Разбиране на ултразвукови разходомери и неговия принцип на работа при измерване на водния поток

Измерването на дебита включва определяне на количеството течност, преминаващо през определена повърхност на съд в определен момент. Подобно на всички форми на измервания, той има ежедневни приложения, вариращи от използването му за мониторинг на консумацията на вода и газ за оценка на сметки до по-критични промишлени приложения (напр. Широкомащабно смесване на множество химикали), където измерването на дебита играе ключова роля за поддържането на качество на процеса / продукта.

За да се определи дебитът, се използват специални видове измервателни уреди, посочени като разходомери. Има много различни видове разходомери, поради разнообразните изисквания за измерване на потока (линейни / нелинейни, маса / обемна скорост и т.н.). Измервателните уреди се различават един от друг въз основа на различни фактори, включително; техниката на измерване, която прилагат, специфичните параметри на потока, които наблюдават, обема на течността, която могат да проследят, и техните физически атрибути, за да споменем няколко. YFS201 е популярен сензор за воден поток, който преди сме използвали за измерване на водния поток, използвайки Arduino и изчислява скоростта на потока и разпръснатия обем.

Някои от видовете / категориите разходомери включват; Турбина, вихрови, топлинни маси, магнитни, овални зъбни колела, гребло, Кориолис, Масов разход, нископоточни и ултразвукови разходомери, които са в центъра на вниманието на тази статия. Ултразвуковите разходомери осигуряват неинвазивно, много надеждно средство за определяне на количеството течност, преминаващо през съд, и са намерили приложение в различни индустрии, от петрол и газ до доставчици на комунални услуги.

За тази статия ще разгледаме всичко около ултразвуковия разходомер, как работят, предимствата и недостатъците.

Ултразвуковият разходомер

Както подсказва името, ултразвуковият разходомер, един от широко използваните разходомери, е ненатрапчиво устройство, което изчислява обемния поток на течността чрез измерване на нейната скорост с ултразвук. Той може да измерва потока на течността във почти всяка течност, където звуковите вълни могат да предават. Този тип разходомер обикновено се счита за „хибриден“, тъй като той може да използва или принципа на Доплер, или метода на транзитно време за измерване на потока, ще обсъдим и двата принципа по-късно в тази статия. Имайте предвид, че тези разходомери също се наричат доплеров разходомер, ако работят по доплер принцип.

Ултразвуковите разходомери са най-идеални за водни приложения, където се изисква спад на ниско налягане, ниска поддръжка и химическа съвместимост. Обикновено те няма да работят с питейна или дестилирана вода, но са подходящи за приложения за отпадъчни води или проводящи мръсни течности. Те се използват с абразивни и корозивни течности, тъй като не пречат на течността, протичаща през тръбопроводите.

Принцип на работа на ултразвуковия разходомер

Ултразвуковите разходомери използват принципите на ехото и варирането в скоростта на звука в различни среди за измерване на потока. Измервателните уреди обикновено съдържат два ултразвукови преобразувателя, като единият действа като предавател, а другият - като приемник. Двата преобразувателя могат да бъдат монтирани една до друга или под ъгъл един от друг на противоположните страни на съда. Предавателният преобразувател излъчва звукови импулси от повърхността на сензора към течността и се приема от преобразувателя, определен като приемник. След това се изчислява и използва времето за преминаване на звуковия импулс от предавателя към приемника, известно като транзитно време и се използва при определяне на скоростта на потока и други параметри.

За втората конфигурация, когато предавателят и приемникът са разположени един до друг, предавателят излъчва звуков импулс, докато приемникът следи времето, необходимо за получаване на ехо от предаването.

Независимо от конфигурацията на сензора, измерването с разлика във времето на преминаване се основава на факта, че; звуковите вълни, разпространяващи се в посока на потока на средата, се движат по-бързо, отколкото вълните, разпространяващи се срещу посоката на потока на средата. По този начин разликата във времето за преминаване е пряко пропорционална на скоростта на потока на средата и този принцип се използва за точно измерване на обема на газовете и течностите, както и за получаване на плътност и вискозитет.

Докато горните два метода са много често използваните, различните ултразвукови разходомери използват модифицирана версия на това, въз основа на вида на течността и измерването, което трябва да се направи. Долната снимка на ултразвуков водомер илюстрира как преобразувателите нагоре и надолу по веригата са поставени в сензорна тръба заедно с някои отражатели за дизайн на водомера. Действителната хардуерна настройка на същия също е показана с маркирани и двата преобразувателя.

Изчисляване на дебита с помощта на ултразвукови сензори за дебит

За да получите по-ясно разбиране на техническите характеристики зад това, разгледайте изображението по-долу, което показва първата конфигурация с преобразувателите на предавателя (TA) и приемника (TB), монтирани под ъгъл един срещу друг;

Нека времето, необходимо на акустична вълна, за да премине от предавателя към приемника, т.е. в посоката на потока на средата, да бъде T _{A –B}, а времето, необходимо за преминаването му от приемащия преобразувател към предавателния преобразувател, което е срещу посоката на потока T _{B –A}.

Разликата в двете транзитни времена е право пропорционална на средната скорост на потока, v _m на средата, т.е.

T _{B –A} - T _{A –B} = v _m ------------- Уравнение 1

Тъй като времето за преминаване на сигнала е разстоянието между предаващия преобразувател и приемащия предавател, разделено на скоростта, необходима на акустичния сигнал, за да премине от единия преобразувател към другия, имаме

T _{A –B} = L / (C _AB + v * cosα) -------------- Уравнение 2

И;

T _{B –A} = L / (C _BA - v * cos α) --------------- Уравнение 3

Уравнения 2 и 3 определят скоростта на потока между преобразувател A нагоре и преобразувател B надолу по течението. където;

v = скорост на потока на средата, L = дължина на акустичния път, c = скорост на звука в средата и алфа “α” е ъгълът към тръбата, при който ултразвуковият звук преминава от предавателя към приемника.

Ако приемем, че скоростта на звука в средата е постоянна (т.е. няма промяна в параметри като плътността на течността, температурата и т.н.), която имаме;

(L / (2 * cos)) * (T _{B – A} - T _{A – B}) / (T _{B – A} x T _{A – B})

умножавайки средната скорост с площта на напречното сечение на тръбата, получаваме дебита, Q като;

Q = (π * D ³) / (4 * sin 2α) * (T _{B – A} - T _{A – B}) / (T _{B – A} x T _{A – B})

Площта на напречното сечение на тръбата е постоянна за вграден ултразвуков разходомер с диаметър D.

Изпълнението на тези уравнения без променливи като плътност, температура, налягане, скорост на звука и други дефинирани от средата / течността характеристики, показва причините зад гъвкавостта и точността на ултразвуковите разходомери.

Предимства / Значение на ултразвуковите измервателни уреди

Основните предимства на ултразвуковите разходомери трябва да бъдат неинвазивната им природа и способността им да работят с всякакъв вид течност (тъй като плътността и скоростта на звука в течностите нямат значение). Различни вещества (включително химикали, разтворители, масла и др.) С различни свойства се транспортират и разпределят чрез тръбни системи всеки ден с необходимостта да се следи техният поток. Неинвазивният характер на ултразвуковите разходомери ги прави измервателни уреди в такива ситуации. Ето защо те намират приложение в различни индустриални сектори, от свързаните с химическата промишленост до преработката на храни, пречистването на вода и сектора на петрола и газа.

Недостатъци

Основният недостатък на ултразвуковите разходомери трябва да бъде тяхната цена. Поради сложността на конструкцията си, ултразвуковите разходомери обикновено са по-скъпи от механичните или други видове измервателни уреди, тъй като изискват повече усилия и компоненти,

Освен сложността на проектирането и цената, ултразвуковите разходомери също изискват ниво на опит в монтажа / обработката в сравнение с повечето други видове измервателни уреди.

Топ ултразвукови разходомери на пазара

Докато се очаква пазарът на глобален ултразвуков разходомер да достигне 2 милиарда щатски долара до 2024 г., пазарът е свидетел на силен растеж през последните няколко години, благодарение на приложенията му в много индустрии днес и въвеждането на някои новоподобрени варианти. Много производители са разработили ултразвукови разходомери с усъвършенствана технология, за да подобрят точността на измерването. Тъй като този измервателен уред обслужва специфични за индустрията решения, се очаква най-новите разработки да движат пазара през прогнозните периоди. Най-добрите ултразвукови разходомери на пазара включват:

Ултразвукови разходомери Sonic-View: Sonic-view, едно от най-добрите решения за измерване на ниски течни потоци, работи на принципа на времето за преминаване. Преобразувателите не са в контакт със средата и няма движещи се части, използвани в инструментите. Ненадминатите характеристики като ниски разходи за собственост, години експлоатация без поддръжка, защитени преобразуватели, жизнен цикъл на здрав измервателен уред и неговата нечувствителност към пиковете на налягане и частиците, допринасят за това защо ултразвуковият разходомер с ултразвуков изглед е един от най-добрите решения на пазара на броячи.

Ултразвукови водомери за измервателни уреди: При различни условия на дебита на тръбите този ултразвуков водомер за промишлени и търговски цели е способен да маркира измерванията на проектните сечения с възможно най-висока точност на измерване. Измервателният уред се захранва с батерия и може да работи непрекъснато в продължение на 10 години само с една батерия; неговата консумация на енергия е по-малка от 0,5mW. Той може да продължи да работи дълго, без да бъде засегнат от магнитни смущения. В същото време той е много надежден и чувствителен, скоростта на потока от едва 0,002m / s може бързо да бъде открита.

Ултразвуковите разходомери Sitrans FS: Те осигуряват впечатляваща производителност за различни газове и течности, защото могат да работят независимо от температурата, вискозитета, проводимостта, налягането, плътността и при най-тежките условия. Sitrans FS220 се гордее като най-доброто в класа решение за директни измервателни потоци, тъй като възможностите му изглеждат безкрайни.

Особено в потребителски приложения, ултразвуковите измервателни уреди се усъвършенстват от технологии като LoRa, което позволява на общинските и свързаните с тях органи да наблюдават дистанционно неща като консумация на газ и вода. Естеството на комуникационната среда с ниска мощност позволява на тези измервателни уреди да продължат 5+ години с едно зареждане на батерията, много повече от това, което може да се постигне с помощта на механични измервателни уреди.