Izpratne par ultraskaņas plūsmas mērītājiem un tā darbības principu ūdens plūsmas mērīšanā

Plūsmas ātruma mērīšana ietver šķidruma daudzuma noteikšanu, kas noteiktā laikā iet caur noteiktu trauka virsmas laukumu. Tāpat kā visa veida mērījumus, arī to izmanto ikdienas dzīvē, sākot ar tā izmantošanu ūdens un gāzes patēriņa kontrolē rēķinu aprēķināšanai līdz kritiskākām rūpnieciskām lietojumprogrammām (piemēram, vairāku ķīmisku vielu liela mēroga sajaukšana), kur plūsmas ātruma mērīšanai ir galvenā loma procesa / produkta kvalitāte.

Lai noteiktu plūsmas ātrumu, tiek izmantoti īpaši skaitītāju veidi, kas dēvēti par plūsmas mērītājiem. Plūsmas mērītājiem ir daudz dažādu veidu plūsmas mērīšanas atšķirīgo prasību dēļ (lineārs / nelineārs, masa / tilpuma ātrums utt.). Skaitītāji atšķiras, pamatojoties uz dažādiem faktoriem, tostarp; mērīšanas paņēmieni, ko viņi lieto, konkrētie plūsmas parametri, ko viņi uzrauga, šķidruma tilpums, ko viņi var izsekot, un to fiziskās īpašības, lai minētu dažus. YFS201 ir populārs ūdens plūsmas sensors, kuru mēs iepriekš izmantojām, lai izmērītu ūdens plūsmu, izmantojot Arduino, un aprēķināto izkliedētās plūsmas un tilpuma ātrumu.

Daži no plūsmas mērītāju tipiem / kategorijām ietver: Turbīna, virpuļvada, termiskās masas, magnētiskās, ovālas pārnesumkārbas, lāpstiņratas, koriolisa, masas plūsmas, mazplūsmas un ultraskaņas plūsmas mērītāji, kas ir šī raksta uzmanības centrā. Ultraskaņas plūsmas mērītāji nodrošina neinvazīvus, ļoti uzticamus līdzekļus, lai noteiktu šķidruma daudzumu, kas plūst caur trauku, un tie ir atraduši pielietojumu dažādās nozarēs, sākot no naftas un gāzes līdz komunālo pakalpojumu sniedzējiem.

Šajā rakstā mēs aplūkosim visu, kas atrodas ap Ultraskaņas plūsmas mērītāju, to darbību, priekšrocībām un trūkumiem.

Ultraskaņas plūsmas mērītājs

Kā norāda nosaukums, ultraskaņas plūsmas mērītājs, viens no plaši izmantotajiem plūsmas mērītājiem, ir neuzbāzīga ierīce, kas aprēķina šķidruma tilpuma plūsmu, mērot tā ātrumu ar ultraskaņu. Tas var izmērīt šķidruma plūsmu praktiski jebkurā šķidrumā, kur var pārraidīt skaņas viļņi. Šis plūsmas mērītāja tips parasti tiek uzskatīts par “hibrīdu”, jo plūsmas mērīšanai var izmantot vai nu Doplera principu, vai tranzīta laika metodi, abus principus mēs apspriedīsim vēlāk šajā rakstā. Ņemiet vērā, ka šos plūsmas mērītājus sauc arī par Doplera plūsmas mērītājiem, ja tie darbojas, izmantojot doplera principu.

Ultraskaņas plūsmas mērītāji ir ideāli piemēroti ūdens lietošanai, kur nepieciešama zema spiediena kritums, zema apkope un ķīmiskā savietojamība. Parasti tie nestrādās ar dzeramo vai destilētu ūdeni, bet ir piemēroti notekūdeņiem vai vadošiem netīriem šķidrumiem. Tos lieto kopā ar abrazīviem un kodīgiem šķidrumiem, jo ​​tie netraucē šķidrumu, kas plūst cauruļvados.

Ultraskaņas plūsmas mērītāja darbības princips

Ultraskaņas plūsmas mērītāji plūsmas mērīšanai izmanto atbalss un skaņas ātruma variācijas dažādos nesējos principus. Skaitītājos parasti ir divi ultraskaņas devēji, no kuriem viens darbojas kā raidītājs, bet otrs - kā uztvērējs. Abus devējus varēja vai nu uzstādīt blakus, vai leņķī viens no otra trauka pretējās pusēs. Raidošais devējs izstaro skaņas impulsus no sensora virsmas uz šķidrumu, un to uztver devējs, kas apzīmēts kā uztvērējs. Pēc tam tiek aprēķināts laiks, kas nepieciešams, lai skaņas impulss virzītos no raidītāja uz uztvērēju, kas pazīstams kā tranzīta laiks, un tiek izmantots plūsmas ātruma un citu parametru noteikšanai.

Otrajai konfigurācijai, ja raidītājs un uztvērējs atrodas blakus, raidītājs izstaro skaņas impulsu, kamēr uztvērējs uzrauga laiku, kas nepieciešams, lai saņemtu pārraides atbalss.

Neatkarīgi no sensora konfigurācijas mērījumu ar tranzīta laika starpību pamatā ir fakts, ka; skaņas viļņi, kas izplatās barotnes plūsmas virzienā, pārvietojas ātrāk nekā viļņi, kas izplatās pret barotnes plūsmas virzienu. Tādējādi tranzīta laika starpība ir tieši proporcionāla barotnes plūsmas ātrumam, un šo principu izmanto, lai precīzi izmērītu gāzu un šķidrumu tilpumu, kā arī iegūtu blīvumu un viskozitāti.

Lai gan iepriekš minētās divas metodes ir ļoti bieži lietotās, dažādos ultraskaņas plūsmas mērītājos tiek izmantota modificēta versija, pamatojoties uz veicamā šķidruma veidu un mērījumiem. Zemāk redzamais ultraskaņas ūdens skaitītāja attēls ilustrē to, kā augšupējie un lejupējie pārveidotāji tiek ievietoti sensora caurulē kopā ar dažiem atstarotājiem ūdens plūsmas mērītāja konstrukcijai. Faktiskais tā paša aparatūras iestatījums tiek parādīts arī ar abiem pārveidotājiem.

Plūsmas ātruma aprēķināšana, izmantojot ultraskaņas plūsmas sensorus

Lai iegūtu skaidrāku izpratni par tehniskajām iezīmēm, apsveriet zemāk redzamo attēlu, kurā parādīta pirmā konfigurācija ar raidītāja (TA) un uztvērēja (TB) devējiem, kas uzstādīti leņķī pretī;

Ļaujiet laikam, kas nepieciešams, lai akustiskais vilnis pārvietotos no raidītāja uz uztvērēju, tas ir, barotnes plūsmas virzienā jābūt T _{A – B}, un laiku, kas tam nepieciešams, lai tas pārvietotos no uztvērēja un raidītāja., tas ir pret plūsmas virzienu T _{B –A}.

Divu tranzīta laiku starpība ir tieši proporcionāla vidējam plūsmas ātrumam, v _m, ti;

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

Tā kā signāla tranzīta laiks ir attālums starp raidītāju un uztvērēju, dalīts ar ātrumu, kas akustiskajam signālam nepieciešams, lai pārvietotos no viena pārveidotāja uz otru, mēs esam

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

Un;

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

2. un 3. vienādojums nosaka plūsmas ātrumu starp devēju A augšpus un B pārveidotāju. kur;

v = barotnes plūsmas ātrums, L = akustiskā ceļa garums, c = skaņas ātrums vidē, un alfa “α” ir leņķis pret cauruli, kurā ultraskaņas skaņa virzās no raidītāja uz uztvērēju.

Pieņemot, ka skaņas ātrums vidē ir nemainīgs (ti, nemainās tādi parametri kā šķidruma blīvums, temperatūra utt.);

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

reizinot vidējo ātrumu ar caurules šķērsgriezuma laukumu, iegūstam plūsmas ātrumu Q as;

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

Caurules šķērsgriezuma laukums ir nemainīgs inline ultraskaņas plūsmas mērītājam ar diametru D.

Šo vienādojumu ieviešana bez mainīgajiem lielumiem, piemēram, blīvuma, temperatūras, spiediena, skaņas ātruma un citiem vidē / šķidrumā definētiem raksturlielumiem, parāda iemeslus. aiz ultraskaņas plūsmas mērītāju daudzpusības un precizitātes.

Ultraskaņas skaitītāju priekšrocības / nozīme

Ultraskaņas plūsmas mērītāju galvenajām priekšrocībām jābūt to neinvazīvajam raksturam un spējai strādāt ar jebkura veida šķidrumu (jo skaņas blīvumam un ātrumam šķidrumos nav nozīmes). Dažādas vielas (ieskaitot ķīmiskas vielas, šķīdinātājus, eļļas utt.) Ar dažādām īpašībām katru dienu transportē un izplata caur cauruļvadu sistēmām ar nepieciešamību uzraudzīt to plūsmu. Ultraskaņas plūsmas mērītāju neinvazīvais raksturs padara tos par goto skaitītājiem šādās situācijās. Tāpēc viņi atrod pielietojumu dažādās rūpniecības nozarēs, sākot ar ķīmiskām nozarēm līdz pārtikas pārstrādei, ūdens attīrīšanai, kā arī naftas un gāzes nozarei.

Trūkumi

Ultraskaņas plūsmas mērītāju galvenajam trūkumam jābūt to cenai. Sakarā ar to sarežģītību, ultraskaņas plūsmas mērītāji parasti ir dārgāki nekā mehāniskie vai cita veida skaitītāji, jo tie prasa vairāk pūļu un komponentu,

Papildus dizaina sarežģītībai un izmaksām, ultraskaņas plūsmas mērītājiem ir nepieciešama arī zināšanu līmeņa uzstādīšana / apstrāde, salīdzinot ar lielāko daļu citu skaitītāju veidu.

Populārākie ultraskaņas plūsmas mērītāji tirgū

Lai gan paredzams, ka globālā ultraskaņas plūsmas mērītāja tirgus līdz 2024. gadam sasniegs USD 2 miljardus, pēdējos gados tirgū ir vērojama spēcīga izaugsme, pateicoties tā pielietojumam daudzās nozarēs šodien un dažu nesen uzlabotu variantu ieviešanai. Daudzi ražotāji ir izstrādājuši ultraskaņas plūsmas mērītājus ar progresīvu tehnoloģiju, lai uzlabotu mērījumu precizitāti. Tā kā šis skaitītājs atbilst nozares specifiskiem risinājumiem, sagaidāms, ka prognozes periodos tirgus virzīs jaunākās norises. Populārākie ultraskaņas plūsmas mērītāji tirgū ietver:

Sonic-View ultraskaņas plūsmas mērītāji: Sonic-view, viens no labākajiem risinājumiem zema šķidruma plūsmas mērīšanai, darbojas pēc tranzīta laika principa. Pārveidotāji nav saskarē ar barotni, un instrumentos nav izmantotas kustīgas daļas. Nepārspējamas funkcijas, piemēram, zemas īpašuma izmaksas, gadiem ilga bezapkopes darbība, aizsargāti pārveidotāji, izturīga skaitītāja mūža ilgais cikls un tā nejutīgums pret spiediena virsotnēm un daļiņām, visi veicina to, kāpēc skaņas skata ultraskaņas plūsmas mērītājs ir viens no labākie risinājumi skaitītāju tirgū.

Shmeters ultraskaņas ūdens skaitītāji: Dažādos cauruļu plūsmas apstākļos šis ultraskaņas ūdens skaitītājs rūpnieciskiem un komerciāliem mērķiem spēj marķēt projektēšanas sekciju mērījumus ar visaugstāko iespējamo mērīšanas precizitāti. Skaitītājs darbojas ar akumulatoru un var nepārtraukti darboties 10 gadus tikai ar vienu akumulatoru; tā enerģijas patēriņš ir mazāks par 0,5 mW. Tas var turpināt strādāt ilgi, neietekmējot magnētiskos traucējumus. Tikmēr tas ir ļoti uzticams un jutīgs, var ātri noteikt tik zemu plūsmas ātrumu kā 0,002m / s.

Sitrans FS ultraskaņas plūsmas mērītāji: tie nodrošina iespaidīgu veiktspēju dažādām gāzēm un šķidrumiem, jo ​​tie var darboties neatkarīgi no temperatūras, viskozitātes, vadītspējas, spiediena, blīvuma un vissmagākajos apstākļos. Sitrans FS220 lepojas ar savu klasē labāko risinājumu tiešiem plūsmas mērījumiem, jo ​​šķiet, ka tā iespējas ir bezgalīgas.

Īpaši patērētāju līmeņa lietojumprogrammās ultraskaņas skaitītājus uzlabo tādas tehnoloģijas kā LoRa, kas ļauj pašvaldībām un saistītajām iestādēm attālināti uzraudzīt tādas lietas kā gāzes un ūdens patēriņu. Sakaru līdzekļa mazjaudas raksturs ļauj šiem skaitītājiem darboties 5 + gadus ar vienu akumulatora uzlādi, kas ir daudz vairāk nekā to var sasniegt, izmantojot mehāniskos skaitītājus.