مقدمه:

روش‌های اندازه‌گیری کنتور التراسونیک امروزه به‌عنوان یکی از دقیق‌ترین و قابل اعتمادترین تجهیزات اندازه‌گیری جریان گاز و مایعات شناخته می‌شوند. این تجهیزات با استفاده از امواج فراصوت و بدون قطعات متحرک، اطلاعات دقیقی از سرعت جریان، جهت حرکت و شرایط سلامت خط لوله ارائه می‌دهند. در این مقاله به بررسی نحوه عملکرد این کنتورها با تمرکز بر روش‌های اندازه‌گیری داپلری و زمان‌گذر (Time-Transit) می‌پردازیم.

[ez-toc]

خلاصه:

روش‌های اندازه‌گیری در کنتور التراسونیک

1. روش اثر داپلری (Doppler Effect)

در این روش، یک فرستنده امواج فراصوت را با زاویه مشخصی به داخل جریان ارسال می‌کند. این امواج به ذرات معلق موجود در سیال برخورد کرده و با فرکانس متفاوتی بازتاب می‌یابند. با محاسبه تغییر فرکانس (Shift)، سرعت ذرات و در نتیجه سرعت سیال به دست می‌آید.

مزایای روش داپلری:

نصب ساده به‌صورت on-clamp
عدم وجود قطعات متحرک
مناسب برای سیالات دارای ذرات معلق

معایب روش داپلری:

نیاز به وجود ذرات بازتابنده کافی
وابستگی به اندازه و نوع ذرات
دقت پایین‌تر در سیالات با ذرات معلق کم یا غیریکدست
تأثیرپذیری از ته‌نشینی مواد روی سنسورها

2. روش زمان‌گذر (Transit Time)

در این روش، دو ترانسدیوسر در دو سوی لوله قرار گرفته‌اند. ترانسدیوسر اول سیگنال فراصوت را در مسیر جریان ارسال می‌کند و زمان رسیدن آن توسط ترانسدیوسر دوم اندازه‌گیری می‌شود. سپس همین عملیات در جهت مخالف انجام می‌شود. تفاوت زمان‌های رفت و برگشت، مبنای محاسبه سرعت جریان سیال خواهد بود.

فرمول‌های کلیدی:

$T_{21}$ : زمان ارسال از ترانسدیوسر 1 به 2 (هم‌جهت با جریان)
$T_{12}$ : زمان ارسال از ترانسدیوسر 2 به 1 (خلاف جهت جریان)

با استفاده از این دو مقدار و پارامترهای فیزیکی لوله، سرعت جریان و سرعت صوت در گاز محاسبه می‌شود.

مقایسه دو روش:

ویژگی	روش داپلری	روش زمان‌گذر
نیاز به ذرات معلق	دارد	ندارد
دقت اندازه‌گیری	پایین‌تر	بسیار بالا
مناسب برای مایعات	بله	بله (در حالت تمیز)
مناسب برای گاز خشک	خیر	بله
پیچیدگی پردازش	متوسط	بالا

مزایای کنتورهای التراسونیک زمان‌گذر:

بدون قطعات متحرک و بدون استهلاک
بدون ایجاد افت فشار محسوس
دقت بسیار بالا (تا ±0.1%)
پاسخ‌گویی مناسب برای لوله‌های بزرگ
پشتیبانی از جریان دوطرفه
مناسب برای گاز تر
رنج اندازه‌گیری وسیع (1:50)
تشخیص سلامت داخلی دستگاه (Self-diagnostics)

سیستم تشخیص سلامت داخلی:

کنتورهای التراسونیک مدرن دارای قابلیت‌های پیشرفته‌ای برای پایش سلامت تجهیزات هستند:

انواع تشخیص:

تشخیص درونی (Internal Diagnostics): بررسی پارامترهایی مثل Gain، کیفیت سیگنال، زمان پرواز و …
تشخیص بیرونی (External Diagnostics): مقایسه داده‌های کنتور با اطلاعات محیطی مستقل مثل فشار، دما و آنالیز گاز

پارامتر مهم: Gain

افزایش غیرمعمول در Gain می‌تواند نشان‌دهنده:

ضعف سیگنال دریافتی
خرابی ترانسدیوسر
گرفتگی مسیر سیگنال
وجود مایع یا ناخالصی در لوله

چرا کنتور التراسونیک جایگزین اریفیس می‌شود؟

در خطوط انتقال گاز با قطرهای بزرگ (مثلاً 30 یا 36 اینچ)، استفاده از صفحه اوریفیس پرهزینه و پیچیده است. اما کنتورهای التراسونیک با یک دستگاه می‌توانند جایگزین چندین خط اندازه‌گیری مبتنی بر اوریفیس شوند. این مزیت، هزینه نگهداری و تجهیزات جانبی را به‌شدت کاهش می‌دهد.

کاربردها در صنعت گاز:

ایستگاه‌های انتقال و CGS
اندازه‌گیری گاز در پایانه‌های صادراتی
جایگزینی برای متدهای سنتی مانند اوریفیس در پروژه‌های جدید

بررسي نحوه اندازه‌گیری کنتور التراسونیک

نحوه اندازه گیری کنتور التراسونیک بر اساس دو روش كلي اثر داپلري و زمان – گذر اندازه گيري جريان سيال را انجا مي دهند

دبي سنج اثر داپلري

در دبي سنج هاي اثر داپلري يک ساطع کننده، موج هاي فراصوتي را در فرکانس f به صورت زاويه دار در سيال مي فرستد. موج ها به ذراتي که با سرعت V در حرکت اند برخورد مي کنند. موج در فركانس 1f داراي طول موج 1l و سرعت صوت c در سيال است

مزايا دبي سنج اثر داپلري

به راحتي در خط لوله نصب مي شوند مانند مدل هاي رو- بست on-Clamp
بدون ساييدگي و بخش متحرک هستند.

معايب دبي سنج اثر داپلري

در اين روش به تعداد کافي از ذرات بازتابنده نياز است.
ذرات بايد به اندازه کافي بزرگ باشند تا بازتابش خوبي توليد کنند. (>4/λ)
سرعت صوت در سيال مستقيما در نتايج اندازه گيري تاثير مي گذارد و سرعت ذرات معلق در مايعات اغلب بطور قابل ملاحظه اي نسبت به سرعت خود مايع متفاوت است و باعث خطا مي شود.
ته نشيني مواد در محل پروب مي تواند باعث خطا شود.
در اين روش به اجراي مستقيم و بدون مانع خط لوله ورودي به طول 20D نياز است.

اندازه گيري زمان-گذر (Time-Transit)

اگر چه طرح هاي متعددي براي اندازه گيري فراصوتي در بازار امروز وجود دارد اما اصول کارکرد همه ي آنها يکسان است.

روش کار به اين نحوه است که ترانسديوسر 1 پالسي را در سوي جريان از بالادست به سمت ترانسديوسر2 در پايين دست مي فرستد و زمان ارسال تا دريافت اندازه گيري مي شود. سپس همين عمل توسط ترانسديوسر 2 انجام مي شود و زمان پرواز سيگنال از پايين دست به الادست توسط ترانسديوسر 1 مشخص مي شود. با داشتن اين دو زمان برخي از مشخصات سيال مانند سرعت آن و سرعت صوت در آن بدست مي آيد.
با توجه به نوع تجهيزات الکترونيکي ارسال و دريافت و نوع الگوريتم بکار رفته مي توان به دقت هاي گوناگوني دست يافت.

محاسبات:

T21 زمان اندازه گيري سيگنال از ترانسديوسر 1 به 2 موافق با جريان سيال است. T12 زمان انتقال سيگنال از ترانسديوسر 2 به 1 و خلاف جريان است
در اين صورت T21< T12است
L فاصله دو ترانسديوسر و X فاصله جانبي اين دو در امتداد محور لوله مي باشد.
c سرعت صوت در گاز داخل لوله و V سرعت جريان گاز است.

از حل دو معادله اي که براي اين زمان ها بدست مي آيد، سرعت گاز و سرعت صوت درون آن بدست مي آيند.

بطور خلاصه برخي نکات در رابطه با نحوه اندازه گیری کنتور التراسونیک عبارتند از:

دقت اندازه گيري زمان انتقال صوت به پايين دست و بالا دست جريان، تابعي از الکترونيک دستگاه است.
تمام مسيرهاي اندازه گيري سرعت در فلوميترهاي چند پرتويي، مقدار متوسطي از سرعت را در مسير خود مي دهند و از حاصل آنها سرعت متوسط کل در مقطع لوله براي استخراج دبي بدست مي آيد.
از آنجايي که سيستم قادر به تشخيص اين موضوع است که کدام يک از زمان هاي رفت و يا برگشت بزرگتر است، لذا قادر به تشخيص سوي جريان است.
سرعت صوت در گاز از همان داده هايي به دست مي آيد که سرعت جريان سيال از آنها بدست مي آيد.

مزيتهاي دبي سنج هاي فراصوتي زمان-گذر (meters Flow Time-Transit)

قطعات متحرک ندارند.
افت فشار توليد نمي کنند و يا اگر توليد کنند بسيار کم است.
قابليت اطمينان طولاني مدت دارند.
پاسخگويي ساده به لوله هاي با سايز بزرگ
از آنجا که اين دبي سنج ها قطعات متحرک ندارند يا موانعي در جهت حرکت سيال ايجاد نمي کنند، لذا مشکل گرفتگي توسط ذرات معلق در سيال و يا گرفتگي بر اثر كثيفي ها را ندارند و از اين جهت هزينه تعمير و نگهداري پاييني دارند.
براي انتقال گاز طبيعي در سايزهاي بزرگ مثل 20 الي 30 و يا 36 اينچ ممکن است به ناچار از چندين صفحه اريفيس استفاده شود. در اين حالت ممکن است ناچارا جريان به چندين قسمت با لوله هايي با سايز هاي پايين تر تقسيم شود تا اندازه گيري مطلوبي حاصل شود. و اين يکي از دلايلي هست که دبي سنج هاي فراصوتي مي توانند جايگزين حدود ده دبي سنج با صفحه اريفيس شود.
رنج ابيليتي بزرگ : نوعا 1:50
قابليت کاليبراسيون با دقت > 0.1%
دو جهته بودن: قابليت اندازه گيري فلو در هر دو جهت را دارند.
قابليت تحمل گازهاي تر
توانايي مديريت جريانهاي ضربان دار

تشخيص هاي تجمعي کامل:

قدرت تشخيص انواع مشکلاتي که ممکن است رخ داده باشد، زيرا داده هايي که براي تعيين سلامت دستگاهِ اندازه گيري لازمند، در اندازه گيري هاي خودِ دستگاه بدست مي آيند.

يکي از ويژگي هاي دبي سنج هاي فراصوتي جديد توانايي آنها در تشخيص ميزان سلامت خودشان و يا تشخيص هر مسئله يا مشکلي که ممکن است پيش آيد.
اندازه هايي که در روش آنلاين بررسي سلامت دستگاه مورد استفاده قرار مي گيرند به دو دسته ي تشخيص اندازه گيري هاي دروني و بيروني قابل دسته بندي هستند.

تشخيص دروني: آن دسته از نشان گرهايي هستند که فقط از اندازه گيري هاي درون دستگاه استخراج شده اند.

تشخيص بيروني: آن دسته از روش هايي هستند که اندازه گيري هاي حاصل از دستگاه را با پارامترهاي استخراج شده از منابع مستقل ترکيب مي کنند تا شرايط خطا را شناسايي کنند و تشخيص دهند.

برخي از تشخيص هاي دروني و متداول دستگاه به قرار زيرند:

بهره Gain

بهره ضريب تقويت يک پالس نسبت به يک سطح معمول مشخص است.
يکي از ساده ترين نشان گرهاي سالمت دستگاه، قدرت سيگنال دريافتي در تمام مسيرهاست.
فراصوت هاي هاي چند مسيره امروزي داراي کنترل Gain خودکار در تمام کانال هاي دريافت کننده هستند.
هر افزايش Gain اي در هر کانال نشان گر يک سيگنال ضعيف تر است. که شايد به دليل خرابي ترانسديوسر، رسوب گرفتگي و يا لجن گرفتگي پورت هاي ترانسديوسر و يا وجود مايع در خط لوله باشد. با اين وجود، اين تضعيف سيگنال بايد در عمل بررسي شود تا اثر ساير فاکتورهاي موثر در قدرت سيگنال نيز لحاظ شود.

مانند فشار و سرعت جريان. منابع زياد ديگري بجز سرعت و فشار گاز وجود دارند که باعث افزايش بهره مي شوند.

نتیجه‌گیری:

کنتورهای التراسونیک با تکیه بر فناوری‌های داپلری و زمان‌گذر، دقت و کارایی بالایی را در اندازه‌گیری جریان گاز و مایعات فراهم می‌کنند. با حذف قطعات متحرک و افزودن سیستم‌های پایش داخلی، این تجهیزات به انتخاب اصلی در پروژه‌های مدرن گازرسانی تبدیل شده‌اند.

سوالات متداول

کدام روش اندازه‌گیری التراسونیک دقیق‌تر است؟

روش زمان‌گذر (Transit Time) دقت بالاتری دارد و برای گاز مناسب‌تر است.

آیا کنتور التراسونیک نیاز به کالیبراسیون دارد؟

بله، با وجود دقت بالا، باید دوره‌ای با دقت > 0.1% کالیبره شوند.

آیا می‌توان از کنتور التراسونیک برای گازهای مرطوب استفاده کرد؟

بله، اکثر مدل‌های پیشرفته قابلیت تحمل گاز تر را دارند.

آیا این کنتورها در هر دو جهت جریان کار می‌کنند؟

بله، کنتورهای زمان‌گذر قابلیت اندازه‌گیری دوطرفه دارند.