مبدأ عمل مقياس التدفق فوق الصوتي

تتوفر أنواع عديدة من مقاييس عملية التدفق، على سبيل المثال لا الحصر: عدادات تدفّق الكتلة “كوريوليس Coriolis”؛ ومقاييس تدفق الإزاحة الموجبة مثل مقاييس التوربينات؛ ومقاييس التدفق الحجمي مثل مقياس التدفق فوق الصوتي.

في الواقع، هناك ما لا يقل عن ثمانية عشر نوعًا مختلفًا من مقاييس التدفق. وهنا قد تسأل لماذا يوجد العديد من الأنواع المختلفة؟ ذلك لأن كل نوع من أنواع مقاييس التدفق يعمل وفقًا لمبادئ فيزيائية وميكانيكية وكهربائية مختلفة.

في هذا المقال، سوف نستكشف مبادئ العمل لمقاييس التدفق فوق الصوتية. حيث سنوضح كيف يمكن استخدام خاصية فيزيائية بسيطة، وهي الصوت، لقياس معدل تدفق مائع (سائل) يتحرك في الأنبوب.

ما هو مقياس التدفق فوق الصوتي؟

تقيس مقاييس التدفق فوق الصوتية التدفق الحجمي للسائل، أي عدد الجالونات أو اللترات لكل وحدة زمنية، مثل الدقائق.

المبادئ الأساسية لقياس التدفق بالموجات فوق الصوتية:

سنبين أن مقاييس التدفق فوق الصوتية تتطلب استخدام وفهم بعض المبادئ الفيزيائية والميكانيكية والكهربائية الأساسية التي تسمح لمقاييس التدفق فوق الصوتي بقياس معدل التدفق بدقة ضمن نطاق واسع من الظروف المختلفة للتدفق.

1-المبادئ الفيزيائية:

عندما يتدفق السائل عبر أنبوب فإنه يتدفق في اتجاه واحد بسرعة تتأثر بالعديد من العوامل، مثل درجة الحرارة والضغط ولزوجة السائل وحجم الأنبوب.

نلاحظ أنه كلما زاد فرق الضغط بين نقطة المنبع والمصب زادت سرعة الجريان.

كما يجب الأخذ بعين الاعتبار أن زيادة درجة الحرارة عادة ما تؤدي إلى زيادة التدفق على اعتبار ثبات جميع العوامل الأخرى. ونلاحظ أيضاً أن بعض السوائل صافية، فيما يحتوي بعضها على جسيمات أو فقاعات. كما أنّ بعض السوائل شديدة اللزوجة ولا تتدفق بسهولة، مثل الزيوت الثقيلة، وبعضها الآخر أقل لزوجة، مثل الماء.

2-المبادئ الميكانيكية:

إن انتقال الموجات الصوتية عبر سائل يعتمد على انتقال الاهتزازات عبر هذا السائل.

حيث تعبر الاهتزازات الميكانيكية من جزيئات السائل المتدفق إلى جزيئات مجاورة، مما يؤدي إلى نقل الموجة إلى تلك الجزيئات.

نلاحظ أنه يمكننا سماع بوق السيارة لأن الحجاب الحاجز يهتز بسرعة ناقلاً موجات عالية التردد عبر الهواء، وهو في هذه الحالة ناقل للحركة.

حيث يمكننا سماع الصوت لأن تردد الاهتزاز في النطاق المسموع، حوالي 20 هرتز إلى 20000 هرتز.

لكن عدادات التدفق فوق الصوتية تعمل بترددات اهتزاز خارج النطاق المسموع، عند 25 كيلوهرتز أو أعلى. حيث تسمح هذه الترددات العالية بقياسات أكثر دقة بالإضافة لعدم توليدها لأصوات في النطاق المسموع.

3-المبادئ الكهربائية:

كيف يولد مقياس التدفق فوق الصوتي هذه الموجات الصوتية؟ الجواب من خلال بلورة كهروضغطية تهتز بسرعة. حيث يتغير شكل هذه البلورات الكريستالية الفريدة عند تطبيق تيار كهربائي عليها.

إذ يؤدي التغيير السريع للإشارة الكهربائية إلى تشكّل البلورة في اتجاه واحد، ثم  تتشكل ثانية في الاتجاه الآخر، مما يتسبب في توليد موجة عالية التردد.

ديناميكية مقياس التدفق بالموجات فوق الصوتية:

من خلال جمع المبادئ الثلاثة السابق ذكرها معًا. يتكون مقياس التدفق فوق الصوتي من زوج واحد على الأقل من محول (transducer). يمكن لكل عنصر من هذا الثنائي أن يعمل كجهاز إرسال وجهاز استقبال.

وضع الإرسال:

في وضع الإرسال، يولد التيار الكهربائي المتذبذب اهتزازًا في البلورة الكهروضغطية، مما يؤدي إلى إرسال موجة فوق صوتية عبر السائل المتدفق.

وضع الاستقبال:

أما في وضع الاستقبال، تسبب الموجات فوق الصوتية التي تمر عبر السائل اهتزازًا في البلورة الكهروضغطية، مما يؤدي إلى توليد نبضة كهربائية.

يعتمد الوقت الذي تستغرقه الموجة فوق الصوتية للانتقال من عنصر الإرسال إلى عنصر الاستقبال على عدة عوامل.

إذا وُضِعَ العنصرين في مواقع مختلفة قليلاً على طول الأنبوب، فإن سرعة السائل ستؤثر على الوقت الذي تستغرقه الإشارة للوصول إلى عنصر الاستقبال.

في سائل راكد، تعبر الاهتزازات من المرسل إلى المستقبل في فترة زمنية قابلة للقياس. يجب أن تستغرق النبضات فوق الصوتية المتولدة في الاتجاه المعاكس نفس القدر من الوقت. على اعتبار بيئة القياس ثابتة.

ومع ذلك، نظرًا لأن الموجات فوق الصوتية لها خصائص ميكانيكية، ففي حالة السائل المتدفق فإن سرعة السائل تؤثر على الوقت الذي يستغرقه الانتقال من المرسل إلى المستقبل.

تستغرق النبضة التي تنتقل من عنصر المنبع (أو مع التدفق) وقتًا أقل للوصول إلى عنصر المصب من النبضة العائدة في الاتجاه المعاكس (أو عكس التدفق).

لفهم الأمر بشكل أوضح، يمكنك تخيّل فرق الوقت المستغرق للسباحة بين نقطتين، مرة مع تيار المياه ومرة عكسه.

إن هذا الفرق في الزمن بين النبضتين يتناسب طرديًا مع سرعة التدفق. ونظرًا لأن معدل التدفق الحجمي يساوي السرعة مضروبة في مساحة المقطع العرضي للأنبوب، والتي يتم تحديدها في مقياس التدفق، فإن هذا القياس ينتج عنه معدل التدفق. يُطلق على هذا النوع من مقاييس التدفق فوق الصوتية اسم مقياس تدفق “زمن الرحلة”time of flight .

اعتبارات تصميم مقياس التدفق بالموجات فوق الصوتية:

من أجل إزالة فروقات التدفق الجانبية عبر الأنبوب، تُضاف أزواج إضافية من الحساسات لضمان دقة القياس. حيث يشكل كل زوج من أجهزة الإرسال والاستقبال ما يسمى بالوتر (chord). توضَع عدة أوتار لتوفير قياسات في مواقع مختلفة على طول محيط الأنبوب.

هناك عدة طرق لتركيب الحساسات في مقياس التدفق فوق الصوتي من نوع “زمن الرحلة”. حيث يمكن أن تنتقل نبضات الموجة الصوتية مباشرة من المرسل إلى المستقبل أو يمكن استخدام جدار الأنبوب لعكس الموجات الصوتية.

من الممكن أن تتبلل هذه الحساسات أو تُدمج في جدار مقياس التدفق بحيث تلامس الحساسات السائل. كما من الممكن ربط الحساسات بالجزء الخارجي من الأنبوب، حيث لا تتلامس الحساسات مع السائل.

إن حساسات “اللا تلامس” ليست دقيقة تمامًا، حيث يجب أن تنتقل الموجة الصوتية عبر جدار الأنبوب والسائل، مما قد يؤدي إلى امتصاص جدار الأنبوب بعض الإشارات النبضية.

ومن أنواع مقاييس التدفق الفوق صوتية الأخرى نوع يستخدم “تأثير دوبلر” doppler effect لقياس معدل التدفق. وفي هذه الطريقة، تُستخدم فقاعات الهواء أو الجزيئات الدقيقة لعكس الموجات الصوتية من المرسل إلى المستقبل.

 نلاحظ أنه عند ابتعاد القطار عن مراقب خارجي فإن صوت صافرته أو ترددها ينخفض، بشكل مماثل يمكننا رصد التغير الحاصل في التردد لتحديد معدل التدفق.

أين تستخدم حساسات التدفق فوق الصوتية؟

بعد أن أوضحنا كيف يعمل مقياس التدفق فوق الصوتي، قد تسأل، أين يتم استخدام مقاييس التدفق هذه؟ تعد عدادات التدفق بالموجات فوق الصوتية خيارًا ممتازًا للتطبيقات عالية الضغط وعالية التدفق مثل خطوط أنابيب الغاز الطبيعي

بالنسبة لهذه التطبيقات،  تُستخدَم عدادات “زمن الرحلة” مع أربعة أوتار أو أكثر من أجل الدقة.

غالبًا ما تستخدم المياه البلدية و أنظمة الصرف الصحي عدادات تدفق فوق صوتية مثبتة خارجيًا لقياس التدفق لأنه من غير الضروري تركيب حساس مقياس التدفق بحيث يخترق جدار الأنبوب.

بالإضافة إلى ذلك، في بعض الحالات، يمكن استخدام حساس “زمن الرحلة” بالإضافة إلى “دوبلر” في نفس تصميم مقياس التدفق للتعامل مع السوائل ، مما قد يغير التركيبة بمرور الوقت.

عند اكتشاف الجسيمات أو الرواسب، يمكن أن يتغير المقياس من وضع “زمن الرحلة” إلى وضع “دوبلر” للحفاظ على دقة قياس التدفق.

ملخص:

قدمت هذه المقالة نظرة عامة على مبادئ عمل مقياس التدفق فوق الصوتي.

تعد أجهزة قياس التدفق بالموجات فوق الصوتية واسعة الاستخدامات، وبالنسبة لبعض تدفقات السوائل، مثل خطوط أنابيب الغاز الطبيعي وتدفقات أنظمة شبكات المياه المدنية، فإن الموجات فوق الصوتية تُعتبر الخيار الأفضل.