Ultrasonik Debimetre Çalışma Prensibi ve Montajı

Ultrasonik debimetre nedir?

Ultrasonik debimetre, borudan akan bir akışkanın hızını ses dalgalarıyla (ultrason) ölçen ve hacimsel debiyi bu hızdan hesaplayan debimetredir. Hareketli parçası olmadığı için bir ansiklopedi maddesine göre kullanım ve bakım maliyeti çoğu zaman düşüktür.

Bir üreticiye göre ölçüm temelden farklı üç yöntemden biriyle yapılır: geçiş süresi farkı (transit time), Doppler ve çapraz korelasyon; en çok uygulanan ve en doğru yöntem geçiş süresi farkıdır. Kapalı borulardakilerin yanında, açık kanallarda su yüksekliğini ultrasonla ölçen debimetreler de bu aileye girer.

Debinin ne olduğu ve diğer ölçüm ilkeleri debi nedir rehberinde anlatılır; bu rehber ultrasonik debimetrenin nasıl çalıştığına, hangi sıvılarda kullanıldığına ve kelepçeli sensörlerin nasıl monte edildiğine odaklanır.

Ultrasonik debimetre nasıl çalışır?

Geçiş süresi yöntemiyle çalışan ultrasonik debimetre, akış yönünde ve akışa karşı gönderilen ses darbelerinin yolculuk süreleri arasındaki farktan akışkanın ortalama hızını bulur.

Temel olay basittir: akan sıvı, içinde ilerleyen ses dalgasını kendi yönüne doğru sürükler. Akış yönünde yollanan bir ses darbesi karşıdaki sensöre biraz daha erken, akışa karşı yollanan darbe biraz daha geç varır; akış durunca iki süre eşitlenir. Bir üretici bunu yüzmeye benzetir: akıntıya karşı yüzmek daha çok güç ve zaman ister.

Borunun iki noktasına konan sensörlerin her biri hem verici hem alıcıdır; darbeleri sırayla birbirine yollarlar. Sensörlerin bağlandığı ana ünite (transmitter) darbeleri başlatır ve iki yöndeki geçiş sürelerini ölçer. Bir ansiklopedi maddesine göre süre farkı, ses yolu boyunca akışkanın ortalama hızının ölçüsüdür; bir üreticiye göre sensörler arasındaki uzaklık bilindiğinde bu fark akış hızıyla doğru orantılıdır.

Hız formülü

Ses, akış yönüyle α açısı yapan L uzunluğunda bir yolda ilerlesin; akış hızının yol üzerindeki bileşeni bir yönde sesin hızına eklenir, öbür yönde çıkarılır:

c + v · cos α = L / t(aşağı)

c - v · cos α = L / t(yukarı)

İki denklem birlikte çözülünce ortalama hız bulunur:

v = L / (2 · cos α) × (t(yukarı) - t(aşağı)) / (t(yukarı) × t(aşağı))

• v: ses yolu boyunca ortalama akış hızı (m/s); c: sesin akışkandaki hızı (m/s); L: ses yolunun uzunluğu (m).
• t(aşağı): akış yönündeki geçiş süresi; t(yukarı): akışa karşı geçiş süresi (s).

Hız formülünde sesin akışkandaki hızı yer almaz. Bir ders kitabına göre bu yüzden geçiş süreli debimetre ses hızındaki değişimlerden etkilenmez; akışkanın bileşimi, sıcaklığı ya da basıncındaki değişimlerin doğruluğa etkisi azdır.

Örnek: süre farkı ne kadar küçüktür?

Şu değerleri kabul edelim (gerçek bir cihazın değerleri değildir): iç çapı 100 mm boru, ses yolu ile akış yönü arasında 45° ve sesin sıvıyı bir kez geçtiği bir yol. Yol uzunluğu L = 0,1 m / sin 45° ≈ 0,1414 m olur. Sesin 20 °C’deki tatlı sudaki hızı yaklaşık 1.481 m/s’dir. Su 2 m/s hızla akıyorsa:

t(aşağı) = 0,1414 m / (1.481 m/s + 2 m/s × cos 45°) ≈ 95,399 µs

t(yukarı) = 0,1414 m / (1.481 m/s - 2 m/s × cos 45°) ≈ 95,582 µs

Fark yalnız yaklaşık 182 nanosaniyedir; BCUF3000 kılavuzu da sensörlerin aralığını ve hizalamasını doğru ölçüm için kritik etkenler olarak sayar.

Hızdan debi nasıl hesaplanır?

Debi, ortalama hızın borunun iç kesit alanıyla çarpılmasıyla bulunur: Q = A · v. Örnekteki boruda 2 m/s hız (π/4 × 0,1² × 2) yaklaşık 15,7 L/s ya da 56,5 m³/h eder. Bir hattın dış çapını ve et kalınlığını boru çapları tablosunda, debinin başka birimlerdeki karşılığını debi birimi çeviricide bulabilirsiniz. Bir üreticiye göre ultrasonik debimetreler hızı genellikle yalnız ses yolu boyunca ölçtüğü için akış profili önemlidir; bazı sistemler birden çok ses yoluyla bu etkiyi azaltır.

Doppler ultrasonik debimetre nedir, geçiş süresinden farkı nedir?

Doppler ultrasonik debimetre, akışkana gönderilen ses dalgasının akışla taşınan yansıtıcılardan geri dönerken uğradığı frekans kaymasından akış hızını bulur. Yansıtıcılar çoğunlukla katı parçacıklar ya da hava kabarcıklarıdır; bir ansiklopedi maddesine göre sıvı temizse akışkanın kendi türbülansı da sesi yansıtabilir. Bir üreticiye göre Doppler debimetrede tek bir sensör hem verici hem alıcıdır. Bir ders kitabına göre frekans kayması akış hızıyla doğru orantılıdır ama sesin akışkandaki hızına da bağlıdır; bu yüzden sıcaklık ve bileşim Doppler ölçümünü etkiler.

İki yöntem farklı akışkan koşullarına uyar:

• Geçiş süresi: Bir üreticiye göre temiz akışkanların doğru ölçümünde kullanılır ve parçacık ya da kabarcık gerektirmez; bir ders kitabına göre sıvıda sesi saçacak ya da engelleyecek kabarcık ve katı bulunmamalıdır. Aynı üreticiye göre gazlarda da uygulanır.
• Doppler: Bir üreticiye göre geçiş süresi yönteminin kaldıramayacağı oranda gaz ya da katı içeren akışkanlara uygundur; ansiklopedi maddesi bulamaçları, kabarcıklı sıvıları ve ses yansıtan parçacık taşıyan gazları örnek verir. Bir ders kitabına göre ise çok temiz sıvılarda yansıma fazla zayıf kalabilir, gaz akışlarında da güçlü yankı verecek parçacık beklenmez.

Sabit Tip Ultrasonik Debimetre BCUF3000 ve Portatif Ultrasonik Debimetre BUF3000 geçiş süresi yöntemiyle çalışır.

Kelepçeli (clamp-on) ve boru içi ultrasonik debimetre arasındaki fark nedir?

Kelepçeli (clamp-on) ultrasonik debimetrenin sensörleri borunun dışına bağlanır ve akışkana temas etmez; boru içi (inline) ve batırma tiplerde ise sensörler akışkana temas eder ya da hazır bir ölçüm borusuna yerleştirilmiştir. Bir üreticiye göre:

• Boru içi (inline): Sensörleri önceden takılmış hazır bir ölçüm borusudur. Çoğunlukla iki ya da daha fazla sensör çiftiyle ölçer ve laboratuvarda bulunan doğruluğu sahaya taşımak için uygundur.
• Batırma (ıslak): Sensör akışkana doğrudan değer; tutucusu boru cidarına kaynaklanır. Bazı üreticiler sıcak bağlantıyla (hot tapping) takılan sensörler de sunar.
• Kelepçeli: Ses boru cidarını geçebildiği için sensör dışarıda kalır; üreticiye göre bu düzende ses her zaman borunun merkezinden geçer.

Kelepçeli sistemde montaj için boru kesilmez, proses durdurulmaz. Aynı üreticiye göre bu sistemler, kurulum yüzünden prosesin kesintiye uğramaması gereken yerlerde öne çıkar; çok korozif, zehirli ya da aşındırıcı akışkanlar ile cam elyaf takviyeli plastik (CTP) dahil plastik ve büyük çaplı borular da kullanım alanları arasındadır.

Sensör konumunun hesaplanması için bir ölçüm firması ve bir üretici aynı bilgileri ister: borunun dış çapı ya da çevresi, et kalınlığı ve malzemesi, varsa iç kaplamanın malzemesi ve kalınlığı; akışkanın ses hızı ya da türü ve sıcaklığı. Üreticiye göre sensörler özensiz yerleştirilirse kalibrasyon katsayısı ve katılara duyarlılık etkilenir.

Sensörler V, Z ve W yöntemiyle nasıl yerleştirilir?

Kelepçeli sensörler, sesin sıvıyı bir yandan öbür yana kaç kez geçeceğine göre V, Z ya da W yöntemiyle yerleştirilir. BUF3000 kataloğuna göre ses V yönteminde sıvıyı iki, W yönteminde dört, Z yönteminde bir kez geçer; BCUF3000 kılavuzu da bu üç yöntemi sayar.

• Z yöntemi (bir geçiş): Sensörler borunun karşılıklı iki yanındadır; ses sıvıyı bir kez geçer ve hiç yansımadan ikinci sensöre ulaşır. Kısa yolda sinyal genellikle daha az zayıflar; bir ölçüm firmasına göre büyük çaplı borularda, sesi çok sönümleyen boru ya da akışkanlarda ve V düzeninde sinyal zayıf kaldığında yararlıdır.
• V yöntemi (iki geçiş): İki sensör borunun aynı yanındadır; ses sıvıyı geçer, karşı duvardan bir kez yansır ve ikinci geçişle aynı yandaki sensöre döner. Sensörler ortak bir montaj rayında hizalanabilir; aynı firmaya göre birçok sıvı uygulamasında ilk tercih edilen düzendir. BCUF3000 kılavuzu V yöntemini iç çapı 50-200 mm olan borular için verir.
• W yöntemi (dört geçiş): Ses ikinci sensöre ulaşana kadar duvarlar arasında birden çok kez yansır. Küçük çaplı borularda yolu uzatıp süre farkını büyütür; ama her ek geçiş ve yansıma sinyali zayıflatır, bu yüzden kabarcık, katı, kalın cidar ya da sönümleyen kaplama varsa kullanılamayabilir. BCUF3000 kılavuzu W yöntemini genellikle 15-50 mm çaplı borular için verir.

Aynı firmaya göre “küçük boruda W, orta boruda V, büyük boruda Z” kuralı yalnız bir başlangıç noktasıdır; BCUF3000 kılavuzu da seçimin boruya ve akışkana bağlı olduğunu belirtir. Sensör aralığını cihaz hesaplar; BCUF3000 kılavuzuna göre gerçek aralık menüde gösterilen değere mümkün olduğunca yakın olmalıdır.

Ultrasonik debimetre hangi sıvılarda kullanılır, nerede kullanılmaz?

Geçiş süreli kelepçeli ultrasonik debimetre, sesi iletebilen, boruyu tam dolduran ve fazla kabarcık ya da katı içermeyen sıvılarda kullanılır. BCUF3000 kılavuzu uygun akışkanlar arasında su, deniz suyu, endüstriyel atık su, asit ve alkali sıvılar, alkol, bira ve ultrasonu iletebilen tek tip yağları sayar; bulanıklık 10.000 ppm’den az olmalı, sıvı az kabarcıklı olmalıdır. Bu liste uygunluğu gösterir; önerilerimiz aşağıdadır.

Müşterilerimize ultrasonik debimetreyi şu hatlarda öneriyoruz:

• Temiz su ve içme suyu: elektromanyetik, ultrasonik ya da türbin debimetre.
• Asit, baz ve kimyasallar: elektromanyetik ya da ultrasonik; kimyasal hazırlama ve besleme hatlarında elektromanyetik ya da kelepçeli ultrasonik debimetre.
• Saf su: kelepçeli ultrasonik, vorteks ya da türbin debimetre.

Atık su ve çamurda ise elektromanyetik debimetre öneriyoruz; tüm öneriler debimetre seçim tablosundadır.

Ölçümü zorlaştıran durumlar şunlardır:

• Hava kabarcığı ve katı: Bir ölçüm firmasına göre geçiş süresi yöntemi en güvenilir sonucu tek fazlı bir akışkanda verir. Bir üretici kanalizasyon ve kağıt hamurundaki lifli katıları özellikle zor bulur; ona göre gaz ve katı sesi sönümleyip dağıtır ve ölçülebilirliği en sonunda gerçek koşullardaki bir deneme ölçümü gösterir.
• Kısmen dolu boru: Kelepçeli geçiş süreli ölçüm borunun tam dolu olmasını ister; BCUF3000 kılavuzu da sensörlerin borunun tamamen dolu olduğu bir noktaya kurulmasını ister. Kanal ve savak gibi serbest yüzeyli akışlarda açık kanal debimetreleri kullanılır.
• Boru malzemesi: Bir ders kitabına göre boru malzemesi sesi iyi iletecek kadar homojen olmalıdır; gözenekli malzemeler uygun değildir. BCUF3000 kılavuzunun saydığı uygun malzemelerden bazıları çelik, paslanmaz çelik, dökme demir, bakır, PVC, alüminyum ve CTP’dir.
• İç kaplama ve tortu: Bir üreticiye göre kalın iç kaplamalar sinyali sönümler; BCUF3000 kılavuzu da plastik kaplamalı bazı borularda ölçümün çok zorlaştığını belirtir. Boru içindeki tortu ise kesiti daraltarak debi hesabında hataya yol açar.

Kelepçeli ultrasonik debimetre montajında nelere dikkat edilmeli?

Kelepçeli ultrasonik debimetre, tam dolu ve önünde yeterli düz boru olan bir noktaya, temizlenmiş yüzeye akustik bağlayıcıyla ve çoğu zaman borunun yan tarafına monte edilir; ardından teşhis değerleriyle kontrol edilir.

Düz boru mesafesi ne kadar olmalı?

Bir ders kitabına göre ultrasonik debimetreler girdaptan (swirl) ve büyük akış bozulmalarından olumsuz etkilenir; akış profilinin oturması için uzun düz boru gerekebilir. Bir üreticiye göre kelepçeli teknoloji, bozucu elemana bağlı olarak önde 15 boru çapı ya da daha fazla düz boru isteyebilir. Bir ölçüm firmasına göre pompa, kısmen kapalı vana, kontrol vanası, farklı düzlemlerdeki dirsekler, T bağlantılar ve redüksiyonlardan yeterince uzak durulur; “önde 10, arkada 5 boru çapı” gibi genel kurallar her durumda yetmez, kesin mesafe üreticinin verilerinden belirlenir.

Sabit Tip Ultrasonik Debimetre BCUF3000 kılavuzunun teknik tablosuna göre sensörlerin önünde 10, arkasında 5 boru çapı düz boru gerekir; pompadan sonra bu mesafe 30 boru çapıdır. İç çapı yaklaşık 100 mm olan bir hatta bu, önde yaklaşık 1 m, arkada 0,5 m, pompadan sonra 3 m demektir. Kılavuza göre düz boru ne kadar uzunsa o kadar iyidir.

Sensörler borunun neresine konur?

Bir ölçüm firmasına göre yatay bir sıvı hattında yan konumlar çoğu zaman borunun tepesinden ya da dibinden daha uygundur: tepede gaz kabarcıkları, dipte tortu birikebilir. Dikey hatta akışın yukarı doğru olması borunun dolu kalmasına yardım eder. BCUF3000 kılavuzu da borunun üst kısmındaki gaz kabarcıklarından kaçınmak için sensörlerin yatay biçimde kurulmasını ister.

Boru yüzeyi nasıl hazırlanır, akustik bağlayıcı neden sürülür?

Ses dalgasının sensörden boru cidarına geçebilmesi için aralarında hava kalmamalıdır. Bir ölçüm firmasına göre gevşek boya, pas ve kireç akustik bağlantıyı engeller; temizlenen yüzeye havasız bağlantı için kuplaj maddesi (akustik bağlayıcı) sürülür ve sensörler eşit baskıyla sabitlenir. BCUF3000 kılavuzu da toz ve pasın temizlenmesini, borunun zımparayla parlatılmasını, yeterli bağlayıcı sürülmesini ve sensörle boru arasında boşluk bırakılmamasını ister.

Montaj nasıl kontrol edilir?

Montajın doğruluğu yalnız ekrandaki debiye bakarak anlaşılmaz. BCUF3000 kılavuzu üç teşhis değerini öne çıkarır:

• Sinyal gücü (00,0-99,9): 60,0’ın altındaysa daha uygun bir konum seçilir; yüzey parlatılıp temizlenir, daha fazla bağlayıcı kullanılır.
• Sinyal kalitesi (Q): Normal koşullarda 60,0-90,0; düşük Q parazite ya da kötü akustik bağlantıya işaret edebilir.
• Ölçülen ve hesaplanan geçiş süresi oranı: Boru verileri ve montaj doğruysa 100±3; sapmada girilen değerler ve sensör aralığı kontrol edilir.

Ölçüm noktasını keşifle sizinle birlikte seçebilir, montajı ve devreye almayı sahada yapabiliriz; ayrıntılar hizmetlerimiz sayfasındadır.

Portatif ve sabit tip ultrasonik debimetre arasındaki fark nedir?

Sabit tip ultrasonik debimetre uzun süreli ölçüm için bir yere kalıcı olarak kurulur; portatif (el tipi) ultrasonik debimetre ise pille çalışır ve taşınabilir. Kalıcı ölçümde portatif BUF3000’i değil, sabit tip BCUF3000’i öneriyoruz.

BCUF3000 kılavuzuna göre duvara monte debimetre uzun süreli ölçüm için sabit bir yere kurulur; BUF3000 ise şarj edilebilir pille çalışan el tipi bir debimetredir. Bir ölçüm firması portatif kelepçeli ölçümü doğrulama ölçümleri, pompa testleri ve kalıcı kurulumdan önce ölçüm yerinin seçilmesi gibi işler için uygun bulur.

Açık kanal ultrasonik debimetre nasıl çalışır?

Açık kanal ultrasonik debimetre, kanaldaki su seviyesini ultrasonla, suya değmeden yukarıdan ölçer ve debiyi bu seviyeden hesaplar; bazı tipler seviyenin yanında akış hızını da ölçer. Bir ansiklopedi maddesi iki yöntem anlatır:

• Seviyeden debi: Su seviyesi bir savağın (weir) gerisinde ya da bir ölçüm kanalının (flume) içinde belirli bir noktada ölçülür; seviye, o yapıya özgü bir formülle ya da deneysel bir seviye-debi eğrisiyle debiye çevrilir. Maddeye göre savaklar katı oranı düşük akışlarda, ölçüm kanalları katı oranı düşük ya da yüksek akışlarda kullanılır.
• Alan ve hız: Ölçülen derinlikten akışın kesit alanı hesaplanır, ortalama hız ayrıca ölçülür ve debi ikisinin çarpımıdır. Maddeye göre temassız tiplerde hız kanalın üstünden radar ya da lazerle, su derinliği ultrasonla ölçülür; radar yalnız yüzey hızını görür.

Ultrasonik seviye sensörü sıvıya hiç değmez; bir ders kitabına göre bu yüzden kirlenmez, ama yüzeydeki köpük, yüzen pislik ve dalgalar onu yanıltabilir. Aynı kitap, savak ve ölçüm kanallarında seviye ölçümü için en yaygın teknolojinin ultrasonik olduğunu ve seviye-debi bağıntısının savağın çentik biçimiyle değiştiğini belirtir.

Açık kanal ve savaklarda debi ölçümü için ultrasonik debimetre öneriyoruz. Açık Kanal Debimetre (Ultrasonik) ürün sayfasında ölçüm yöntemi ultrasonik ve radar ile seviye ve hız ölçümü olarak verilir.

Ultrasonik debimetre ile elektromanyetik debimetre arasındaki fark nedir?

Başlıca fark iletkenlik şartıdır: elektromanyetik debimetre yalnız elektriği yeterince ileten sıvıları ölçer; ultrasonik debimetre iletkenlik istemez, ama sıvının sesi iletmesi gerekir. BCUF3000 kılavuzunun uygun akışkanları arasında, elektromanyetik debimetre rehberine göre çoğu iletken olmayan yağlar da vardır (yağ ve yakıt hatlarında önerimiz Coriolis debimetredir).

Özellik	Elektromanyetik debimetre	Kelepçeli ultrasonik debimetre
Ölçüm ilkesi	İletken sıvının manyetik alanda ürettiği gerilim	İki yöndeki ses darbelerinin süre farkı
Akışkan şartı	İletken sıvı	Sesi ileten, kabarcığı ve katısı az sıvı
Montaj	Ölçüm borusu hatta takılır	Sensörler borunun dışına bağlanır; boru kesilmez
Düz boru (Befa örneği)	BMF2000: önde 5, arkada 2 boru çapı	BCUF3000: önde 10, arkada 5; pompadan sonra 30 boru çapı

Bir ders kitabına göre iki tip de akışı engellemez, kalıcı basınç kaybı son derece düşüktür. Elektromanyetik Debimetre BMF2000 en az 5 µS/cm iletkenlik ister; bundan düşük iletkenlikli saf suda kelepçeli ultrasonik önerdiğimiz tipler arasındadır.

Ultrasonik debimetre hangi çıkış sinyallerini verir, veri kaydı yapar mı?

BCUF3000’in ürün sayfasına ve kılavuzuna göre çıkışları şunlardır:

• Analog çıkış: 4-20 mA akım çıkışı (0-20 mA modu cihaz sürümüne bağlıdır); akım döngüsü 4-20 mA sinyal nedir rehberinde anlatılır.
• Frekans ve röle çıkışı: 1-9999 Hz frekans sinyali veren OCT çıkışı; sinyal yokluğu ya da ters akış gibi durumlar için röle çıkışı.
• Haberleşme: 1000 m’ye kadar iletim mesafeli RS485 seri port üzerinden Modbus ve M-BUS; Modbus ayarları Modbus nedir rehberindedir.

BCUF3000 iki yönde ölçer; ürün sayfasına göre son 64 günün, 32 ayın ve 2 yılın toplam akış verisini kaydeder. BUF3000 anlık ve toplam akışı ekranında gösterir ve ölçüm verilerini kaydeder.

Befa Proses’in ultrasonik debimetreleri hangileri?

• Sabit Tip Ultrasonik Debimetre BCUF3000: Duvara monte, kelepçeli sensörlü; DN15-DN6000 borularda, çapa göre seçilen sensörlerle ölçer. Doğruluğu ±%1’den iyi, akış hızı aralığı 0-10 m/s’dir; DN15-DN1000 aralığında yüksek sıcaklık sensörleriyle 160 °C’ye kadar akışkanlarda kullanılır. 220 VAC ya da 24 VDC ile çalışır; koruma sınıfı IP65’tir.
• Portatif Ultrasonik Debimetre BUF3000: Şarj edilebilir pilli, el tipi; kelepçeli sensörleri V, Z ya da W yöntemiyle kurulur, doğruluğu %1 düzeyindedir. Standart sensörler -30 ile 90 °C, yüksek sıcaklık sensörleri 160 °C’ye kadar kullanılır.
• Açık Kanal Debimetre (Ultrasonik): Ürün sayfasına göre seviye ve hız ölçümüyle çalışır; fabrika atık su kanalları, akarsular ve HES regülatörleri uygulama alanları arasındadır.

Ultrasonik debimetre seçerken akışkanı ve sıcaklığını, borunun dış çapını, et kalınlığını ve malzemesini, varsa iç kaplamayı ve kontrol sisteminizin beklediği sinyali bize iletin; uygun cihazı ve sensör tipini birlikte belirleyelim.