Apa itu Ultrasonic Flow Meter?
Apa itu Ultrasonic Flow Meter? Bagaimana Cara Kerjanya? dan Aplikasi yang sesuai dengan cara kerjanya di tempat yang seperti apa? mungkin itu adalah beberapa pertanyaan yang ada di benak anda, disini kami akan membahas dengan lengkap tentang Ultrasonic Flow Meter.
Jadi, Ultrasonic Flow Meter itu mengukur kecepatan fluida dengan menggunakan gelombang suara frekuensi tinggi di sepanjang jalur aliran fluida. Gerakan fluida mempengaruhi propagasi gelombang suara ini yang kemudian dapat diukur untuk menyimpulkan kecepatan fluida.
Ada dua sub-tipe utama pengukur aliran ultrasonik: Doppler dan waktu transit (Transit-time). Kedua jenis Ultrasonic Flow Meter bekerja dengan mentransmisikan gelombang suara frekuensi tinggi ke dalam aliran fluida (pulse insiden) dan menganalisis pulse yang diterima.
Baca Juga : Apa itu Flow Switch?
Doppler Flow Meter memanfaatkan efek Doppler, yang merupakan pergeseran frekuensi yang dihasilkan dari gelombang yang dipancarkan atau dipantulkan oleh objek yang bergerak. Realisasi umum dari efek Doppler adalah persepsi pergeseran frekuensi laporan klakson dari kendaraan yang bergerak: saat kendaraan mendekati pendengar, nada klakson tampak lebih tinggi dari biasanya; ketika kendaraan melewati pendengar dan mulai menjauh, nada klakson tiba-tiba tampak “bergeser ke bawah” ke frekuensi yang lebih rendah.
Pada kenyataannya, frekuensi klakson tidak pernah berubah, tetapi kecepatan kendaraan yang mendekat relatif terhadap pendengar yang diam bertindak untuk “memadat” getaran sonik di udara. Ketika kendaraan bergerak menjauh, gelombang suara “membentang” dari sudut pandang pendengar.
Efek yang sama terjadi jika gelombang suara ditujukan pada objek yang bergerak, dan frekuensi gema dibandingkan dengan frekuensi yang ditransmisikan (insiden). Jika gelombang pantul kembali dari gelembung yang maju menuju transduser ultrasonik, frekuensi pantul akan lebih besar dari frekuensi datang.
Jika aliran berbalik arah dan gelombang pantul kembali dari gelembung yang bergerak menjauhi transduser, frekuensi pantul akan lebih kecil dari frekuensi datang.
Ini cocok dengan fenomena nada klakson kendaraan yang tampaknya meningkat saat kendaraan mendekati pendengar dan tampaknya menurun saat kendaraan menjauh dari pendengar.
Pengukur aliran Doppler memantulkan gelombang suara dari gelembung atau material partikulat dalam aliran aliran, mengukur pergeseran frekuensi dan menyimpulkan kecepatan fluida dari besarnya pergeseran itu.
Baca Juga: Karakteristik Instrumen Statis dan Dinamis
Persyaratannya yaitu adanya objek dalam aliran aliran yang cukup besar untuk memantulkan gelombang suara membatasi pengukur aliran ultrasonic Doppler untuk aplikasi cair.
Cairan “kotor” seperti bubur dan air limbah, atau cairan yang membawa sejumlah besar gelembung gas (misalnya minuman berkarbonasi) adalah kandidat cairan yang baik untuk teknologi ini.
Tidak realistis untuk mengharapkan bahwa aliran gas apa pun akan membawa tetesan cairan atau materi padat yang cukup besar untuk memantulkan gema yang kuat, sehingga pengukur aliran Doppler tidak dapat digunakan untuk mengukur aliran gas.
Hubungan matematis antara kecepatan fluida (v) dan pergeseran frekuensi Doppler (Δf) adalah sebagai berikut, untuk kecepatan fluida jauh lebih kecil daripada kecepatan suara melalui fluida itu (v << c):
Dimana,
Δf = Pergeseran frekuensi Doppler
v = Kecepatan fluida (sebenarnya, partikel yang memantulkan gelombang suara)
f = Frekuensi gelombang suara datang
θ= Sudut antara transduser dan garis tengah pipa
c = Kecepatan suara dalam fluida proses
Perhatikan bagaimana efek Doppler menghasilkan pengukuran langsung kecepatan fluida dari setiap gema yang diterima oleh transduser.
Ini sangat kontras dengan pengukuran jarak berdasarkan cahaya waktu mati (reflektometri domain waktu – di mana jumlah waktu antara pulsa yang datang dan gema yang dikembalikan sebanding dengan jarak antara transduser dan permukaan pemantulan)
seperti dalam penerapan pengukuran level cairan ultrasonic. Dalam Ultrasonic Doppler Flow Meter, waktu tunda antara insiden dan pulsa yang dipantulkan tidak relevan. Hanya pergeseran frekuensi antara insiden dan sinyal yang dipantulkan yang penting.
Pergeseran frekuensi ini juga berbanding lurus dengan kecepatan aliran, menjadikan flowmeter ultrasonik Doppler sebagai perangkat pengukuran linier.
Mengatur ulang persamaan pergeseran frekuensi Doppler untuk memecahkan kecepatan (sekali lagi, dengan asumsi v << c),
Baca Juga: Perbedaan Antara Kabel Optik dan Coaxial
Mengetahui bahwa laju aliran volumetrik sama dengan produk luas pipa dan kecepatan rata-rata fluida (Q = Av), kita dapat menulis ulang persamaan untuk secara langsung menyelesaikan laju aliran yang dihitung (Q):
Pertimbangan yang sangat penting untuk pengukuran aliran ultrasonik Doppler adalah bahwa kalibrasi pengukur aliran bervariasi dengan kecepatan suara melalui cairan (c).
Hal ini mudah terlihat dengan adanya c dalam persamaan di atas: ketika c meningkat, Δf harus menurun secara proporsional untuk setiap laju aliran volumetrik tetap Q.
Karena flowmeter dirancang untuk secara langsung menginterpretasikan laju aliran dalam Δf, peningkatan c yang menyebabkan penurunan Δf akan dicatat sebagai penurunan Q.
Ini berarti kecepatan suara untuk fluida harus diketahui dengan tepat agar pengukur aliran ultrasonik Doppler dapat mengukur aliran secara akurat.
Kecepatan suara melalui cairan apa pun adalah fungsi dari kepadatan medium dan modulus curah (seberapa mudahnya memampatkan):
Di mana,
c = cepat rambat bunyi dalam suatu bahan (meter per sekon)
B = Modulus curah (pascal, atau newton per meter persegi)
ρ= Massa jenis fluida (kilogram per meter kubik)
Suhu mempengaruhi densitas cairan, dan komposisi (konstituen kimia cairan) mempengaruhi modulus curah. Dengan demikian, suhu dan komposisi keduanya merupakan faktor yang mempengaruhi kalibrasi flowmeter ultrasonik Doppler.
Tekanan tidak menjadi perhatian di sini, karena tekanan hanya mempengaruhi densitas gas, dan kita sudah tahu flowmeters Doppler hanya berfungsi dengan cairan.
Mengikuti tema membutuhkan gelembung atau partikel dengan ukuran yang cukup, batasan lain dari pengukur aliran ultrasonik Doppler adalah ketidakmampuannya untuk mengukur laju aliran cairan yang terlalu bersih dan terlalu homogen. Dalam aplikasi seperti itu, pantulan gelombang suara akan terlalu lemah untuk diukur dengan andal.
Demikian pula halnya ketika partikel padat memiliki kecepatan suara yang terlalu dekat dengan kecepatan cairan, karena pemantulan hanya terjadi ketika gelombang suara bertemu material dengan kecepatan suara yang sangat berbeda.
Pengukur aliran ultrasonik tipe Doppler tidak berguna dalam aplikasi di mana kita tidak dapat memperoleh pantulan gelombang suara yang kuat.
Flowmeters waktu transit, kadang-kadang disebut flowmeters counterpropagation, adalah alternatif flowmeters ultrasonik Doppler.
Baca Juga : 8 Tips Untuk Memilih Flow Meter
Ultrasonic Flow Meter Transit Time menggunakan sepasang sensor yang berlawanan untuk mengukur perbedaan waktu antara pulsa suara yang berjalan dengan aliran fluida versus pulsa suara yang berjalan melawan aliran fluida.
Karena gerakan fluida cenderung membawa gelombang suara, pulsa suara yang ditransmisikan ke hilir akan membuat perjalanan lebih cepat daripada pulsa suara yang ditransmisikan ke hulu:
Laju aliran volumetrik melalui flowmeter waktu transit adalah fungsi sederhana dari waktu propagasi hulu dan hilir:
Dimana,
Q = Laju aliran volumetrik yang dihitung
k = Konstanta proporsionalitas
tup = Waktu pulsa suara untuk melakukan perjalanan dari lokasi hilir ke lokasi hulu (hulu, melawan arus)
tdown = Waktu pulsa suara untuk melakukan perjalanan dari lokasi hulu ke lokasi hilir (hilir, dengan aliran)
Karakteristik yang menarik dari pengukuran kecepatan waktu transit adalah bahwa rasio perbedaan waktu transit terhadap produk waktu transit tetap konstan dengan perubahan kecepatan suara melalui fluida.
Jika Anda ingin membuktikannya sendiri, Anda dapat melakukannya dengan mengganti panjang lintasan (L), kecepatan fluida (v), dan kecepatan suara (c) untuk waktu dalam rumus aliran. Gunakan tup = L/(c−v) dan tdown = L/(c+v) sebagai substitusi Anda, kemudian secara aljabar kurangi rumus aliran sampai Anda menemukan bahwa semua suku c batal. Hasil akhir Anda seharusnya Q = 2kv/L .
Ketika persamaan ini dimasukkan ke dalam panjang lintasan (L), kecepatan fluida (v), dan kecepatan suara (c), persamaan disederhanakan menjadi Q = 2kv/L , membuktikan bahwa flow meter waktu transit linier seperti Flowmeter Doppler, dengan keuntungan kebal terhadap perubahan kecepatan suara fluida.
Perubahan modulus curah yang dihasilkan dari perubahan komposisi fluida, atau perubahan densitas yang dihasilkan dari komposisi, suhu, atau variasi tekanan karena itu memiliki sedikit pengaruh pada akurasi pengukur aliran waktu transit.
Pengukur aliran ultrasonik waktu transit tidak hanya kebal terhadap perubahan kecepatan suara, tetapi juga mampu mengukur kecepatan sonik yang tidak bergantung pada laju aliran.
Persamaan untuk menghitung kecepatan suara berdasarkan waktu rambat hulu dan hilir adalah sebagai berikut:
Dimana,
c = Hitung kecepatan suara dalam fluida
L = Panjang jalur
tup = Waktu pulsa suara untuk melakukan perjalanan dari lokasi hilir ke lokasi hulu (hulu, melawan arus)
tdown = Waktu pulsa suara untuk melakukan perjalanan dari lokasi hulu ke lokasi hilir (hilir, dengan aliran)
Meskipun tidak diperlukan atau bahkan sangat relevan untuk tujuan langsung pengukuran aliran, kesimpulan kecepatan suara fluida ini tetap berguna sebagai alat diagnostik. Jika kecepatan suara sebenarnya untuk fluida diketahui baik dengan pengukuran laboratorium langsung dari sampel atau dengan analisis kimia sampel, kecepatan ini dapat dibandingkan dengan kecepatan suara yang dilaporkan meter aliran untuk memeriksa akurasi pengukuran waktu transit absolut meter aliran . Masalah tertentu di dalam sensor atau di dalam elektronik sensor dapat dideteksi dengan cara ini.
Persyaratan untuk pengoperasian yang andal dari pengukur aliran ultrasonik waktu transit adalah bahwa cairan proses harus bebas dari gelembung gas atau partikel padat yang mungkin menyebarkan atau menghalangi gelombang suara.
Perhatikan bahwa ini adalah persyaratan kebalikan dari pengukur aliran ultrasonik Doppler, yang membutuhkan gelembung atau partikel untuk memantulkan gelombang suara.
Baca Juga : Variable Area Flow Meter
Persyaratan yang berlawanan ini dengan rapi membedakan aplikasi yang cocok untuk pengukur aliran waktu transit dari aplikasi yang cocok untuk pengukur aliran Doppler, dan juga meningkatkan kemungkinan penggunaan pengukur aliran ultrasonik waktu transit pada aliran aliran gas serta aliran aliran cair.
Satu masalah potensial dengan pengukur aliran ultrasonik apa pun adalah kemampuan untuk mengukur kecepatan fluida rata-rata yang sebenarnya ketika profil aliran berubah dengan bilangan Reynolds. Jika hanya satu “sinar” ultrasonik yang digunakan untuk menyelidiki kecepatan fluida, jalur yang diambil sinar ini kemungkinan akan melihat profil kecepatan yang berbeda saat laju aliran berubah (dan bilangan Reynolds berubah seiring dengan itu).
Ingat perbedaan profil kecepatan fluida antara aliran bilangan Reynolds rendah (kiri) dan aliran bilangan Reynolds tinggi (kanan):
Cara populer untuk mengurangi masalah ini adalah dengan menggunakan beberapa pasangan sensor, mengirimkan sinyal akustik sepanjang beberapa jalur melalui cairan (yaitu flowmeter ultrasonik multipath), dan rata-rata pengukuran kecepatan yang dihasilkan.
Pengukur aliran waktu transit berkas ganda telah digunakan selama lebih dari satu dekade pada saat penulisan ini (2009), dan satu produsen bahkan memiliki model pengukur aliran ultrasonik lima berkas yang mereka klaim mempertahankan akurasi ± 0,15% melalui transisi rezim aliran laminar ke turbulen.
Ilustrasi sederhana dari pengukur aliran ultrasonik empat balok (atau empat “akor”) Daniel ditampilkan di sini:
Ultrasonic Flow Meter multipath, berdasarkan mengukur lebih dari satu jalur gelombang suara melalui cairan, juga memiliki kemampuan untuk mendeteksi profil aliran tidak teratur.
Setiap jalur sonik antara pasangan sensor dalam pengukur aliran ultrasonik waktu transit, yang disebut akor, mengukur kecepatan aliran. Kecepatan yang dilaporkan untuk setiap chord dapat dibandingkan dengan kecepatan aliran rata-rata yang dihitung dari flow meter, dan dinyatakan sebagai rasio kecepatan.
Tali busur tertentu yang mengukur kecepatan lebih besar dari rata-rata pengukur aliran akan melaporkan rasio kecepatan lebih besar dari satu (> 1), sedangkan tali busur yang mengukur kecepatan kurang dari rata-rata meter akan melaporkan rasio kecepatan kurang dari satu (<1).
Dalam ultrasonic flow meter chord Daniel, dua chord (B dan C) mengukur kecepatan di dekat pusat pipa sementara yang lain (A dan D) mengukur kecepatan lebih dekat ke dinding pipa.
Ultrasonic Flow Meter multipath, berdasarkan mengukur lebih dari satu jalur gelombang suara melalui cairan, juga memiliki kemampuan untuk mendeteksi profil aliran tidak teratur.
Setiap jalur sonik antara pasangan sensor dalam pengukur aliran ultrasonik waktu transit, yang disebut akor, mengukur kecepatan aliran. Kecepatan yang dilaporkan untuk setiap chord dapat dibandingkan dengan kecepatan aliran rata-rata yang dihitung dari flow meter, dan dinyatakan sebagai rasio kecepatan.
Tali busur tertentu yang mengukur kecepatan lebih besar dari rata-rata pengukur aliran akan melaporkan rasio kecepatan lebih besar dari satu (> 1), sedangkan tali busur yang mengukur kecepatan kurang dari rata-rata meter akan melaporkan rasio kecepatan kurang dari satu (<1).
Dalam pengukur aliran ultrasonik empat chord Daniel, dua chord (B dan C) mengukur kecepatan di dekat pusat pipa sementara yang lain (A dan D) mengukur kecepatan lebih dekat ke dinding pipa.
Baca Juga : Apa itu Electromagnetic Flow Meter?
Seperti Magnetic Flow Meter, Ultrasonic Flow Meter benar-benar non-obstruktif, yang berarti mereka menunjukkan kehilangan tekanan permanen yang sangat rendah dan tidak akan menumpuk puing-puing.
Kemajuan dalam teknologi pengukuran aliran ultrasonik telah mencapai titik di mana sekarang layak untuk mempertimbangkan pengukur aliran ultrasonik untuk pengukuran transfer tahanan gas alam.
American Gas Association telah merilis laporan yang menentukan penggunaan pengukur aliran ultrasonik waktu transit multipath dalam kapasitas ini (Laporan #9). Seperti standar pengukuran aliran gas akurasi tinggi AGA #3 (pelat orifice) dan #7 (turbin), standar AGA9 memerlukan penambahan instrumen tekanan dan suhu pada saluran gas untuk mengukur tekanan dan suhu gas guna menghitung aliran baik dalam satuan massa atau dalam satuan volume standar (misalnya SCFM).
Pengukuran suhu dan tekanan untuk flowmeter ultrasonik waktu transit tidak ada hubungannya dengan mengoreksi kesalahan dalam meter itu sendiri, karena kita tahu flowmeters waktu transit secara inheren kebal terhadap perubahan kepadatan atau komposisi gas.
Pengukuran suhu dan tekanan diperlukan untuk aplikasi transfer tahanan hanya karena pengukur aliran ultrasonik, seperti pengukur aliran turbin, hanya mengukur aliran volumetrik.
Penjualan dan pembelian gas yang adil memerlukan pengukuran kuantitas molekul, bukan hanya volume, itulah sebabnya komputer aliran memerlukan pengukuran tekanan dan suhu untuk mengubah output volumetrik pengukur aliran ultrasonik menjadi aliran massa atau aliran volumetrik standar.
Keuntungan unik dari pengukuran aliran ultrasonik adalah kemampuan untuk mengukur aliran melalui penggunaan sensor penjepit sementara daripada tabung aliran khusus dengan transduser ultrasonik built-in. Sementara sensor penjepit bukannya tanpa masalah, mereka merupakan solusi yang sangat baik untuk aplikasi pengukuran aliran tertentu.
Kriteria penting untuk keberhasilan penerapan pengukur aliran penjepit adalah bahwa bahan pipa bersifat homogen, untuk menghantarkan gelombang suara secara efisien antara cairan proses dan transduser penjepit. Oleh karena itu, material pipa berpori seperti tanah liat dan beton tidak cocok untuk pengukuran aliran ultrasonik dengan penjepit.
Sumber : InstrumentationTools.com
