Pochopenie ultrazvukových prietokomerov a ich princíp fungovania pri meraní prietoku vody

Meranie prietokovej rýchlosti zahŕňa stanovenie množstva tekutiny prechádzajúcej cez špecifikovaný povrch nádoby v konkrétnom čase. Rovnako ako všetky formy meraní, má aplikácie každodenného života, od použitia pri monitorovaní spotreby vody a plynu pri odhadovaní účtov až po kritickejšie priemyselné aplikácie (napr. Miešanie viacerých chemikálií vo veľkom meradle), kde meranie prietoku hrá kľúčovú úlohu pri udržiavaní kvalita procesu / produktu.

Na určenie prietoku sa používajú špeciálne druhy meračov, ktoré sa označujú ako prietokomery. Existuje veľa rôznych typov prietokomerov kvôli rôznym požiadavkám na meranie prietoku (lineárne / nelineárne, hmotnostné / objemové rýchlosti atď.). Merače sa navzájom líšia na základe rôznych faktorov vrátane; techniku merania, ktorú používajú, špecifické parametre prietoku, ktoré monitorujú, objem tekutiny, ktorú môžu sledovať, a ich fyzikálne vlastnosti, aby sme spomenuli niekoľko. YFS201 je populárny snímač prietoku vody, ktorý sme predtým používali na meranie prietoku vody pomocou Arduina a vypočítanú rýchlosť prietoku a rozptýlený objem.

Medzi niektoré typy / kategórie prietokomerov patria; Tento článok je zameraný na turbíny, vír, tepelnú hmotu, magnetický, oválny prevod, lopatkové koleso, Coriolis, hmotnostný prietok, nízky prietok a ultrazvukové prietokomery. Ultrazvukové prietokomery poskytujú neinvazívne a veľmi spoľahlivé prostriedky na stanovenie množstva kvapaliny pretekajúcej cez nádobu a našli uplatnenie v rôznych priemyselných odvetviach, od ropy a plynu až po poskytovateľov služieb.

V tomto článku sa pozrieme na všetko okolo ultrazvukového prietokomeru, na to, ako fungujú, výhody a nevýhody.

Ultrazvukový prietokomer

Ako už z názvu vyplýva, ultrazvukový prietokomer, jeden z najbežnejšie používaných prietokomerov, je nerušivé zariadenie, ktoré počíta objemový tok tekutiny meraním jej rýchlosti pomocou ultrazvuku. Môže merať tok tekutiny v podstate v akejkoľvek tekutine, kam môžu prenášať zvukové vlny. Tento typ prietokomeru sa zvyčajne považuje za „hybridný“, pretože môže na meranie prietoku používať buď Dopplerov princíp, alebo metódu tranzitného času. O obidvoch princípoch sa zmienime ďalej v tomto článku. Uvedomte si, že tieto prietokomery sa tiež nazývajú Dopplerov prietokomer, ak pracujú na princípe dopplerov.

Ultrazvukové prietokomery sú najideálnejšie pre vodné aplikácie, kde sa vyžaduje nízkotlakový pokles, nízka údržba a chemická kompatibilita. Spravidla nebudú pracovať s pitnou alebo destilovanou vodou, ale sú vhodné na použitie v odpadových vodách alebo na vodivé špinavé kvapaliny. Používajú sa s abrazívnymi a korozívnymi kvapalinami, pretože nebránia tekutine pretekajúcej potrubím.

Princíp činnosti ultrazvukového prietokomeru

Ultrazvukové prietokomery používajú na meranie prietoku princípy ozveny a zmeny rýchlosti zvuku na rôznych médiách. Merače zvyčajne obsahujú dva ultrazvukové snímače, z ktorých jeden slúži ako vysielač a druhý ako prijímač. Dva meniče sa dali namontovať buď vedľa seba, alebo navzájom v uhle na protiľahlých stranách nádoby. Vysielací menič vysiela zvukové impulzy z povrchu snímača do tekutiny a prijíma ich menič označený ako prijímač. Čas, ktorý je potrebný na prechod zvukového impulzu z vysielača do prijímača, známy ako tranzitný čas, sa potom odhadne a použije na určenie prietoku a ďalších parametrov.

Pre druhú konfiguráciu, keď sú vysielač a prijímač umiestnené vedľa seba, vysiela vysielač zvukový impulz, zatiaľ čo prijímač monitoruje čas potrebný na prijatie ozveny vysielania.

Bez ohľadu na konfiguráciu snímača je meranie s rozdielom času prechodu založené na skutočnosti, že; zvukové vlny šíriace sa v smere prúdenia média sa pohybujú rýchlejšie ako vlny šíriace sa v smere prúdenia média. To znamená, že rozdiel v prepravnej doby je priamo úmerný rýchlosti prúdenia média a tento princíp sa používa pre presné meranie objemu plynov a kvapalín a tiež odvodiť hustoty a viskozity.

Zatiaľ čo vyššie uvedené dva spôsoby sú veľmi bežne používané, rôzne ultrazvukové prietokomery používajú jeho modifikovanú verziu, ktorá závisí od typu kvapaliny a merania, ktoré sa má vykonať. Nasledujúci obrázok ultrazvukového vodomeru ilustruje, ako sú predné a dolné snímače umiestnené vo vnútri trubice snímača spolu s niektorými reflektormi pre konštrukciu vodomeru. Skutočné hardvérové nastavenie je tiež zobrazené s označenými obidvomi prevodníkmi.

Výpočet prietoku pomocou ultrazvukových snímačov prietoku

Aby ste lepšie pochopili technické podrobnosti, zvážte obrázok nižšie, ktorý predstavuje prvú konfiguráciu s prevodníkmi vysielača (TA) a prijímača (TB) namontovanými v uhle oproti sebe;

Nech čas, ktorý trvá prechod akustickej vlny z vysielača do prijímača, to znamená v smere toku média, bude T _{A – B} a čas, ktorý uplynie, kým sa presunie z prijímacieho prevodníka do vysielacieho prevodníka, to je proti smeru toku T _{B –A}.

Rozdiel v dvoch časoch prechodu je priamo úmerný priemernej rýchlosti prúdenia, v _m média, tj;

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

Pretože čas prechodu signálu je vzdialenosť medzi vysielacím prevodníkom a prijímajúcim vysielačom vydelená rýchlosťou, ktorú akustický signál potrebuje na prechod z jedného prevodníka do druhého, máme

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

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

Rovnice 2 a 3 definujú prietokovú rýchlosť medzi prevodníkom A proti prúdu a prevodníkom B za prúdom. kde;

v = rýchlosť prúdenia média, L = dĺžka akustickej dráhy, c = rýchlosť zvuku v médiu a alfa „α“ je uhol k rúrke, pod ktorým ultrazvukový zvuk postupuje z vysielača do prijímača.

Za predpokladu, že rýchlosť zvuku v médiu je konštantná (tj. Nezmeníme parametre, ako je hustota kvapaliny, teplota atď.), Ktoré máme;

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

vynásobením priemernej rýchlosti s prierezovou plochou potrubia dostaneme prietok, Q as;

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

Prierezová plocha potrubia je pre lineárny ultrazvukový prietokomer s priemerom D konštantná

. Implementácia týchto rovníc bez premenných ako hustota, teplota, tlak, rýchlosť zvuku a ďalšie charakteristiky definované médiom / tekutinou predstavuje dôvody za všestrannosťou a presnosťou ultrazvukových prietokomerov.

Výhody / význam ultrazvukových meračov

Hlavnými výhodami ultrazvukových prietokomerov musí byť ich neinvazívny charakter a schopnosť pracovať s akýmkoľvek typom kvapaliny (pretože na hustote a rýchlosti zvuku v kvapalinách nezáleží). Rôzne látky (vrátane chemikálií, rozpúšťadiel, olejov atď.) S rôznymi vlastnosťami sa transportujú a distribuujú potrubnými systémami každý deň s potrebou monitorovať ich tok. Neinvazívna povaha ultrazvukových prietokomerov z nich robí goto metre v podobných situáciách. To je dôvod, prečo nachádzajú uplatnenie v rôznych priemyselných odvetviach, od chemického priemyslu po spracovanie potravín, úpravu vody a ropný a plynárenský priemysel.

Nevýhody

Hlavnou nevýhodou ultrazvukových prietokomerov musí byť ich cena. Vzhľadom na zložitosť ich konštrukcie sú ultrazvukové prietokomery zvyčajne nákladnejšie ako mechanické alebo iné typy meračov, pretože vyžadujú väčšie úsilie a súčasti,

Okrem zložitosti a nákladov na dizajn vyžadujú ultrazvukové prietokomery tiež úroveň odborných znalostí pri inštalácii / manipulácii v porovnaní s väčšinou ostatných typov meračov.

Najlepšie ultrazvukové prietokomery na trhu

Zatiaľ čo sa očakáva, že trh s globálnym ultrazvukovým prietokomerom dosiahne do roku 2024 2 miliardy USD, trh v posledných rokoch zaznamenal silný rast vďaka jeho dnešným aplikáciám v mnohých priemyselných odvetviach a zavedeniu niektorých novo vylepšených variantov. Mnoho výrobcov vyvinulo ultrazvukové prietokomery s pokročilou technológiou na zlepšenie presnosti merania. Pretože tento merač vychádza z riešení špecifických pre dané odvetvie, očakáva sa, že najnovší vývoj bude poháňať trh v predpovedaných obdobiach. Medzi najlepšie ultrazvukové prietokomery na trhu patria:

Ultrazvukové prietokomery Sonic-View: Sonické zobrazenie, jedno z najlepších riešení na meranie nízkych prietokov kvapaliny, funguje na princípe času prechodu. Meniče nie sú v kontakte s médiom a v prístrojoch sa nenachádzajú žiadne pohyblivé časti. Bezkonkurenčné vlastnosti, ako sú nízke náklady na vlastníctvo, roky bezúdržbovej prevádzky, chránené snímače, celoživotný cyklus robustného merača a jeho necitlivosť voči tlakovým špičkám a časticiam, to všetko prispieva k tomu, prečo je ultrazvukový prietokomer jedným z najlepšie riešenia na trhu s elektromermi.

Ultrazvukové vodomery na meranie rýchlosti: Za rôznych podmienok prietoku potrubím je tento ultrazvukový vodomer na priemyselné a komerčné účely schopný označiť merania v návrhovom reze s najvyššou možnou presnosťou merania. Merač je napájaný z batérie a môže neprerušovane pracovať 10 rokov iba s jednou batériou; jeho spotreba energie je menšia ako 0,5 mW. Môže pracovať dlho, bez toho, aby bol ovplyvnený magnetickým rušením. Medzitým je vysoko spoľahlivý a citlivý, rýchlo sa dá zistiť rýchlosť prúdenia až 0,002 m / s.

Ultrazvukové prietokomery Sitrans FS: Poskytujú pôsobivý výkon pre rôzne plyny a kvapaliny, pretože môžu pracovať nezávisle od teploty, viskozity, vodivosti, tlaku, hustoty a za najtvrdších podmienok. Sitrans FS220 sa chváli ako najlepšie riešenie vo svojej triede pre priame merania prietoku, pretože jeho možnosti sa zdajú byť nekonečné.

Najmä v spotrebiteľských aplikáciách sa ultrazvukové merače zdokonaľujú pomocou technológií ako LoRa, ktoré umožňujú miestnym a súvisiacim orgánom diaľkovo monitorovať napríklad spotrebu plynu a vody. Nízka spotreba komunikačného média umožňuje týmto meračom vydržať na jedno nabitie batérie viac ako 5 rokov, čo je viac, ako je možné dosiahnuť pomocou mechanických meračov.