توجه در حال تکامل است. ادغام IIoT​ ارتباط بی سیم را از طریق پروتکل هایی مانند WirelessHART و LoRaWAN فعال می کند و نظارت در زمان واقعی و تجزیه و تحلیل مبتنی بر ابر را برای نگهداری پیش بینی کننده و بهینه سازی فرآیند تسهیل می کند. سنسورهای هوشمند​ با ریزپردازنده های تعبیه شده، تشخیص های پیشرفته، قابلیت های خود کالیبراسیون و ویژگی های نگهداری پیش بینی کننده را ارائه می دهند و زمان خرابی و هزینه های نگهداری را کاهش می دهند. این دستگاه های هوشمند می توانند ناهنجاری ها را تشخیص دهند، خرابی های احتمالی را پیش بینی کنند و پارامترهای اندازه گیری را بر اساس شرایط فرآیند به طور خودکار تنظیم کنند. مینیاتوری سازی​ از طریق فناوری MEMS سنسورهای جمع و جور و کم مصرفی را تولید می کند که برای کاربردهای محدود به فضا و دستگاه های اندازه گیری جریان قابل حمل مناسب هستند. کنتورهای جریان فراصوت قابل حمل با عمر باتری طولانی و اتصال بی سیم، انعطاف پذیری را برای نصب های موقت و عیب یابی میدانی فراهم می کنند. اندازه گیری چند متغیره​ قابلیت ها به سنسورهای منفرد اجازه می دهد تا جریان، دما و فشار را به طور همزمان اندازه گیری کنند و پیچیدگی سیستم و هزینه های نصب را کاهش دهند. الگوریتم های پردازش سیگنال پیشرفته دقت را در شرایط چالش برانگیز بهبود می بخشند، در حالی که تشخیص های مبتنی بر هوش مصنوعی، تجمع پوشش یا تخریب عملکرد را قبل از وقوع خرابی ها تشخیص می دهند. همگرایی این فناوری ها با اکوسیستم های صنعت 4.0، سنسورهای جریان فراصوت را بیشتر در عملیات صنعتی خودکار و پایدار تعبیه می کند و نقش آنها را در تولید هوشمند و ابتکارات بهینه سازی فرآیند افزایش می دهد.

-Endress+Hauser

-ALLEN BRADLEY 

-YOKOGAWA 

-MTL

-P+F

-محصولات بیشتر