Virtaamamittaus on monissa laitteissa kriittinen mutta usein ongelmallinen toiminto. Perinteiset mekaaniset anturit kuluvat ja jäävät sokeiksi pienille virtausnopeuksille. Ultraäänitekniikkaan perustuvat valmiit moduulit tarjoavat nyt tarkan, huoltovapaan ja helposti integroitavan vaihtoehdon niin kuluttaja- kuin teollisuussovelluksiin.

Kahvilassa tehtävänä on annostella täsmälleen oikea määrä vettä, jotta espressosta saadaan esiin täydellinen maku. Pubissa tai olutkellarissa tavoitteena on tarjoilla tarkalleen puoli litraa vehnäolutta, jotta asiakas saa juuri sen määrän, josta hän maksaa – ei enempää eikä vähempää.

Teollisen prosessinohjauksen parissa työskentelevälle insinöörille taas on tärkeää tietää tarkasti, milloin suodatin on puhdistanut nimellistilavuutensa verran vettä ja on vaihdon tarpeessa.

Näissä annosteluun ja suodatukseen liittyvissä sovelluksissa tarkka virtaamamittaus voi merkittävästi kasvattaa laitteen tai koneen arvoa. Perinteinen sähkömekaaninen virtaama-anturointi on kuitenkin ollut järjestelmäsuunnittelijoille ongelmallista. Se on aiheuttanut suorituskyky- ja luotettavuusongelmia, joista on ollut vaikea päästä eroon.

Puhtaasti elektroninen, ultraääneen perustuva mittaus poistaa liikkuvat osat virtaama-anturista ja tarjoaa ratkaisun perinteisten antureiden ongelmiin. Alkuvaiheessa ultraäänianturipiirit olivat kuitenkin vaikeita integroida, mikä rajoitti niiden käytön pääasiassa erikoistuneiden mittalaitteiden valmistajiin.

Nykyisin markkinoilla on useita sukupolvia valmiita ultraäänivirtaamamoduuleja, jotka tarjoavat yksinkertaisen mittausrajapinnan mille tahansa mikro-ohjaimelle. Tämän ansiosta tarkka ja luotettava ultraäänivirtaamamittaus on nyt varteenotettava vaihtoehto myös ei-spesialisteille ja kaikentyyppisille laitteille, jotka hyötyvät virtaaman mittaamisesta.

Jumissa perinteisissä turbiinipohjaisissa virtaama-antureissa

Perinteisesti virtaamaa on mitattu yksinkertaisella sähkömekaanisella rakenteella. Putken sisään, virtaaman suuntaisesti, sijoitetaan turbiini tai siipipyörä (ks. kuva 1). Turbiinin pyörimisnopeus muunnetaan virtaamaksi. Ajan myötä mittaustuloksia voidaan integroida, jolloin saadaan selville anturin läpi kulkeneen nesteen kokonaismäärä.

Kuva 1: perinteisessä mekaanisessa virtaama-anturissa pyörä tai turbiini sijoitetaan suoraan nestevirtaan. (Kuvan lähde: www.realpars.com).

Tämä mittaustapa tarjoaa yksinkertaisen rajapinnan ulkoiselle logiikalle, kuten mikro-ohjaimelle tai ohjelmoitavalle logiikalle (PLC). Laitteiden valmistajien on kuitenkin huomioitava vakavat haittapuolet, jotka voivat rajoittaa anturin käyttökelpoisuutta tai jopa tehdä siitä käyttökelvottoman. Ongelmien juurisyy on turbiinin mekaaninen luonne.

Ensimmäinen ongelma liittyy kitkaan ja inertiaan. Pienillä virtausnopeuksilla nesteen aiheuttama voima ei riitä käynnistämään turbiinin pyörimistä. Tällöin pieni virtaama rekisteröityy nollana. Monissa sovelluksissa virtaamamittauksen arvo perustuu juuri vuotojen havaitsemiseen. Vuodossa virtaus on jatkuvaa mutta huomattavasti normaalia pienempää. Sähkömekaaninen anturi mittaa normaalin virtaaman, mutta ei välttämättä havaitse vuotoa.

Toinen ongelma on mekaaninen vikaantuminen. Turbiini on liikkuva osa, joka voi ajan myötä syöpyä tai rikkoutua. Luotettavuus on keskeinen vaatimus virtaama-antureissa, ja mekaaniset anturit kuluvat väistämättä, mikä rajoittaa niiden käyttöikää.

Ultraäänitekniikka poistaa liikkuvat osat

Jos ongelmana ovat virtaamaan sijoitetut mekaaniset osat, ratkaisu on kosketukseton mittaus. Tämä on mahdollista ultraäänitekniikan avulla.

Ultraäänivirtaama-anturit mittaavat nesteen virtausnopeutta lähettämällä ääniaaltoja virtaavan aineen läpi. Putken vastakkaisille puolille, vinosti toisiinsa nähden, sijoitetaan kaksi anturia (ks. kuva 2). Toinen lähettää ultraäänipulsseja virtaussuuntaan ja toinen vastavirtaan. Virtaava neste vaikuttaa äänen etenemisnopeuteen. Virtaussuuntaan etenevät pulssit kulkevat nopeammin, vastavirtaan hitaammin. Virtausnopeus on suoraan verrannollinen näiden kulkuaikojen eroon.

Tämä ei-invasiivinen mittausmenetelmä toimii puhtaiden nesteiden ja kaasujen kanssa, ei vaikuta mitattavaan aineeseen ja skaalautuu eri putkikokoihin. Olennaista on myös se, että menetelmä poistaa turbiinipohjaisten antureiden keskeiset heikkoudet. Koska virtauskanavassa ei ole liikkuvia osia, anturin käyttöikä on käytännössä rajaton ja se pystyy mittaamaan myös erittäin pieniä virtausnopeuksia.

Kuva 2: UFM-02-ultraäänivirtaamamoduulin lohkokaavio. (Kuvan lähde: ScioSense-datalehti).

Menetelmän toteutus edellyttää erittäin tarkkaa mittausta äänen kulkuaikojen pienistä eroista. Erot mitataan pikosekuntiluokassa. Koko aikamittaus ja signaalinkäsittely voidaan toteuttaa ScioSensen ultraäänivirtaamamuunninpiirillä. Tämä pitkälle integroitu piiri, joka on merkitty kuvassa 2 lohkona ”UFC”, ohjaa antureita, mittaa signaalien aikaeron ja muuntaa tulokset virtausnopeudeksi ja kumulatiiviseksi tilavuudeksi tietylle putkihalkaisijalle.

Ultraäänimittauksen suunnittelu

Ultraäänivirtaamamuuntimen integrointi järjestelmään edellyttää useiden tekijöiden huomioimista. Näitä ovat muun muassa:

• Anturien asennusgeometria
• Putkimateriaalin akustiset ominaisuudet. Metallit, muovit ja komposiitit vaimentavat ja heijastavat ääntä eri tavoin. Myös seinämän paksuus, pinnanlaatu ja pinnoitteet vaikuttavat. Akustisen polun on huomioitava myös rajapintojen taittuminen.
• Lämpötilavaihtelut. Äänen nopeus nesteissä muuttuu merkittävästi lämpötilan mukana. Vedessä muutos on noin 0,6 % jokaista lämpötila-astetta kohti.

Valmiit moduulit tarjoavat nopean ratkaisun

Virtaamamittauksen asiantuntijat, kuten vesimittarivalmistajat, ylläpitävät omaa suunnitteluosaamista, jonka avulla ultraäänivirtaamamuunnin voidaan integroida räätälöityyn anturirakenteeseen edellä mainitut tekijät huomioiden.

Virtaamamittauksesta on kuitenkin hyötyä myös monissa muissa laitteissa, joissa se ei ole ensisijainen toiminto. Esimerkkejä ovat:

• Kahvinkeittimet
• Juoma-automaatit
• Vedenpuhdistimet
• Vedenlämmittimet, kattilat ja lämpöpumput
• Uima-altaiden puhdistuslaitteet
• Älykkäät saniteettilaitteet ja wc:t
• Lattianpesukoneet
• Kastelujärjestelmät
• Jäähdytyskoneet
• Älykkäät juomavesiautomaatit
• Teolliset prosessinohjausjärjestelmät ja suodattimet
• Karjan ruokintalaitteet

Näissä sovelluksissa virtaamamittaus on usein sivutoiminto. Siksi laitevalmistajat suosivat valmiita ultraäänivirtaamamoduuleja, jotka lyhentävät suunnitteluaikaa ja nopeuttavat tuotteiden markkinoilletuloa.

Täydelliset ultraäänivirtaamamoduulit vastaavat tähän tarpeeseen. ScioSense on tämän markkinan edelläkävijä. Yhtiö toi ensin markkinoille UFM-01-moduulin ja lanseerasi vuonna 2025 parannetun UFM-02-version (ks. kuva 3). Modulaarisen ratkaisun etuna on erittäin helppo integroitavuus. UFM-02 on saatavana neljässä kierrekoossa: 3/8”, 0,5”, 1” ja 1,5”. Jokaisesta koosta on tarjolla sekä BSPP- että NPS-versio. Pienin koko tukee enintään 20 litran ja suurin jopa 450 litran minuuttivirtaamaa.

Kuva 3: UFM-02-moduuli on saatavana nelijohtimisella pulssilähdöllä tai kymmenjohtimisella SPI-liitännällä (kuva: ScioSense).

Moduuli on erittäin herkkä pienille virtausnopeuksille, mikä mahdollistaa vuotojen tarkan havaitsemisen. Pienimmässä, 3/8” koossa UFM-02 pystyy mittaamaan jopa 0,03 litran minuuttivirtaamia.

UFM-02 on helppo liittää mihin tahansa mikro-ohjaimeen tai PLC-järjestelmään. Saatavilla on kaksi kaapelivaihtoehtoa:

• Nelijohtiminen pulssilähtö, joka tuottaa enintään 450 pulssia litraa kohti
• Kymmenjohtiminen SPI-liitäntä, joka tarjoaa digitaalisena tietona muun muassa kokonaisvirtaaman kuutiometreinä, suodatetun virtausnopeuden litroina tunnissa sekä nesteen lämpötilan

Toisen sukupolven UFM-02-moduulin merkittävä parannus on sen alhainen virrankulutus. Keskimääräinen käyttövirta on pudotettu 50 mikroampeeriin, mikä mahdollistaa useiden vuosien toiminnan tavallisella paristolla.

Uusin moduuli tekee mahdolliseksi ultraäänivirtaamamittauksen sovelluksissa, joita ei voida helposti liittää sähköverkkoon ja jotka ovat siksi paristokäyttöisiä.

Pitkän historia ultraäänimoduulien valmistajana

Ultraäänivirtaamamittaus tarjoaa luotettavan, tarkan ja herkän vaihtoehdon perinteiselle mekaaniselle mittaukselle. Valmiin moduulin avulla laitevalmistajat voivat hyödyntää näitä etuja helposti integroitavassa ratkaisussa.

UFM-02-moduulia arvioivat suunnittelijat voivat myös luottaa ScioSensen pitkään kokemukseen. Yritys toi ensimmäisen ultraäänivirtaamamuunninpiirinsä markkinoille yli 25 vuotta sitten ja tarjoaa syvällistä asiantuntemusta kaikilla ultraäänivirtaamamittauksen osa-alueilla.