في مجال قياس السوائل، أجهزة قياس التدفق بالموجات فوق الصوتية بالموجات فوق الصوتية تتميز بنهجها غير التدخلي لقياس سرعة السائل المتدفق عبر الأنبوب. ومن بين أهم أنواعها مقاييس التدفق دوبلر بالموجات فوق الصوتية ومقاييس التدفق الزمني العابر بالموجات فوق الصوتية، ويستغل كل منها مبدأ الموجات فوق الصوتية بطرق مختلفة لتناسب التطبيقات المختلفة.
تعمل مقاييس الجريان الدوبلرية عن طريق ارتداد الموجات فوق الصوتية عن الجسيمات والفقاعات في السائل. وعلى النقيض من ذلك، يقيس مقياس الجريان بزمن العبور الوقت الذي تستغرقه النبضات فوق الصوتية للتحرك مع اتجاه السريان وعكسه.
ويعتمد الاختيار بين مقياس الجريان الدوبلري ومقياس الجريان عبر الزمن بالموجات فوق الصوتية على عدد من العوامل، بما في ذلك خصائص السائل، ووجود جسيمات عالقة أو فقاعات غازية، والدقة ومدى التدفق المطلوب. في حين تتفوق مقاييس التدفق الدوبلرية في التطبيقات التي تحتوي على سوائل متسخة أو هوائية، يفضل استخدام مقاييس التدفق الزمني العابر للسوائل النظيفة حيث يمكنها توفير قياسات دقيقة للغاية.
تساعدنا التفاصيل الدقيقة لمبدأ تشغيل كل مقياس، إلى جانب تحليل مقارن لأدائها في ظل ظروف مختلفة، على توضيح نقاط القوة والقصور التي تمكننا من تحديد أفضل الحالات لاستخدام هذه الأدوات.
النقاط الرئيسية التي يجب تذكرها
تقنية الموجات فوق الصوتية المكيفة
خصائص السوائل
متطلبات القياس
تشغيل كل عداد
أجهزة قياس التدفق بالموجات فوق الصوتية هي أجهزة دقيقة تقيس سرعة السائل عبر الأنبوب باستخدام الموجات الصوتية فوق الصوتية. وهي مفيدة بشكل خاص لقياس معدلات التدفق في الحالات التي تكون فيها أجهزة الاستشعار التطفلية غير مرغوب فيها أو ممكنة.
وضمن هذه الفئة الواسعة، تُعد أجهزة القياس بالموجات فوق الصوتية، بما في ذلك تقنيات دوبلر وزمن العبور، ضرورية للتطبيقات التي تتراوح بين الإدارة الآلية لمياه الصرف الصحي وقياس التدفق في السوائل الموصلة القذرة، مستفيدة من تأثير دوبلر لتتبع التدفقات بدقة.
تعمل مقاييس التدفق بالموجات فوق الصوتية عن طريق إرسال موجات صوتية فوق صوتية عبر تدفق مائع في أنبوب. هناك مبدآن رئيسيان للتشغيل يعتمدان على طريقة تفاعل هذه الموجات مع السائل المتحرك: زمن العبور وتأثير دوبلر.
تستخدم مقاييس التدفق عبر الزمن زوجًا من محولات الطاقة التي تعمل كمرسلات ومستقبلات. يتم تركيب محولات الطاقة هذه على الجزء الخارجي من الأنبوب وتواجه بعضها البعض. وبينما يتحرك المائع عبر الأنبوب، تستغرق الموجات الصوتية التي تنتقل في اتجاه المنبع عكس سريان المائع وقتاً أطول للوصول إلى محول الطاقة المقابل من الموجات التي تنتقل في اتجاه المصب مع السريان. ويتناسب الفرق الزمني بين هذه الإرسالات مع سرعة المائع.
مقاييس التدفق الدوبلرية : على عكس مقاييس التدفق عبر الزمن، تستغل مقاييس التدفق الدوبلرية مبدأ تأثير دوبلر. تبعث هذه الأجهزة موجات فوق صوتية في تيار التدفق بتردد معين. عندما تصادف هذه الموجات الصوتية جسيمات عالقة أو فقاعات هواء في السائل، تنعكس مرة أخرى إلى محول الطاقة مع تغير في التردد. ويرتبط هذا التغير في التردد ارتباطاً مباشراً بسرعة المائع.
هناك عدة أنواع من مقاييس التدفق بالموجات فوق الصوتية، كل منها يتكيف مع تطبيقات وخصائص سوائل محددة.
يستخدم كل نوع من أنواع مقاييس الجريان بالموجات فوق الصوتية مبدأ قياس زمن العبور أو مبدأ قياس دوبلر، ويعتمد الاختيار بين الاثنين على خصائص السائل والتطبيق والدقة المطلوبة.
أجهزة قياس التدفق بالموجات فوق الصوتية لزمن العبور هي أجهزة دقيقة تُستخدم لقياس سرعة تدفق السائل في الأنبوب. هذه الأجهزة فعالة بشكل خاص مع السوائل النظيفة، مما يضمن دقة قياسات التدفق.
تعمل مقاييس الجريان بزمن العبور عن طريق إرسال نبضات فوق صوتية عبر مائع وقياس الزمن الذي يستغرقه الصوت للانتقال بين محولي طاقة. يتم وضع محولي الطاقة هذين بزاوية قطرية مع تيار التدفق، أحدهما في أعلى المجرى والآخر في أسفل المجرى.
تُحسب سرعة التدفق كدالة لفرق زمن العبور للنبضات فوق الصوتية التي تتحرك مع اتجاه التدفق وعكسه. كلما زاد الفرق، زادت سرعة تدفق السائل.
يجب تركيب مقاييس التدفق عبر الزمن في مقطع مستقيم من الأنبوب لتقليل الاضطرابات، والتي يمكن أن تؤثر على الدقة. تحتاج إلى سوائل نظيفة لتعمل بشكل صحيح، حيث يمكن أن تتداخل الشوائب مع إشارة الموجات فوق الصوتية.
خلال هذه الفترة، تميل الصيانة إلى أن تكون في حدها الأدنى لأن محولات الطاقة لا تتلامس مع السائل، مما يؤدي إلى تقليل البلى والتلف.
تشمل مزايا مقاييس التدفق عبر الزمن التركيب غير الجراحي، حيث لا توجد حاجة لقطع الأنبوب، والدقة، خاصة مع السوائل النظيفة غير المؤينة. ويمكنها أيضًا التعامل مع نطاق واسع من معدلات التدفق ودرجات الحرارة.
من ناحية أخرى، هناك حدود لحساسيتها لتركيب السوائل. يتدهور الأداء مع السوائل الهوائية أو غير النقية. كما أنها تعتمد أيضًا على أنبوب ممتلئ. في حالة وجود فقاعات غازية أو مواد صلبة في السائل، يمكن أن تحدث أخطاء في القياس.
دقة عالية للسوائل النظيفة
لا يوجد اتصال
نطاق تشغيل واسع
يمكن تركيبه خارجيًا
الحد الأدنى من الصيانة
تُعرف أجهزة قياس التدفق دوبلر بالموجات فوق الصوتية على نطاق واسع بفعاليتها في قياس تدفق السوائل المتسخة أو الهوائية التي تحتوي على فقاعات أو جزيئات. يتناسب الفرق في تردد الإشارات فوق الصوتية المنعكسة بالموجات فوق الصوتية تناسبًا طرديًا مع معدل تدفق السائل، مما يوضح مدى ارتباط سرعة التدفق ارتباطًا وثيقًا بانزياح التردد الملاحظ في هذه الأجهزة.
يستخدم مقياس التدفق الدوبلري تأثير دوبلر لقياس سرعات التدفق. ويصدر إشارة فوق صوتية عبر الوسط المراد قياسه. وعندما تصادف هذه الإشارة جسيمات معلقة أو فقاعات غازية في السائل، تنعكس بتردد مختلف. ويرتبط هذا التحول في التردد ارتباطاً مباشراً بسرعة المادة المتدفقة. ثم يعالج مقياس التدفق هذا التغير لتحديد معدل التدفق.
يتطلب التركيب الصحيح لمقياس التدفق الدوبلري أن يحتوي الأنبوب على الحد الأدنى من تركيز الجسيمات العالقة أو فقاعات الهواء.
يتم التركيب بشكل عام خارج الأنبوب ويجب أن يكون المستشعر ملامسًا للوسط السائل.
خلال هذا الوقت، تتكون الصيانة من عمليات فحص روتينية للتأكد من خلو محول الطاقة من الرواسب التي يمكن أن تتداخل مع الإشارة فوق الصوتية. كما يجب أن تكون منطقة الأنبوب حيث تم تركيب محول الطاقة خالية من الاهتزازات والضوضاء المفرطة لتجنب أي تشويش على الإشارة.
تعدد استخدامات السوائل
غير جراحي
الحد الأدنى من الصيانة
المزايا:
العيوب:
عند تقييم مقاييس التدفق الدوبلري ومقاييس التدفق الزمني العابر، من الضروري مراعاة الاختلافات في الدقة والملاءمة في ظل ظروف التدفق المختلفة والقدرة على التكيف مع التغيرات البيئية من أجل تحديد مقياس التدفق بالموجات فوق الصوتية الذي يتفوق في تطبيقات محددة.
تقيس مقاييس تدفق دوبلر سرعة السوائل التي تحتوي على جسيمات أو فقاعات عالقة من خلال عكس إشارة فوق صوتية عليها ومراقبة انزياح التردد المعروف باسم تأثير دوبلر. توفر هذه المقاييس عادةً دقة ± 2٪ من قراءة التدفق.
ومن ناحية أخرى، تعتمد مقاييس التدفق في زمن العبور على الوقت الذي تستغرقه إشارة الموجات فوق الصوتية للانتقال بين محولي طاقة. وفي ظل الظروف المثالية، يمكن أن توفر دقة فائقة تصل إلى ±1% من قراءة التدفق أو أفضل، لأنها تقيس مباشرةً الوقت الذي تستغرقه الموجات الصوتية للانتقال عبر السائل.
إن أداء مقاييس التدفق الدوبلرية مرتبط جوهريًا بوجود جسيمات أو فقاعات غازية في السائل: فبدونها لا يمكن لمقياس التدفق أن يعمل. وعلى هذا النحو، فهي الأنسب للسوائل المتسخة أو الهوائية. وعلى العكس من ذلك، تتطلب مقاييس التدفق عبر الزمن سوائل نظيفة للسماح بمرور الإشارات فوق الصوتية دون عوائق. وتواجه صعوبة مع السوائل التي تحتوي على كميات كبيرة من المواد الصلبة العالقة أو التهوية.
يمكن أن تؤثر الظروف البيئية مثل الضغط ودرجة الحرارة على أداء مقاييس التدفق بالموجات فوق الصوتية. يعمل كلا النوعين بشكل جيد على نطاق واسع من درجات الحرارة والضغط، ولكن يمكن أن تتطلب مقاييس التدفق عبر الزمن ضبطًا دقيقًا وتركيبًا صحيحًا، حيث يمكن أن تتأثر الإشارة التي تقيسها بالتغيرات في كثافة السائل واللزوجة.
تكون مقاييس التدفق الدوبلرية أقل حساسية لمثل هذه التغيرات لأنها تقيس انزياح التردد بدلاً من سرعة الصوت عبر المائع.
تلعب أجهزة قياس التدفق بالموجات فوق الصوتية، التي تشمل كلاً من تقنيات دوبلر وزمن العبور، دورًا حيويًا في مجموعة متنوعة من الصناعات. تقيس هذه الأجهزة معدلات التدفق بدقة، وتضمن طبيعتها غير التدخلية سلامة العملية والحد الأدنى من متطلبات الصيانة. وبالإضافة إلى ذلك، فإن أجهزة قياس التدفق بالموجات فوق الصوتية مناسبة للتطبيقات السكنية والتجارية على حد سواء، مما يبرز تنوعها في بيئات مختلفة.
في مجال إدارة المياه ومياه الصرف الصحي، تحظى مقاييس التدفق عبر الزمن بتقدير كبير لدقتها في تطبيقات المياه النظيفة. فهي تقيس الوقت الذي تستغرقه إشارة الموجات فوق الصوتية للانتقال مع تدفق المياه وعكسه، وبالتالي تحديد معدل التدفق.
بالنسبة لمياه الصرف الصحي والحمأة مع المواد الصلبة المحبوسة والتهوية، يفضل استخدام مقاييس التدفق دوبلر. فهي تكتشف التغيرات في تردد الموجة فوق الصوتية أثناء تفاعلها مع الجسيمات والفقاعات العالقة، مما يسمح بقياس فعال لتدفق السوائل المتسخة أو الهوائية.
تتطلبصناعة النفط والغاز قياسات تدفق عالية الدقة في البيئات المعقدة والصعبة. تُستخدم مقاييس التدفق بالموجات فوق الصوتية في صناعة النفط والغاز، سواءً دوبلر أو وقت العبور، لموثوقيتها وطبيعتها غير الغازية.
ويسهل كلا النوعين من العدادات التشغيل الآمن والفعال لخطوط الأنابيب وعمليات التكرير والتوزيع.
تجد مقاييس التدفق بالموجات فوق الصوتية استخدامات رئيسية أخرى في صناعات مختلفة بسبب تعدد استخداماتها وسهولة تركيبها.
عند تقييم مقاييس التدفق بالموجات فوق الصوتية مثل نماذج دوبلر ونماذج زمن العبور، تلعب الاعتبارات التقنية دورًا حاسمًا في تحديد كفاءتها ودقتها. وتؤثر عوامل مثل خصائص الأنابيب والسوائل ووضع المجس المناسب تأثيرًا مباشرًا على الأداء.
تتطلب مقاييس التدفق الدوبلري سوائل تحتوي على جسيمات أو فقاعات معلقة حتى يحدث تأثير دوبلر. هذه المقاييس أقل تأثرًا بنوع السائل ولكنها تتطلب حدًا أدنى من تركيز هذه الشوائب لتعمل بشكل صحيح.
من ناحية أخرى، تعمل مقاييس التدفق عبر الزمن بشكل أفضل مع السوائل النظيفة الخالية من الجسيمات، حيث تعتمد على انتشار الإشارات فوق الصوتية.
يمكن أن تؤثر مواد الأنابيب المختلفة أيضًا على أداء جهاز القياس. يمكن تخفيف إشارات الموجات فوق الصوتية من كلا النوعين من أجهزة القياس بواسطة مواد معينة، لذا فهي مناسبة بشكل عام للأنابيب المعدنية أو البلاستيكية.
في سياق السوائل المسببة للتآكل، يجب أن تؤخذ المواد المستخدمة في الحساسات بعين الاعتبار لضمان طول العمر والتشغيل المستمر.
التركيب الصحيح ضروري لدقة مقاييس التدفق بالموجات فوق الصوتية. بالنسبة لمقاييس التدفق الدوبلرية ومقاييس التدفق الزمني العابر، يجب وضع أجهزة الاستشعار في مكان يوجد فيه أنبوب مستقيم الطول خالٍ من الاهتزازات والاضطرابات.
وهذا يعني عمومًا أن التركيب يجب أن يتم على أجزاء من الأنابيب التي توفر مسارًا مستقيمًا يبلغ قطره عدة أضعاف قطر الأنبوب في أعلى وأسفل المجمعات.
يجب أن يكون التركيب آمنًا لمنع الإزاحة وضمان ثبات القراءات. ويجب إيلاء اهتمام خاص للجوانب التالية:
في مجال مقاييس التدفق بالموجات فوق الصوتية، يمكن أن يكون للتحديات التشغيلية مثل تأثيرات الضغط ودرجة الحرارة واضطرابات التدفق ومشاكل الصيانة تأثير كبير على الأداء. تضمن معالجة هذه المخاوف بنجاح قياس التدفق الدقيق والموثوقية على المدى الطويل.
يمكن أن يؤدي انخفاض الضغط والتغيرات في درجة الحرارة إلى تغيير كثافة ولزوجة المائع، مما يؤثر على سرعة الصوت في المائع وقد يؤدي إلى قياسات تدفق غير دقيقة.
وتكمن الحلول في الإعداد الصحيح لمقياس التدفق لخصائص السوائل المحددة واستخدام خوارزميات متقدمة قادرة على تعويض مثل هذه الاختلافات. تحدد المراقبة المنتظمة أي انحرافات قد تشير إلى الحاجة إلى التعديل.
يمكن أن تتداخل اضطرابات التدفق مثل التدفق المضطرب أو العوائق مع الإشارات فوق الصوتية المستخدمة في قياس التدفق.
تتطلب مقاييس التدفق في وقت العبور عمومًا ملف تدفق مطور بالكامل، والذي يمكن أن يتأثر باضطرابات المنبع والمصب. ويمكن أن يؤدي استخدام مكيفات التدفق والوضع الاستراتيجي لأجهزة الاستشعار إلى التخفيف من هذه التأثيرات.
وغالبًا ما تتعامل مقاييس التدفق الدوبلرية مع الاضطرابات بشكل أفضل لأنها تقيس تدفق الجسيمات والفقاعات في السائل، والتي قد لا تتأثر بالاضطرابات.
تمنع أنظمة الصيانة الفعالة حدوث مشاكل مثل التآكل والتسريبات التي يمكن أن تؤدي إلى قراءات غير دقيقة أو تعطل العداد.
يمكن استخدام أدوات التشخيص للكشف عن مشاكل الاقتران الصوتي، وهو سبب متكرر لفقدان الإشارة في مقاييس التدفق الدوبلري ومقاييس التدفق الزمني العابر.
تساهم التدابير الوقائية مثل استخدام مواد مقاومة للتآكل وعمليات الفحص المتكررة في إطالة العمر الافتراضي والأداء المتسق. بالنسبة لقياس التدفق الحجمي، من الضروري الحفاظ على سلامة المكونات المادية للمقياس.
يجيب هذا القسم على الأسئلة الشائعة حول الاختلافات والتفاصيل الخاصة بأجهزة دوبلر بالموجات فوق الصوتية ومقاييس التدفق الزمني العابر، مما يساعد المستخدمين على فهم وظائف وملاءمة كل نوع للتطبيقات المختلفة.
تقيس أجهزة قياس التدفق الدوبلري بالموجات فوق الصوتية التدفق من خلال الكشف عن انزياح تردد إشارة الموجات فوق الصوتية أثناء ارتدادها عن الجسيمات أو الفقاعات في السائل.
من ناحية أخرى، تحسب مقاييس التدفق بالموجات فوق الصوتية لزمن العبور معدل التدفق من خلال مقارنة الزمن الذي تستغرقه الإشارة فوق الصوتية للانتقال مع التدفق بالنسبة للتدفق المعاكس.
توفر مقاييس الجريان عبر الزمن بشكل عام دقة أكبر من مقاييس الجريان الدوبلرية. ويرجع ذلك إلى قدرتها على قياس سرعة السائل مباشرة، والتي تتأثر بشكل أقل بالجسيمات العالقة أو فقاعات الغاز التي تعتمد عليها وحدات دوبلر.
تعمل أجهزة قياس التدفق دوبلر بالموجات فوق الصوتية على مبدأ تأثير دوبلر. تنعكس هذه الموجات عن طريق الجسيمات العالقة أو فقاعات الهواء في السائل مع إزاحة التردد. ويرتبط هذا التحول بمعدل التدفق.
تعتبر مقاييس التدفق الدوبلرية مفيدة في السوائل التي تحتوي على فقاعات غازية أو جسيمات عالقة، حيث إنها تتطلب هذه العاكسات للعمل. ومع ذلك، فهي أقل دقة في السوائل النظيفة ويمكن أن تتأثر بالتغيرات في تركيز الجسيمات أو حجمها.
في حين تعتمد مقاييس التدفق الدوبلرية على تحولات التردد التي تسببها العاكسات في السائل، تقيس مقاييس التدفق عبر الزمن الفرق الزمني بين النبضات فوق الصوتية التي تنتقل في اتجاه المنبع والمصب.
ثم يتم استخدام هذا الفرق الزمني لحساب معدل التدفق، والذي لا يعتمد على وجود عاكسات في المائع.
تشمل العوامل الرئيسية نوع السائل، ووجود جسيمات معلقة أو سوائل هوائية، والدقة المطلوبة والظروف المحددة للتطبيق.
أجهزة قياس دوبلر مناسبة للسوائل المتسخة أو الهوائية. وفي الوقت نفسه، يفضل استخدام مقاييس زمن العبور للسوائل النظيفة غير المهواة حيث يتطلب الأمر دقة أكبر.
