حسگرهای التراسونیک به دلیل دقت بالا، نگهداری پایین، اندازه‌گیری غیرتهاجمی و امکان تشخیص وضعیت دستگاه به صورت دوره‌ای، به یکی از ابزارهای پرکاربرد در حوزه‌های صنعتی، تجاری و پزشکی تبدیل شده‌اند. این ابزارها به خصوص در مواردی که دقت بالا و نیاز به اندازه‌گیری غیرمکانیکی جریان مایعات و گازها ضروری است، کارآمد هستند. این مقاله به معرفی اصول عملکرد حسگرهای التراسونیک برای فلومترهای آب و کنتورهای حرارتی می‌پردازد و جنبه‌های مختلف کارکرد آن‌ها را مورد بررسی قرار می‌دهد.

همچنین بخوانید : عیب یابی و رفع خطای فلومتر التراسونیک

 اصول کار حسگرهای اولتراسونیک در فلومترها

حسگرهای اولتراسونیک از فناوری زمان پرواز (TOF) برای اندازه‌گیری جریان سیالات بهره می‌برند. در این روش، دو مبدل پیزوالکتریک در دو طرف لوله حاوی سیال قرار می‌گیرند. این مبدل‌ها با فرستادن و دریافت امواج فراصوتی به بررسی سرعت و دبی سیال در لوله می‌پردازند. در اینجا، مسیر امواج از یک مبدل به مبدل دیگر تعریف شده و به دلیل عبور امواج از سیال، زمان پرواز اندازه‌گیری می‌شود. در سیستم‌های اولتراسونیک، هرچه زمان پرواز کوتاه‌تر باشد، جریان سیال سریع‌تر است.

ساختار حسگر اولتراسونیک

ساختار حسگرهای اولتراسونیک معمولاً از یک لوله، مبدل‌های پیزوالکتریک، و بازتاب‌دهنده‌های صوتی تشکیل شده است. لوله با قطر مشخص به عنوان کانال جریان سیال در نظر گرفته می‌شود و مبدل‌ها در فاصله‌ای معین از یکدیگر نصب می‌شوند. بازتاب‌دهنده‌های صوتی درون لوله، سیگنال‌های فراصوتی را از یک مبدل به مبدل دیگر هدایت می‌کنند. این نوع طراحی، که در شکل‌های متنوعی از جمله سنسورهای یک‌مسیره و چندمسیره قابل اجراست، به حسگر امکان می‌دهد تا جریان سیال را در لوله‌های با قطر مختلف اندازه‌گیری کند.

مزایای استفاده از فلومترهای التراسونیک

فلومتر التراسونیک به دلیل ویژگی‌های منحصر به فردشان، مزایای متعددی را در مقایسه با فلومترهای مکانیکی سنتی ارائه می‌دهند:

دقت بالا: این دستگاه‌ها قادرند با دقتی بالا حتی جریان‌های کم را اندازه‌گیری کنند.
نگهداری کم: به دلیل عدم وجود قطعات متحرک، این نوع فلومترها نیاز به نگهداری و تعمیرات کمتری دارند.
اندازه‌گیری غیرتهاجمی: حسگرهای اولتراسونیک به راحتی می‌توانند بدون تماس مستقیم با سیال، جریان را اندازه‌گیری کنند.
تشخیص عیوب: امکان تشخیص سلامت دستگاه به صورت دوره‌ای از مزایای دیگر این حسگرها است.

انواع حسگرهای التراسونیک

حسگرهای التراسونیک به دو دسته کلی تقسیم می‌شوند: حسگرهای یک‌مسیره و چندمسیره. در حسگرهای یک‌مسیره، سیگنال‌های فراصوتی از یک مبدل به مبدل دیگر با یک مسیر ثابت منتقل می‌شوند. این نوع حسگرها برای لوله‌های با قطر کم استفاده می‌شوند. از سوی دیگر، حسگرهای چندمسیره که در لوله‌های با قطر بزرگ استفاده می‌شوند، از چندین مسیر برای انتقال سیگنال‌های فراصوتی استفاده می‌کنند که دقت اندازه‌گیری را افزایش می‌دهد.

 فناوری زمان پرواز (TOF) و اندازه‌گیری جریان

اندازه‌گیری زمان پرواز، که یکی از اصلی‌ترین فناوری‌های مورد استفاده در حسگرهای التراسونیک است، با استفاده از تفاوت زمان عبور امواج فراصوتی در جهت جریان و خلاف جهت جریان، سرعت جریان سیال را محاسبه می‌کند. در این فناوری، دو مبدل پیزوالکتریک با فرستادن و دریافت امواج اولتراسونیک به تعیین جهت و سرعت جریان کمک می‌کنند. به این ترتیب، اختلاف زمان عبور امواج در دو مسیر مختلف به سرعت جریان تبدیل می‌شود.

استفاده از توالی اندازه‌گیری در حسگرهای التراسونیک

در سیستم‌های التراسونیک، هر بار که مبدل پیزوالکتریک پالس‌های التراسونیک را ارسال می‌کند، سیگنالی با عنوان “شروع” (START) تولید می‌شود که نشان‌دهنده آغاز اندازه‌گیری است. در این فرآیند، مدارهای الکترونیکی در مبدل دوم سیگنال دریافتی را پردازش کرده و پالس “پایان” (STOP) را تولید می‌کنند که زمان دریافت هر پالس را ثبت می‌کند. مدت زمان طی شده بین پالس “شروع” و پالس “پایان” به عنوان زمان پرواز (TOF) محاسبه می‌شود که بر اساس آن سرعت جریان سیال تعیین می‌گردد.

 راه‌حل‌های پیش‌پردازنده آنالوگ برای سنجش جریان

حسگرهای التراسونیک با استفاده از مدارهای پیش‌پردازنده آنالوگ، از جمله سیستم‌های AFE یکپارچه مانند TDC1000 و TDC7200، توانایی حذف یا کاهش تأثیر ناسازگاری‌های مبدل‌ها بر دقت اندازه‌گیری را در شرایط جریان ثابت دارند. این نوع مدارهای واسط برای افزایش دقت و کاهش اثرات نویز و عدم تطابق در مبدل‌های مختلف طراحی شده‌اند. استفاده از این فناوری‌ها باعث می‌شود که دقت اندازه‌گیری در شرایط مختلف و به خصوص در حسگرهای کم‌هزینه حفظ شود.

 استانداردها و سنسورهای مقرون به صرفه

برای کنتورهای آب، استانداردهای مختلفی وجود دارد که تضمین می‌کنند سنسورها بتوانند جریان آب را با دقت بالا اندازه‌گیری کنند. حسگرهای التراسونیک به دلیل هزینه پایین و کارایی بالا، به ویژه در سیستم‌های آب و کنتورهای حرارتی مورد استفاده قرار می‌گیرند. این حسگرها به دلیل هزینه پایین‌تر نسبت به سنسورهای مکانیکی و دقت بالا در اندازه‌گیری جریان، گزینه‌ای مناسب برای کاربردهای تجاری و صنعتی هستند.

حسگرهای التراسونیک به دلیل مزایای فراوانی که دارند، از جمله دقت بالا، نیاز به نگهداری کم و عدم نیاز به تماس مستقیم با سیال، به طور گسترده‌ای در صنایع مختلف به کار می‌روند. این حسگرها به خصوص در سیستم‌های آب و کنتورهای حرارتی بسیار موثر هستند و با فناوری‌های نوین نظیر زمان پرواز (TOF)، امکان اندازه‌گیری دقیق جریان سیال را فراهم می‌کنند.