หลักการทำงานของ Ultrasonic Flow Meter เครื่องวัดอัตราการไหลของของเหลว

2 เดือนที่ผ่านมา

โดย เจ้าของร้าน

Ultrasonic FlowMeter (อุลตร้าโซนิคโฟลมิเตอร์)

วิธีการวัดอัตราการไหลของเหลว มีหลายวิธี แต่ละวิธีก็มีหลักการที่แตกต่างกันออกไปส่วนใหญ่มิใช่หาค่า flow โดยตรง แต่จะหาความเร็ว (Velocity) ของการไหลและคำนวณเป็นอัตราการไหล เช่น วิธีการหาค่าความดันแตกต่างโดยใช้ออริฟิส แบบใช้หลักการแม่เหล็ก แบบอุลตร้าโซนิค เป็นต้น ซึ่งแต่ละวิธีก็มีข้อดี ข้อเสีย แตกต่างกันไปตามคุณสมบัติของเครื่องมือวัด และสิ่งที่ต้องการวัด ในบทความนี้จะขอนำเสนอในส่วนของอุลตร้าโซนิคโฟลว์มิเตอร์ ซึ่งมีรายละเอียดดังต่อไปนี้

หลักการทำงานของ Ultrasonic FlowMeter

หลักการทำงานของอุลตร้าโซนิคโฟลว์มิเตอร์ คืออาศัยคลื่นความถี่เหนือเสียงซึ่งมีความถี่สูงเกินที่มนุษย์จะได้ยิน ที่นิยมใช้ในอุตสาหกรรมส่วนใหญ่มีอยู่ 2 ประเภท คือ Doppler และ Transit Time

1. Doppler Ultrasonic Flowmeter

2. Transit Time Ultrasonic Flowmeter

Doppler Ultrasonic FlowMeter

หลักการวัด flow แบบ Doppler Ultrasonic นั้นอาศัยหลักการสะท้อนของคลื่นความถี่ของเสียง เมื่อส่งไปกระทบอนุภาคของสารที่ปะปนอยู่ในของเหลว เนื่องจากอนุภาคของสารมีความเร็วเท่ากับ fluid ดังนั้นความถี่ที่สะท้อนกลับจะต่างไปจากค่าที่ส่งออกไป ค่าความถี่ที่เปลี่ยนไปนี้จะแปรผันตรงกับความเร็วในของไหลของ fluid นั้น ๆ เราจึงสามารถทราบค่าอัตราไหลในรูปปริมาตรได้ ทรานดิวเซอร์ที่ใช้อาจเป็นตัวเดียวที่ทำหน้าที่ทั้งส่งและรับในตัวเดียวกัน หรือแยกเป็นสองตัวก็ได้

ตัวทรานดิวเซอร์จะถูกติดตั้งที่ผิวท่อความถี่ที่ใช้อยู่ระหว่าง 0.5-1 MHz ความถี่ที่ได้จากทรานดิวเซอร์ตัวรับจะถูกเปรียบเทียบกับความถี่ที่ส่งออกไป ถ้าให้ Df เป็นความถี่ที่แตกต่าง fHz เป็นความถี่ที่ส่งออก จะได้ค่า flow(Q) ตามสมการนี้

** ข้อควรระวัง จุดที่ติดตั้ง อุลตร้าโซนิค flow meter จะต้องห่างจาก pump หรือแหล่งกำเนิดความถี่ที่อาจกำเนิดสัญญาณรบกวนได้

Transit Time Ultrasonic FlowMeter

Transit Time Ultrasonic FlowMeter อาศัยหลักการของเวลาที่คลื่นเสียงเดินทางผ่านของไหล โดยจะพิจารณาค่าความแตกต่างของเวลา ระหว่าง ทิศทางที่คลื่นเสียงเดินทางสวนกระแส flow และทิศทางตามกระแส flow ซึ่ง Transit Time Ultrasonic FlowMeter นี่สามารถเรียกอีกชื่อว่า Time of flight หรือ Time of Travel

ในรูปตัวอย่างจะเห็นว่ามีอุปกรณ์เซนเซอร์ติดอยู่ 2 ตัว ตัวหนึ่งเป็น Upsteam (ซ้ายมือผู้อ่าน) อีกตัวหนึงเป็น Downstream (ขวามือผู้อ่าน) ซึ่งแต่ละตัวปล่อยคลื่นอุลตร้าโซนิคความถี่สูงออกไปหาอีกตัวหนึ่งดังรูป ระบบประมวลผลจะตรวจจับแตกต่างของเวลาที่คลื่นเสียงเดินทางตามทิศทางและสวนทิศทางของ flow และแปลงค่าออกมาเป็นค่า flow ตามสมการต่อไปนี้

Tdown = ( D / sinq ) / ( c + V*cosq ), (1)

Tup = ( D / sinq ) / ( c - V*cosq ), (2)

(∆T = Tup - Tdown.)

V = ( D / sin2q ) * ∆T / (Tup * Tdown),

Q = K *A* V,

โดย Tup คือ เวลาที่คลื่นเสียงวิ่งจาก Upsteam ไป Downsteam

Tdown คือ เวลาที่คลื่นเสียงวิ่งจาก Downsteam ไป Upsteam

D คือ เส้นผ่านศูนย์กลางของภายในท่อ

Q คือ ค่าอัตราการไหลของเหลวมีหน่วยเป็นปริมาตรต่อเวลา

A คือ พื้นที่หน้าตัดภายในท่อ

V คือ ความเร็วของไหล

K คือ ค่าสัมประสิทธิ์ของตัวเครื่อง จะทราบค่าตอนสอบเทียบ

Applications:

n HVAC

n Potable water

n Petroleum products

n Ultra-pure liquids

n De-ionised water

n Water and waste management

จุดเด่นของ Ultrasonic Flowmeter

1. ความแม่นยำสูง

2. มีเสถียรภาพ (stability) ตลอดย่านการวัด

3. ความเชื่อมั่นในการทำงานสูง มีความต้องการ การบำรุงรักษาต่ำ

4. มี hydraulic losses ต่ำมาก

5. ส่งข้อมูลการวัดไปยังสถานีควบคุมระยะไกลได้

6. ติดตั้งได้ง่าย เร็ว ไม่มีผลกระทบหลังการติดตั้ง และอยู่นอกท่อ

7. สามารถเลือกระบบการวัดได้หลายช่วงการวัดสำหรับการวัดที่ต้องการวัดหลายท่อ

8. สามารถควบคุมและจัดการระบบได้อย่างเหมาะสม มีสัญญาณส่งไปเพื่อทำการควบคุม

9. สามารถวัดได้หลากหลายขนาดตั้งแต่ 10 มม. ถึง 3,000 มม.

10. สามารถวัดได้แม้กระทั่งของเหลวที่ไม่นำไฟฟ้า Non-Conductive Liquids เช่น Demineralised Water และ Fuels

11. ติดตั้งได้หลังจากเดินการผลิตแล้ว

12.ไม่มีอุปกรณ์ใดขวางกระแสของไหล จึงไม่มีค่าความดันสูญเสียจากเครื่องมือวัดเกิดขึ้น

13.สามารถใช้งานได้ย่าน (range) อุณหภูมิกว้าง (-180oC ถึง 260oC)

14.สามารถติดตั้งเครื่องมือวัดประกบที่ผนังท่อได้โดยไม่ต้องหยุดการทำงาน โดยตำแหน่งที่ติดตั้งควรห่างจากปั๊มหรือแหล่งกำเนิดคลื่นความถี่ที่อาจทำให้เกิดสัญญาณรบกวนได้ และควรเลือกจุดวัดที่ไม่มีการกัดกร่อนของท่อ หรือมีสนิมเกาะอยู่บริเวณผิวท่อ ซึ่งจะผลต่อการส่งคลื่นความถี่ จึงควรทำความสะอาดผิวท่อก่อนการวัด สำหรับท่อบางประเภทที่มีการเคลือบสี หรือทาสีที่ผิวท่อ ความหนาดังกล่าวอาจส่งผลให้คลื่นเสียงส่งผ่านท่อได้ยากขึ้น กรณีนี้ถ้าไม่สามารถระบุชนิดของสีที่เคลือบท่อ และความหนาของสีได้ อาจใช้วิธีการขัดท่อก่อนการวัด

จุดด้อยของ Ultrasonic Flowmeter

1. มีการเผยข้อมูลสู่สาธารณะน้อย

2. ไม่เหมาะสมกับพื้นที่ที่มีการสั่นสะเทือน

3. เกิดค่า error ได้เนื่องจากการกระแทกหรือขยับจากตำแหน่งติดตั้ง

4. ค่าใช้จ่ายเริ่มต้นสูง

5. การติดตั้งต้องใช้ความละเอียดและระมัดระวังสูง

Comparison Table for Flow meter