Bir tür hacimsel akış ölçer olan ultrasonik debimetreler, bir sıvının akış hızını ölçmek için yüksek frekanstaki ses ile borunun dışından ölçüm alan debimetrelerdir. Doppler ve transit time olmak üzere iki tipi vardır .

Ultrasonik Debimetreler

Atık su uygulamaları, iletken veya su bazlı herhangi bir kirli sıvı için idealdir. Ancak damıtılmış su veya içme suyu ile çalışmazlar . Bu akış ölçerler aynı zamanda düşük basınç ve kimyasal uyumluluk gerektiren uygulamalar için idealdir. Ayrıca az bakım gerektiren uygulamalarda da yoğun olarak kullanılmaktadır.

Ultrasonik debimetreler, boru içerisinden geçen sıvının, boruya ve içerisinden geçen akışkana herhangi bir zarar vermeden, akışkanın debisi, hızı, yönü ve ölçüm esnasında geçen toplam sıvı miktarının hassas ve hızlı bir şekilde ölçülmesi amacına hizmet edecek şekilde tasarlanmıştır. Bu nedenle akış kontrol cihazları arasında en çok tercih edilen cihazlardır.

1842’de Christian Doppler

Sabit bir gözlemcinin bir sesin kaynağı yaklaştıkça daha kısa dalga boylarına ve kaynak uzaklaştıkça daha uzun dalga boylarına sahip olduğunu algıladığını keşfetti.

Bu, Doppler etkisi olarak bilinmeye başlandı ve yaklaşan bir arabanın kornasının neden yükseldiğini açıklıyor. Araba uzaklaştığında perde düşüyor gibi görünmektedir. Ultrasonik Doppler akış ölçerler, bu frekans kaymasını akustik kesintiler içeren sözde kirli sıvılarda veya asılı parçacıklarda, sürüklenen gaz kabarcıklarında veya türbülans girdaplarında işe yarar.

Ultrasonik Debimetre Çalışma Prensipleri

Temel Çalışma Prensibi

Hareket halindeki asılı parçacıklar veya gaz kabarcıkları tarafından yansıtılmaktadır. Bu yansıma olduğunda ultrasonik bir sinyalin frekans kaymasını (Doppler Etkisi) kullanır. Bu ölçüm tekniği, akan bir sıvıdaki hareketli süreksizlikler tarafından yansıtıldığında frekansı değiştiren bir ses dalgasının fiziksel fenomenini kullanır. Ultrasonik ses, akan sıvılarla bir boruya iletilmektedir. Süreksizlikler, sıvının akış hızıyla doğru orantılı olan biraz farklı bir frekansla ultrasonik dalgayı yansıtır. Mevcut teknoloji, sıvının en az milyonda 100 parça (PPM) 100 mikron veya daha büyük asılı parçacıklar veya kabarcıklar içermesini gerektirir.

Doppler Ultrasonik Akış Ölçer

Bir ses dalgasının frekansı değiştirmesinin fiziksel olgusu olan Doppler Etkisi ilkesine göre çalışır. Ultrasonik akış ölçerler söz konusu olduğunda, ultrasonik bir sinyalin frekansı, hareket halindeki asılı parçacıklar veya gaz kabarcıkları (süreksizlikler) tarafından yansıtılmaktadır. Bu yansıma sonucu sıvının akış hızıyla doğru orantılı olarak değişir (Doppler Etkisi).

Ultrasonik Doppler Akış Ölçer

Bir verici veya gösterge veya toplayıcı bir dönüştürücüden oluşur. Kullanıcı, sıvıyı, katıların veya kabarcıkların boyutunu ve konsantrasyonunu, boru boyutlarını ve boru kaplamasını dikkate alarak uygulamaya uygun bir konfigürasyon seçer. Vericinin sinyal eşiği genellikle mekanik ve elektriksel gürültüyü filtreleyecek şekilde ayarlanır.

Vericideki yüksek frekanslı bir Osilatör

Popüler kelepçeli tasarımda borunun dışına monte edilen dönüştürücüyü çalıştırır. Çünkü dönüştürücü, boru duvarından akan sıvıya geçen bir ultrasonik sinyal üretir. Verici, çıkış ve giriş frekansları arasındaki farkı elektronik darbelere dönüştürür. İşlenmiş, ölçeklenmiş ve toplanmış darbeler bir akış ölçümü sağlar.

Bir borunun dışına kenetlenen ultrasonik Doppler akış ölçerler, hareketli parçalar olmadan çalışır. Basınç düşüşüne neden olmazlar, proses sıvısından zarar görme riski yoktur ve çok az bakım gerektirirler. Doğru şekilde kalibre edilirlerse, ±%1 doğruluğa sahip olabilirler. Ancak, boru duvarı ve duvar ile sıvı arasındaki herhangi bir hava boşluğu, sinyal paraziti oluşturmaktadır. Ayrıca, paslanmaz çelik bir boru duvarı iletilen sinyali veya yansıyan sinyalin büyük bir kaymaya maruz kalacağı ölçüde iletebilir.

Geçiş Süresi Ultrasonik Akış Ölçerler

Bir ultrasonik sinyalin birinci dönüştürücüden iletilmesi ile ikinci dönüştürücü tarafından alınması arasındaki zaman farkını ölçer. Yukarı akış ve aşağı akış ölçümlerinin diferansiyel bir karşılaştırması yapılmaktadır. Akış yoksa, seyahat süresi her iki yönde de aynı olacaktır. Akış mevcut olduğunda, ses aynı yönde hareket ediyorsa daha hızlı. Ona karşı hareket ediyorsa daha yavaş hareket eder.

Üçüncü bir ultrasonik akış ölçer. Akışı hesaplamak için yukarı akış ve aşağı akış dönüştürücü çiftleri arasında çapraz korelasyon kullanır. Bu tasarımın bazı akış ölçerleri, korelasyon faktörlerine dayalı olarak “temiz” ve “kirli” modlar arasında otomatik olarak geçiş yapmak için mikroişlemciler kullanır.

Örnek

Tek bir çapraz korelasyonlu hibrit akış ölçer. Aktifleştirilmiş veya sindirilmiş çamurun akışını izleyelebilir. Bu tür debi ölçerlerin kullanıldığı dikkatle tasarlanmış uygulamalar, okumanın %0,5’i içinde kurulu doğruluk bildirebilir.