Zrozumienie przepływomierzy ultradźwiękowych i ich zasada działania w pomiarze przepływu wody

Pomiar natężenia przepływu polega na określeniu ilości płynu przepływającego przez określoną powierzchnię naczynia w określonym czasie. Podobnie jak wszystkie formy pomiarów, ma on zastosowania w życiu codziennym, od monitorowania zużycia wody i gazu w celu oszacowania rachunków po bardziej krytyczne zastosowania przemysłowe (np. Mieszanie wielu chemikaliów na dużą skalę), w których pomiar natężenia przepływu odgrywa kluczową rolę w utrzymaniu jakość procesu / produktu.

Do określenia natężenia przepływu stosuje się specjalne rodzaje mierników zwane przepływomierzami. Istnieje wiele różnych typów przepływomierzy ze względu na różnorodne wymagania dotyczące pomiaru przepływu (liniowe / nieliniowe, masowe / objętościowe itp.). Liczniki różnią się od siebie na podstawie różnych czynników, w tym; technikę pomiaru, którą stosują, określone parametry przepływu, które monitorują, objętość płynu, który mogą śledzić oraz ich fizyczne cechy, aby wymienić tylko kilka. YFS201 to popularny czujnik przepływu wody, którego wcześniej używaliśmy do pomiaru przepływu wody za pomocą Arduino i obliczonego natężenia przepływu i rozproszonej objętości.

Niektóre typy / kategorie przepływomierzy obejmują; Przepływomierze turbinowe, wirowe, masy termiczne, magnetyczne, owalne, koła łopatkowe, Coriolisa, przepływomierze masowe, niskoprzepływowe i ultradźwiękowe. Przepływomierze ultradźwiękowe zapewniają nieinwazyjny, bardzo niezawodny sposób określania ilości płynu przepływającego przez naczynie i znajdują zastosowanie w różnych gałęziach przemysłu, od ropy i gazu po dostawców mediów.

W tym artykule przyjrzymy się wszystkiemu wokół przepływomierza ultradźwiękowego, jego działaniu, zaletom i wadom.

Przepływomierz ultradźwiękowy

Jak sama nazwa wskazuje, przepływomierz ultradźwiękowy, jeden z powszechnie stosowanych przepływomierzy, to nieinwazyjne urządzenie, które oblicza objętość przepływu płynu poprzez pomiar jego prędkości za pomocą ultradźwięków. Może mierzyć przepływ płynu w praktycznie każdym płynie, w którym mogą przenosić się fale dźwiękowe. Ten typ przepływomierza jest zwykle uważany za „hybrydowy”, ponieważ może wykorzystywać do pomiaru przepływu metodę Dopplera lub metodę czasu przejścia. Obie zasady omówimy w dalszej części tego artykułu. Zwróć uwagę, że te przepływomierze są również nazywane przepływomierzami dopplerowskimi, jeśli działają na zasadzie dopplera.

Przepływomierze ultradźwiękowe są najbardziej idealne do zastosowań wodnych, w których wymagany jest niski spadek ciśnienia, niewielka konserwacja i kompatybilność chemiczna. Na ogół nie działają z wodą pitną lub destylowaną, ale nadają się do zastosowań ściekowych lub przewodzących brudnych cieczy. Stosowane są do cieczy ściernych i korozyjnych, ponieważ nie blokują przepływu cieczy przez rurociągi.

Zasada działania przepływomierza ultradźwiękowego

Przepływomierze ultradźwiękowe wykorzystują do pomiaru przepływu zasady echa i zmian prędkości dźwięku w różnych mediach. Liczniki zazwyczaj zawierają dwa przetworniki ultradźwiękowe, z których jeden pełni rolę nadajnika, a drugi odbiornika. Dwa przetworniki mogą być zamontowane obok siebie lub pod kątem względem siebie po przeciwnych stronach statku. Przetwornik nadawczy emituje impulsy dźwiękowe z powierzchni czujnika do płynu i jest odbierany przez przetwornik oznaczony jako odbiornik. Następnie szacuje się czas potrzebny na przejście impulsu dźwiękowego od nadajnika do odbiornika, zwany czasem przejścia, i wykorzystuje się go do określania natężenia przepływu i innych parametrów.

W drugiej konfiguracji, gdy nadajnik i odbiornik są umieszczone obok siebie, nadajnik emituje impuls dźwiękowy, podczas gdy odbiornik monitoruje czas potrzebny do odebrania echa transmisji.

Niezależnie od konfiguracji czujnika, pomiar z różnicą czasu przejścia polega na tym, że; fale dźwiękowe rozchodzące się w kierunku przepływu medium poruszają się szybciej niż fale propagujące się w kierunku przeciwnym do kierunku przepływu medium. Zatem różnica w czasie przejścia jest wprost proporcjonalna do prędkości przepływu medium i ta zasada służy do dokładnego pomiaru objętości gazów i cieczy, a także do wyznaczania gęstości i lepkości.

Chociaż powyższe dwie metody są bardzo powszechnie stosowane, różne przepływomierze ultradźwiękowe wykorzystują zmodyfikowaną wersję tej metody, opartą na rodzaju cieczy i wykonywanym pomiarze. Poniższy obraz wodomierza ultradźwiękowego ilustruje, w jaki sposób przetworniki górnego i dolnego źródła są umieszczone wewnątrz rury czujnika wraz z niektórymi reflektorami w konstrukcji wodomierza. Rzeczywista konfiguracja sprzętowa tego samego jest również pokazana z zaznaczonymi obydwoma przetwornikami.

Obliczanie natężenia przepływu za pomocą ultradźwiękowych czujników przepływu

Aby lepiej zrozumieć techniczne aspekty tego problemu, rozważ poniższy rysunek, na którym przedstawiono pierwszą konfigurację z przetwornikami nadajnika (TA) i odbiornika (TB) zamontowanymi pod kątem naprzeciw siebie;

Niech czas potrzebny do przejścia fali akustycznej od nadajnika do odbiornika, to jest w kierunku przepływu medium, będzie _wynosił T _{A –B}, a czas potrzebny na przejście od przetwornika odbiorczego do przetwornika nadawczego czyli przeciwnie do kierunku przepływu T _{B –A}.

Różnica w dwóch czasach przejścia jest wprost proporcjonalna do średniej prędkości przepływu, v _m medium, tj.

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

Ponieważ czas przejścia sygnału to odległość między przetwornikiem nadawczym a nadajnikiem odbiorczym podzielona przez prędkość, jaką sygnał akustyczny musi pokonać z jednego przetwornika do drugiego, mamy

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

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

Równania 2 i 3 określają natężenie przepływu pomiędzy przetwornikiem A przed i przetwornikiem B za. gdzie;

v = prędkość przepływu medium, L = długość ścieżki akustycznej, c = prędkość dźwięku w medium, a alfa „α” to kąt w stosunku do rury, pod którym ultradźwięk przemieszcza się z nadajnika do odbiornika.

Zakładając, że prędkość dźwięku w ośrodku jest stała (tj. Brak zmian parametrów, takich jak gęstość płynu, temperatura itp.), (L / (2 * cos)) * (T _{B – A} - T _{A – B}) / (T _{B – A} x T _{A – B})

mnożąc średnią prędkość przez pole przekroju poprzecznego rury, otrzymujemy natężenie przepływu Q as;

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

Pole przekroju poprzecznego rury jest stałe dla wbudowanego przepływomierza ultradźwiękowego o średnicy D.Realizacja

tych równań bez zmiennych, takich jak gęstość, temperatura, ciśnienie, prędkość dźwięku i inne właściwości zdefiniowane przez media / ciecz, pokazuje przyczyny za wszechstronnością i dokładnością przepływomierzy ultradźwiękowych.

Zalety / znaczenie mierników ultradźwiękowych

Głównymi zaletami przepływomierzy ultradźwiękowych musi być ich nieinwazyjny charakter i zdolność do pracy z każdym rodzajem płynu (ponieważ gęstość i prędkość dźwięku w płynach nie mają znaczenia). Różne substancje (w tym chemikalia, rozpuszczalniki, oleje itp.) O różnych właściwościach są codziennie transportowane i rozprowadzane przez rurociągi z koniecznością monitorowania ich przepływu. Nieinwazyjny charakter przepływomierzy ultradźwiękowych sprawia, że sprawdzają się one w takich sytuacjach. Dlatego znajdują zastosowanie w różnych sektorach przemysłu, od przemysłu chemicznego po przetwórstwo żywności, uzdatnianie wody oraz sektor ropy i gazu.

Niedogodności

Główną wadą przepływomierzy ultradźwiękowych musi być ich cena. Ze względu na złożoność konstrukcji przepływomierze ultradźwiękowe są zwykle droższe niż przepływomierze mechaniczne lub innego typu, ponieważ wymagają więcej wysiłku i komponentów,

Oprócz złożoności projektu i kosztów, przepływomierze ultradźwiękowe wymagają również pewnej wiedzy w zakresie instalacji / obsługi w porównaniu z większością innych typów mierników.

Najlepsze przepływomierze ultradźwiękowe na rynku

Chociaż oczekuje się, że rynek globalnego przepływomierza ultradźwiękowego osiągnie 2 miliardy USD do 2024 r., Rynek ten odnotował silny wzrost w ciągu ostatnich kilku lat, dzięki jego zastosowaniom w wielu branżach obecnie i wprowadzeniu kilku nowych ulepszonych wariantów. Wielu producentów opracowało przepływomierze ultradźwiękowe z zaawansowaną technologią, aby poprawić dokładność pomiaru. Ponieważ licznik ten jest przeznaczony do rozwiązań branżowych, oczekuje się, że najnowsze osiągnięcia będą napędzać rynek w okresach prognozy. Najpopularniejsze przepływomierze ultradźwiękowe na rynku obejmują:

Przepływomierze ultradźwiękowe Sonic-View: Sonic-View, jedno z najlepszych rozwiązań do pomiaru małych przepływów cieczy, działa na zasadzie czasu przejścia. Przetworniki nie stykają się z medium i nie ma w nich żadnych ruchomych części. Bezkonkurencyjne cechy, takie jak niskie koszty posiadania, lata bezobsługowej eksploatacji, chronione przetworniki, długa żywotność solidnego miernika i jego niewrażliwość na skoki ciśnienia i cząsteczki - wszystko to przyczynia się do tego, że ultradźwiękowy przepływomierz sonic-view jest jednym z najlepsze rozwiązania na rynku liczników.

Wodomierze ultradźwiękowe Shmeters: W różnych warunkach przepływu w rurociągach ten ultradźwiękowy wodomierz do celów przemysłowych i handlowych jest w stanie oznaczać pomiary części konstrukcyjnej z najwyższą możliwą dokładnością pomiaru. Miernik jest zasilany z baterii i może pracować nieprzerwanie przez 10 lat na jednej baterii; jego zużycie energii jest mniejsze niż 0,5 mW. Może działać długo bez wpływu zakłóceń magnetycznych. Tymczasem jest wysoce niezawodny i czuły, można szybko wykryć prędkość przepływu nawet 0,002 m / s.

Przepływomierze ultradźwiękowe Sitrans FS: zapewniają imponującą wydajność dla różnych gazów i cieczy, ponieważ mogą działać niezależnie od temperatury, lepkości, przewodności, ciśnienia, gęstości i w najtrudniejszych warunkach. Sitrans FS220 szczyci się tym, że jest najlepszym w swojej klasie rozwiązaniem do prostych pomiarów przepływu, ponieważ jego możliwości wydają się nieograniczone.

Szczególnie w zastosowaniach konsumenckich mierniki ultradźwiękowe są coraz częściej ulepszane przez technologie takie jak LoRa, które umożliwiają władzom miejskim i pokrewnym zdalne monitorowanie takich rzeczy, jak zużycie gazu i wody. Niski pobór mocy medium komunikacyjnego sprawia, że liczniki te mogą działać przez ponad 5 lat na jednym ładowaniu baterii, znacznie dłużej niż można osiągnąć za pomocą liczników mechanicznych.