Ultrasonik Debimetre

Ses, yalnızca elastik ortamlarda genişleyen mekanik ya da akustik dalgaları ifade eder. Bu nedenle, ses dalgaları yayılmak için gazlara, sıvılara ya da katılara ihtiyaç duyar. Ses dalgaları, vakumdan engelsiz bir şekilde geçebilen elektromanyetik dalgalardan önemli ölçüde farklıdır. Ses dalgalarının yayılması, ortama ve ses çarpmasına bağlı olarak enine ya da boyuna olabilir ki bu çeşitli test yöntemlerinde rol oynar. Temel olarak ses, dört farklı sınıfa ayrılır. Bu sınıflandırma frekansa bağlıdır ve en belirgin frekans aralığı 16 Hz ile 20 kHz arasındadır. İşitilebilir ses, yani insan kulağı tarafından algılanabilen ses dalgaları bu frekans bandında yer alır. 16 Hz’nin altındaki titreşimler infrasound, 20 kHz’nin üzerindeki titreşimler ise ultrason olarak adlandırılır. İnfrasound ve ultrason, insanların duyabileceği sesler değildir. 1 GHz’in üzerindeki frekanslarda yayılan hipersonik ses için de aynısı söz konusudur.

Ultrasonik debimetre, sıvı nesnenin akış hızını temas olmadan belirlemek için ultrasonik dalgalar kullanır. Bir madde ya da nesne, bir boru sisteminden akıyorsa hat içi (inline) ultrasonik debimetre kurmak, yani boru sistemini ayırmak ve akış hızını ölçmek için boru sistemine ultrasonik debimetre entegre etmek mümkündür. Alternatif olarak, boru sistemindeki akış hızı, ses dalgalarını dışarıdan maddeye gönderen ultrasonik debimetre kullanılarak dışarıdan da ölçülebilir. Bu yöntemde, verici ve alıcı olarak görev yapan iki ultrasonik sensör, maddeyi taşıyan bir boru üzerinde aralarında belirli bir mesafe olacak şekilde sabitlenir.

Ses, nesnenin içine eğik bir açıyla yayılır ve nesnenin hızına göre hızlanır ya da yavaşlar. Bu şekilde, boru sistemindeki nesnenin hızı geçiş zamanı farkı yöntemi ile belirlenebilir. Borunun kesit alanı ile birlikte debi ya da akış hızı da belirlenebilir. Ultrasonik debimetre iki temel parçadan oluşur: boru sistemine monte edilen ultrasonik sensör sistemi ve sinyalleri gerçek ölçüm değerlerine çeviren değerlendirme ünitesi.

Ultrasonik debimetre, geçiş zamanı farkı ölçümüyle nesnenin akış hızını belirler. İki ultrasonik sensör, önceden hesaplanmış bir mesafede boruya monte edilir ve verici ve alıcı olarak görev yapar. Sensörler, bağlantı jeli aracılığıyla boru yüzeyine akustik olarak bağlanır ve ses dalgalarını tanımlanmış bir açıyla nesneye gönderir. Ses dalgaları, nesnenin akış yönünde hızlandırılır ve akış yönünün tersinde yavaşlatılır. Ultrasonik debimetre bu zaman farklarını ölçerek nesneye özgü ses hızı biliniyorsa akış hızını belirler. 

Ultrasonik debimetre ile düşük katı içeriğine sahip tüm sıvı ve homojen maddeler ölçülebilir. Bunlar arasında su, yağlar, alkoller vb. bulunur. Seçilen sensör teknolojisine bağlı olarak nesne sıcaklıkları -30 … +160 °C arasında olabilir. Gazların yanı sıra katı içerikli sıvılar, viskoz maddeler ya da macunlar ultrasonik debimetre ile ölçülemez. Bu maddelerin homojen olmaması nedeniyle ultrasonik dalgalar, partikül ve katı bileşenler tarafından o kadar çok saçılır ve kırılır ki sinyal güçleri önemli ölçüde azalır ve hassas ölçüm sonuçları elde edilemez.

Ultrasonik debimetre ile mobil, hızlı ve esnek ölçümler gerçekleştirilebilir. Ultrasonik debimetre, kullanışlı boyutu ve şarj edilebilir pil ile kendi kendine yeterli güç kaynağı sayesinde konumdan bağımsız olarak kullanılabildiği için mobildir. Ultrasonik debimetre, yapılandırıldıktan ve sensör boru sistemine monte edildikten sonra ölçüme hemen başlanabildiğinden hızlıdır. Ultrasonik debimetre, çeşitli boru çaplarına ve malzemelerine farklı sensörlerle monte edilip geniş sıcaklık aralığında çeşitli nesnelerin ölçülmesini sağladığı için esnektir. Bunun haricinde, diğer ölçüm yöntemleri zorunlu bir gereklilik olan iletkenlik gibi bazı nesne özellikleri bu ölçüm yönteminde rol oynamaz.

Ultrasonik debimetrenin sunduğu bir diğer avantaj da ses ile dolaylı ölçüm imkanı sunmasıdır. Örneğin, hat içi ultrasonik debimetrelerde olduğu gibi nesne ile ölçüm cihazı arasında doğrudan bir temas yoktur. Bu da boru sistemindeki akışın bozulmadığı, bir proses kesintisinin gerekli olmadığı ve dış etkiler nedeniyle boru sisteminde kirlenme riski olmadan temiz ölçümler gerçekleştirmenin mümkün olduğu anlamına gelir.

Diğer bir avantaj ise modele bağlı olarak ultrasonik debimetre ile bazı önemli parametrelerin ölçülebilmesidir. Akış hızına ek olarak, debi, toplam akış hızı, ısı çıkışı ya da ısı miktarı ölçülebilir.

Ultrasonik debimetre kalibrasyonu genellikle ölçüm değerlerinin başka bir güvenilir cihazın ölçüm değerlerinin karşılaştırılmasıyla gerçekleştirilir. 2020 yılında patenti alınan yeni bir yöntemde geçiş zamanı farkı yöntemi kullanan ultrasonik debimetreler, sensörler arasındaki mesafe değiştirilerek kalibre edilir. Sensörlerin yerlerindeki bu değişiklik, ultrasonik debimetre tarafından üretilen ses sinyallerinde değerlendirilebilir geçiş zamanı farklılıklarına neden olur. Bu yöntemde sadece zaman ve mesafe ölçüldüğünden ultrasonik debimetre nesneden ve boru geometrisinden tamamen bağımsız olarak yüksek hassasiyetle kalibre edilebilir.

PCE Instruments‘da kalibrasyon laboratuvarında kalibrasyon işlemi sırasında suyun kapalı bir bakır boru sisteminden pompalandığı bir akış kalibrasyon standı kullanılır. Akış hızı, vanalarla ve pompanın kontrol panelindeki pompa hızı değiştirilerek kontrol edilebilir. Ancak şimdiye kadar sadece bir akış hızında tek noktalı kalibrasyonlar gerçekleştirilmiş ve sistem yaklaşık 4 bar basınçta sabit kalmıştır. Dört ölçüm bölümü uzun yatay bölümler olarak üst üste yerleştirilmiştir. Referans cihazı, en üstteki boruya monte edilir. Kalibre edilecek ultrasonik debimetrenin sensörleri cırtlı kablo bağları ile altta yer alan üç borudan birine sabitlenir. Bakır boruların boyutları üstteki iki boru için 28 x 1 mm, üstten üçüncü boru için 54 x 1.5 mm ve en alttaki için 88.9 x 2 mm’dir.

Referans cihazı olarak, kullanımı ve okunması kolay olan manyetik endüktif debimetre sisteme sabit bileşen olarak entegre edilmiştir. Ölçüm sırasında referans cihazının ölçüm tüpünde sabit güçte bir manyetik alan oluşturulur. Manyetik alan, seviyesi akış hızı ile orantılı akan iletken sudaki voltajı indükler. Bu voltaj ölçülrtrk akış hızı belirlenir ve metre bölü saniye cinsinden görüntülenir. Kalibre edilecek ultrasonik debimetre tarafından görüntülenen ölçüm değeri bu değer ile karşılaştırılır. Ölçüm değerlerinin karşılaştırılması yalnızca her iki ölçüm noktasının da aynı boru kesitine ve aynı akış koşullarına sahip olması durumunda işe yarar. Bu nedenle, PCE Insturments’daki akış kalibrasyon standında ultrasonik debimetrenin 28 x 1 mm boru kesitinde kalibre edilmesi halinde bu değer referans cihazınınkiyle doğrudan karşılaştırılabilir. Diğer iki kesit için akış hızının düzeltilmiş nominal ayar noktaları başka bir değerlendirme cihazında okunabilir.

Ultrasonik sensörlerle akış hızını belirlerken akışkan nesnenin ses hızı belirleyici bir rol oynar. Ses hızı, malzeme bileşiminin yanı sıra sıcaklığına da bağlıdır. Bu nedenle, ultrasonik debimetre ile akış hızı belirlenirken ortam sıcaklığına dikkat edilmelidir. Kalibrasyon standında bulunan değerlendirme ünitesi, akış hızına ek olarak inline sensörle kaydedilen su sıcaklığını ve buna ek olarak hava sıcaklığı ve nem için mevcut değerleri de gösterir.

Ultrasonik debimetre için düzenlenen fabrika kalibrasyon sertifikasında ortam koşulları, kalibrasyon cihazı, kalibrasyon işlemi, ölçüm koşulları ve hedef/gerçek karşılaştırma sonuçları kaydedilir. Ultrasonik debimetre tarafından görüntülenen gerçek değerin referans cihazın nominal değerinden cihazın teknik özelliklerinde belirtilenden daha fazla sapması halinde ultrasonik debimetre tekrar ayarlanmalıdır. Pek çok cihazda bu, bir ölçeklendirme faktörü aracılığıyla kolay bir şekilde yapılabilir.

Ultrasonik debimetreler, ısı emisyonundan önce ve sonra ısı aktarım ortamının sıcaklığını belirlemek için ek sensörler kullanıldığında ısı miktarlarını belirlemek için de kullanılabilir. Zaman sınırlı kontrol ölçümleri için özellikle boru hattına hızlı bir şekilde monte edilebilen ve az bir eforla sökülebilen mobil cihaz setleri uygundur. Ultrasonik debimetreler, boru sistemine müdahale etmeden ve ısı aktarım ortamı ya da soğutma sıvısı ile doğrudan temas etmeden akış hızını ölçebilir. Hem ultrasonik hem de sıcaklık sensörlerininin cırtlı kablo bağları ile tutturulduğu kullanışlı cihazlarla ısı miktarı ölçümü için setler pratiktir.

Bu tür mobil ultrasonik ısı ölçer seti, ultrasonik debimetre, iki kanallı bir sıcaklık data logger ve verilerin değerlendirilmesi için bir yazılım olmak üzere genelde üç parçadan oluşur. Ultrasonik debimetre, akan nesnedeki sesin geçiş zamanından akış hızını belirler. Bu akış hızından ve önceden girilen boru kesitinden sistemden akan hacim belirlenir. Sıcaklık data logger, boru sisteminin akışındaki ve dönüşündeki sıcaklıkları kaydeder. Bunun için, bir sıcaklık temas sensörü akış borusunun dışına ve dönüş borusuna sabitlenir. İki cihazdan alınan ölçüm ve hesaplama verileri, ölçüm sırasında kaydedilebilir ya da bilgisayara aktarılabilir.

Bu tür ünite setlerine özel olarak uyarlanmış değerlendirme yazılımı, debi ve akış ile dönüş arasındaki sıcaklık farkı için aktarılan verilerden ölçüm süresi boyunca verilen kW ya da kJ/h cinsinden ısı çıkışını; kJ ya da kWh cinsinden ısı miktarını hesaplar. Kaydedilen ve hesaplanan veriler, tablo ve grafik halinde görüntülenebilir. Böylece, ölçümlerin bilgisayar ile sahada doğrudan değerlendirilmesi sağlanır. Ölçüm noktasında anında değerlendirme mümkün olmadığında ultrasonik debimetrede ve sıcaklık data loggerda kaydedilen ölçüm verileri aktarılabilir ve daha sonrasında değerlendirilebilir.

Isı miktarını belirlemek için kullanılan ultrasonik debimetreler, ister çeşitli konumlardaki zaman sınırlı kontrol ölçümleri için olsun ister ısıtma ya da soğutma sistemlerinin sürekli izlenmesi için olsun iklimlendirme teknolojisinde ve endüstride hızlı ve basit ölçümler gerçekleştirilmesine olanak tanır. Sensörlerin ölçüm sırasında ısı aktarım ortamına temas etmemesi nedeniyle ultrasonik debimetreler, agresif ortamlarda herhangi bir sorun olmadan kullanılabileceği gibi ilaç endüstrisi ve gıda üretimi gibi yüksek hijyen gereksinimleri olan alanlarda da kullanılabilir. Ölçüm için herhangi bir işlemin durdurulması gerekmediği için ve akışkanın davranışı sensörlerden etkilenmediği için dışarıdan ölçüm işlemi tercih edilebilir.

Ultrasonik debimetreler ve termometrelerin hassasiyeti, kalibrasyon laboratuvarında düzenli olarak kalibre edilebilir ve bir ISO kalibrasyon sertifikası ile onaylanabilir. Bunun için, kalibrasyon laboratuvarında uygun kalibrasyon standının bulunması gerekir.

İşitilebilir sesin yayılmasının çarptığı malzeme bağlı olması gibi ultrasonda da sesin hızı ses dalgaları tarafından uyarılan nesneye bağlıdır. Ancak sadece nesne ya da maddenin türü ve yoğunluğu değil aynı zamanda sıcaklık ve basıncın yanı sıra sürüklenen gaz kabarcıkları ve katılar da ses dalgalarını etkiler. Hız ve hacim belirlemek için ultrasonik debimetre kullanırken dikkat edilmesi gereken sınırlamalar şunlardır:

- Ultrasonik debimetre, homojen olmayan malzemeler, dökme katılar ve bulamaçlar için uygun değildir

- Ortamda gaz kabarcıkları ve katı parçacıklar gibi yabancı cisimlerin sadece küçük bir kısmına izin verilir

- Doppler yöntemi ile nesnenin/maddenin yoğunluğu, sıcaklığı ve basıncı ölçüm sonucunu etkiler

- Eşit ve dengeli akış koşullarının sağlanması için akışın durgunlaştığı noktalardan birden fazla ölçüm gereklidir

- Ölçülebilir akış hızı sınırlıdır

- Birikintiler ölçüm sonucunun hatalı olmasına neden olur

Ultrasonik debimetrelerde çeşitli ölçüm prensipleri kullanılabilir. Bunlardan geçiş zamanı farkı yöntemi ve bazı uygulamalar için Doppler yöntemi yaygın olarak kullanılan ölçüm prensiplerindendir. Geçiş zamanı yönteminde nesne/madde mümkün olduğunca saf olmalı ve yayılan sesin sapma olmadan ölçüm kesitine nüfuz edebilmesi için herhangi bir gaz kabarcığı içermemelidir. Doppler yönteminde ise partiküller tarafından yansıtılan yayılan sesin hızı kaydedilip değerlendirildiğinden küçük bir oranda kirlilik gereklidir. Bir sıvının yabancı madde içermesinden dolayı Doppler prensibiyle çalışan bir ultrasonik debimetrenin kullanılması halinde nesnenin sıcaklığı, yoğunluğu ve basıncındaki değişikliklerin ölçüm sonucu üzerinde bir etkisi olduğundan emin olmak için dikkatli olunmalıdır. Hassas ölçümler için bu değişkenler ya sabit tutulmalı ya da kaydedilmeli ve ayrı ayrı değerlendirilmelidir.

Her iki yöntemde de akış hızı yalnızca ölçülen ses yolunun dar aralığı değerlendirilerek belirlenir. Temsili bir akış profilinin kaydedilmesini sağlamak için ultrasonik debimetrenin akışın mümkün olduğunca homojen olduğu bir yerde kurulması gerekir. Kurulum talimatlarında tamamen dolu boru kesitleri için ultrasonik sensörün yukarı ve aşağı akış yönündeki bozulmamış akış bölümlerinin ne kadar uzun olması gerektiği belirtilir. Kısmen dolu borularda ve açık kanallarda olduğu gibi sıvının durgunlaştığı bölümlerin olmadığı ya da seviyenin dalgalandığı durumlarda akış profili birkaç ses yolu ölçülerek kaydedilebilir.

Tespit edilebilir akış hızları genellikle ultrasonik debimetreyle hem aşağı hem de yukarı doğru sınırlandırılır. Düşük ve yüksek akış hızlarının da doğru şekilde kaydedilmesi için oluşabilecek akış hızlarına dikkat etmek önemlidir. Ölçüm noktası alanındaki birikintiler ölçüm sonucunu etkiler. Bununla birlikte, ölçüm prensibinin birçok avantajı olduğundan daha fazla uygulama alanında kullanılmaları için yeni cihaz türleri geliştirilmektedir.

Ultrasonik debimetreler, akış davranışını etkilemeden ölçüm gerçekleştirdikleri ve pek çok farklı ölçüm koşulu için optimize edilebildikleri için teknik uygulama alanlarında giderek daha fazla kullanılmaktadır. Sabit ya da mobil kullanım için çeşitli ultrasonik debimetre modelleri arasından seçim yapılabilir. Hem sabit inline ultrasonik debimetrelerle hem de sensörün akan ortamla doğrudan temas etmediği ultrasonik debimetre modellerinde en yüksek hijyenik gereksinimler karşılanabilir. Dışarıdan ölçüm imkanı, mevcut boru sistemlerindeki akış hızlarının herhangi bir sorun olmadan ve boruyu kesip açmak zorunda kalmadan kaydedilebileceği anlamına gelir. Bunun haricinde, su, diğer sıvılar, gazlar, buhar ya da basınçlı hava ve hatta hidrojenin tüketim faturalandırması için ölçümler gibi denetimli aktarım uygulamaları için onaylı ultrasonik debimetreler de bulunmaktadır.

Tıpta ve sıvı ve gazların analizinde ultrasonik debimetreler düşük akış hızlarını hassas bir şekilde izlemek için kullanılır. Yoğun bakımda, ameliyat esnasında, diyalizde ya da solunum gazlarının analizinde akış hızlarını kontrol etmek için özel sensörler geliştirilmiştir. Bu sensörler normal hat hortumlarını çevreler ve akış hızını dışarıdan yüksek hassasiyetle ölçer.

İlaç üretiminde ve biyoteknolojide de maddelerin yüksek saflıkta olması ve amaçlanan akış oranlarına tam olarak uyulması esastır. Ultrasonik debimetreler hem sıvı etken madde bileşenlerini gerektiği gibi dozajlamak hem de belirtilen temizleme işlemlerini izlemek için kullanılabilir.

Yarı iletkenlerin üretiminde en küçük yabancı cisimler bileşenleri kullanılamaz hale getirebileceğinden üretim ortamından özel taleplerde bulunulur. Üretim sürecinde çeşitli yüksek saflıkta yıpratıcı, yapıştırıcı ya da aşındırıcı sıvılar kullanılır. Her bir prosesin güvenli ve etkili bir şekilde yürütülmesini sağlamak için maddelerin akış hızı, prosesler sırasında ultrasonik debimetreler yardımıyla sürekli ve müdahalesiz olarak izlenebilir.

Kimya ve petrokimya endüstrisinde ultrasonik debimetreler agresif ya da toksik maddelerin güvenli bir şekilde ölçülmesini sağlar. Ultrasonik debimetre, proses izleme, katkı maddelerinin dozajlanması ya da sürekli hat izleme gibi çeşitli görevler için uygundur. Potansiyel olarak patlayıcı alanlar için ATEX onaylı cihaz modelleri mevcuttur.

Mobil ultrasonik debimetre modelleri, termal enerji tedariğinde denetimli aktarım ya da dahili sürekli tüketim ölçümlerinin haricinde mevcut sistemlere müdahale etmeden kısa süreli kontrol ölçümleri için de kullanılabilir. Mobil ultrasonik debimetreler, enerji denetimleri, sistem bileşenlerinin koordinasyonu ve proses optimizasyonu için de uygundur. Öte yandan, kalıcı olarak monte edilmiş tüketim sayaçlarının denetimi de uygun mobil ultrasonik debimetre ile gerçekleştirilebilir.

İçme suyu şebekelerindeki tüketim ölçümleri için ek bir giriş ya da çıkış bölümü gerektirmeyen inline ölçüm için kalibre edilmiş ultrasonik debimetreler mevcuttur. Biriken tüketim değeri hem görüntülenir hem de kablosuz olarak okunabilir. Bunun haricinde, bu su sayaçlarından elde edilen ölçüm verileri, ev tesisatındaki sızıntıları tespit etmek ya da içme suyu şebekesinde arıza olması halinde sızıntıların yerini ve kapsamını sınırlamak için kullanılabilir.

Bu tür dijital sayaçlar, eski mekanik sayaçlar gibi 6 yılda bir değil de 15 yıl sonrasında değiştirilmelidir. Bu nedenle, ultrasonik debimetreler hem su tedarikçsi hem de son müşteri için su sayacı olarak önemli avantajlar sunar. Bunun haricinde, atık su için ve şiddetli yağmur olayları sırasında nehirlerin seviye ve akış takibi için özel ultrasonik debimetreler de mevcuttur.

Ultrasonik debimetreler, ilaç üretimi, biyoteknoloji, yarı iletken üretimi ve tıbbi teknolojide çok küçük akış hızlarını izlemek ve kontrol etmek için de uygundur. Kelepçeli sistemler ile inline sistemler arasında bir ayrım yapılmalıdır. Kelepçeli sistemlerdeki ultrasonik debimetrelerin sensörleri borunun ya da hortumun dışına yerleştirilir ve akan nesne/maddeye doğrudan temas etmezken inline sistemlerde doğrudan akışkan tarafından ıslatılır.

Küçük akış hacimleri için özel olarak tasarlanmış yüksek hassasiyetli ultrasonik debimetreler tıp alanında şu uygulamalar için kullanılır:

- vantilatörler

- kardiyak destek sistemleri

- kalp-akciğer makineleri

- diyaliz makineleri

- transfüzyonlar

- gaz kromatograflarında numunelerin analizi

Ultrasonik debimetreler, endüstride diğer pek çok şeyin yanı sıra aktif bileşenlerin prosese bağlı olarak karıştırılmasını ve temizleme çözeltilerinin ve proses soğutma suyunun belirlenen kriterlere göre dozajlanmasını izlemek ve kontrol etmek için kullanılabilir. Küçük akış hızları için tasarlanmış ultrasonik debimetreler, aşağıdaki alanlar da dahil olmak üzere pek çok dalda proses akışlarına entegre edilmektedir. Bu alanlar şunlardır:

- ilaç sektöründe

- laboratuvar teknolojisinde

- biyoteknoloji

- yarı iletken üretiminde

Tıp alanında ve pek çok endüstriyel uygulamada küçük akış hızlarının hassas bir şekilde izlenmesi çok önemli olduğundan burada kullanılan ultrasonik debimetrelerde arayüzler bulunur. Bu arayüzler aracılığıyla ölçüm değerleri doğrudan proses izlemeye aktarılır ve gerekirse pompalar ya da valfler otomatik olarak kontrol edilebilir. Bazı ultrasonik debimetre modelleri, istenmeyen kabarcıkların otomatik olarak tespit edilip raporlanabilmesi için ek olarak hava kabarcığı algılama sensörleriyle birleştirilmiştir.

Hava kabarcıkları, tıbbı uygulamalardaki sıvı transferinin haricinde endüstrideki düşük dozlu sıvıların pek çok uygulamalasında da kesinlikle istenmeyen bir durumdur. Örneğin, fotorezistteki bir hava kabarcığı kaplanmış bileşenleri kullanılamaz hale getirebilir ve soğutma suyundaki hava cepleri işleminin kesintiye uğramasına neden olabilie.