Principiul de funcționare al debitmetrelor ultrasonice

Sunetul este foarte util pentru măsurarea debitului fluxurilor de lichid, în special ultrasunetele care au o frecvență dincolo de intervalul de frecvență pe care urechea umană îl poate auzi. Există câteva principii de măsurare a debitului cu ultrasunete și, ca atare, un debitmetru cu ultrasunete este foarte versatil. Putem distinge debitmetre cu ultrasunete bazate pe tehnologia undelor ultrasonice și principiile mai convenționale de măsurare a debitului cu ultrasunete, cum ar fi efectul Doppler și principiul timpului de tranzit. Nu toate aceste principii de măsurare sunt potrivite pentru debite mici de lichide pure.

Să aprofundăm acest subiect:

• Principii convenționale de măsurare a debitului cu ultrasunete
  • efect Doppler
  • Principiul timpului de tranzit
• Tehnologia undelor cu ultrasunete
• Debitmetre Bronkhorst bazate pe măsurarea debitului cu ultrasunete
• Debitmetre cu ultrasunete în procesele clienților

• efect Doppler
• Principiul timpului de tranzit

În lumea medicală, imagistica cu ultrasunete este o modalitate de a privi în interiorul corpului uman pentru a face organele vizibile. Ca derivat al imaginii cu ultrasunete, viteza de curgere a sângelui în artere sau vene poate fi măsurată în acest fel, ceea ce este util pentru a detecta constricțiile în aceste vase de sânge. Efectul Doppler convențional este aplicat aici pentru a măsura debitul.

Acest efect Doppler, cunoscut și sub denumirea de schimbare Doppler, este un fenomen binecunoscut în viața de zi cu zi pe care îl puteți experimenta atunci când auziți o ambulanță cu sirene zgomotoase trecând. Este posibil să fi observat că tonul sirenei apare mai ridicat când ambulanța se apropie de tine (frecvență sonoră mai mare), devenind brusc mai scăzut pe măsură ce ambulanța trece și se îndepărtează de tine (frecvență mai mică). Acest lucru se explică prin faptul că undele sonore sunt comprimate într-o oarecare măsură atunci când „emițătorul” se deplasează spre tine cu o anumită viteză, rezultând o frecvență mai mare și, prin urmare, un ton mai ridicat. În mod similar, undele sonore se extind atunci când emițătorul se îndepărtează, dând un ton mai scăzut.

Ceva comparabil apare atunci când se măsoară viteza fluxului de sânge în imagistica cu ultrasunete: frecvența undelor de ultrasunete se va schimba atunci când particulele în mișcare, cum ar fi globulele roșii din vasul de sânge, reflectă aceste unde. Deoarece schimbarea frecvenței este direct legată de viteza particulelor în mișcare (și reflectoare), această schimbare de frecvență este o măsură pentru viteza de curgere a particulelor care reflectă (și în mișcare) și, prin urmare, a fluidului care conține aceste particule. Aceasta arată limitarea efectului Doppler pentru măsurarea debitului de lichid: lichidul trebuie să conțină particule – particule solide sau bule de aer antrenate – care reflectă undele ultrasunete. Prin urmare, această tehnică nu este utilă pentru lichide fără particule. 

Principiul de funcționare al debitmetrului cu ultrasunete – Principiul timpului de tranzit

Un alt mod convențional de a utiliza ultrasunetele pentru măsurarea debitului, care nu se bazează pe particulele din lichidul care curge, este poziționarea unui emițător de ultrasunete pe o parte a tubului de fluid și a unui senzor în diagonală peste tub. Cu un lichid care curge prin tub, diferența de timp de tranzit al undei ultrasonice de la emițător la senzor în direcția în amonte și în aval este o măsură directă a vitezei curgerii lichidului. Combinat cu secțiunea transversală cunoscută a tubului, se calculează debitul volumetric. 

Măsurarea debitului bazată pe timpii de tranzit funcționează cel mai bine pentru țevi cu diametru mare și domenii mari de debit, cu diferențe de timp de tranzit practic măsurabile, deci nu pentru țevi cu diametru mic și debite mici. Sunetul care circulă de la emițător la receptor într-un tub cu diametru mic va avea ca rezultat o bandă de timp foarte mică; acest lucru devine mai dificil deoarece tubul senzorului are un diametru mai mic.

Deși acest lucru arată că (ultra)sunetele poate fi utilizat pentru măsurarea debitului, principiile care aplică efectul Doppler sau timpii de tranzit convenționali nu sunt potrivite pentru fluide pure sau la debite mici. În acest scop, este disponibilă o altă soluție: tehnologia undelor ultrasonice.

Cum se efectuează măsurarea debitului pentru lichide pure (precum și nepure) cu un debit scăzut de până la 0,4 litri pe minut? În acest scop, este potrivită o tehnică bazată pe propagarea undelor ultrasunete în interiorul unui tub senzor foarte mic, drept, fără obstacole sau spații moarte, permițând debite reduse.

În practică, aceasta funcționează după cum urmează. Fluidul curge prin tubul senzorului. Pe suprafața exterioară a tubului senzor, mai multe inele traductoare sunt poziționate radial de-a lungul tubului, care creează unde sonore ultrasonice prin oscilație. Fiecare traductor poate emite și recepționa – astfel încât toate combinațiile din amonte și din aval sunt înregistrate și procesate. Permițând ca distanța reciprocă dintre traductoare să fie suficient de mare, diferențele de timp de tranzit dintre înregistrări sunt suficient de mari (în intervalul de nanosecunde) pentru a calcula o viteză sigură de curgere a fluidului. Acest efect este îmbunătățit și mai mult prin filtrarea undelor sonore perturbatoare într-un mod inteligent.