فلومتر التراسونیک

موج التراسوند (Ultrasound) یا فراصوت به طیفی از امواج مکانیکی صوتی گفته می شود که دارای فرکانس بالاتر از 20 کیلو هرتز می باشند. لازم به ذکر است که فرکانس صوت قابل شنوایی برای انسان بین 20 هرتز تا 20 کیلوهرتز است. امروزه امواج فراصوت یا التراسوند کاربرد بسیار گسترده ای در حوزه های مختلف صنعتی، تحقیقاتی و پزشکی دارند که به طور مثال می توان به تصویربرداری های غیر مخرب پزشکی، تشخیص وجود اجسام و تعیین فاصله اشاره نمود.

فلومترهای التراسونیک در ساختار خود دارای تعداد محدودی فرستنده (ترانسمیتر) و گیرنده (ریسیور) موج التراسوند هستند و با ارسال و دریافت این موج و آنالیز زمان حرکت و فرکانس امواج، میزان فلوی سیال موجود در یک مسیر بسته را اندازه گیری می کنند.

دو روش متداول برای اندازه  گیری فلو با استفاده از موج التراسونیک وجود دارد. روش اول مبتنی بر پدیده داپلر و اندازه گیری فرکانس موج، و روش دوم مبتنی بر اندازه گیری زمان ارسال و دریافت موج است.

فلومتر التراسونیک داپلر

کریستین داپلر برای اولین بار موفق به اثبات تاثیر حرکت منبع صوت بر فرکانس صوت شد. مطابق قانون داپلر زمانی که یک منبع متحرک صوت از مقابل یک گیرنده ساکن عبور کند، فرکانس صوتِ دریافتی توسط گیرنده متغیر خواهد بود. به صورتی که همزمان با نزدیک شدن منبع صوت به گیرنده، فرکانس صوتِ دریافتی افزایش می یابد و با دور شدن منبع صوت از گیرنده، فرکانس صوتِ دریافتی کاهش می یابد.

برای استفاده از قانون داپلر در اندازه گیری فلوی سیالات، از یک ترانسدیوسر التراسونیک مخصوص استفاده می شود که قابلیت ارسال و دریافت موج التراسوند را دارا می باشد. وظیفه این ترانسدیوسر ارسال موج با فرکانس مشخص به سیالِ در حالِ حرکت، و اندازه گیری فرکانس موج بازتاب شده از سوی سیال، است. در این حالت لازم است که در داخل سیال ذراتی وجود داشته باشند که بتوانند موج التراسوند را بازتاب کنند. بنابراین فلومتر التراسونیک داپلر برای سیالات شفاف و سیالاتی که دارای ذرات بازتاب کننده نباشند، مناسب نیستند.

انتشار موج التراسوند توسط فلومتر التراسونیک داپلر و بازتاب آن توسط ذرات موجود در سیال

زمانی که سیال به سمت ترانسدیوسر حرکت می کند، فرکانسِ موجِ بازتاب شده از سوی آن افزایش می یابد و به همین ترتیب، پس از عبور سیال از محل ترانسدیوسر، و به هنگام دور شدن سیال از آن، فرکانسِ موجِ بازتاب شده کاهش می یابد. در این حالت با محاسبه اختلافِ فرکانسِ موجِ ارسال شده از سوی ترانسدیوسر به سمت سیال و موج بازتاب شده دریافتی (موجی که از سیال به سوی ترانسدیوسر بازتاب می شود)، سرعت فلوی سیال قابل محاسبه خواهد بود. در این حالت رابطه فیزیکی محاسبه سرعت فلو به صورت زیر است:

ft  : فرکانس موج ارسالی
fr  : فرکانس موج دریافتی
c   : سرعت صوت در سیال
V   : سرعت فلو سیال
Φ   : زاویه مابین راستای انتشار موج و راستای مسیر عبور سیال

 

فلومتر التراسونیک Time of Flight

در روش زمان ترانزیت یا Time of Flight دو ترانسدیوسر التراسونیک در دو  نقطه از مسیر عبور سیال نصب می شوند. هر دو ترانسدیوسر قابلیت ارسال و دریافت موج التراسوند را دارا هستند و به عبارت دیگر هم فرستنده هستند و هم گیرنده. این دو ترانسدیوسر می توانند مانند انیمیشن بالای صفحه در یک سوی مسیر نصب شوند و با کمک بازتابِ موج توسط جداره مسیرِ عبورِ سیال، موج را دریافت کنند. در حالت دیگر که به آرایش Z-MOUNT معروف است، دو ترانسدیوسر در دو سمت مسیر و به صورت مایل نسبت به هم نصب می شوند (مانند انیمیشن پایین صفحه). در این نوع اندازه گیری، فرکانس موج التراسوند تولیدی ثابت بوده و مدت زمان صرف شده برای حرکت موج مابین فرستنده تا گیرنده، معیار اندازه گیری فلو خواهد بود. این نوع فلومتر برخلاف فلومترهای التراسونیک داپلر برای انواع سیالات مناسب بوده و نیازی به وجود ذرات بازتاب کننده در سیال ندارند.

ارسال و دریافت موج التراسوند توسط ترانسدیوسرهای فلومتر التراسونیک Time of Flight

رابطه فیزیکی محاسبه سرعت فلو برای این نوع اندازه گیری به صورت زیر است:

t1  : زمان رسیدن موج به گیرنده پایین دست (انتشار موج در جهت حرکت سیال)
t2  : زمان رسیدن موج به گیرنده بالا دست (انتشار موج در خلاف جهت حرکت سیال)
c   : سرعت صوت در سیال
V   : سرعت فلو سیال
Φ   : زاویه مابین راستای انتشار موج و راستای مسیر عبور سیال

نمایش عملکرد فلومتر التراسونیک زمان ترانزیت