Розуміння ультразвукових витратомірів та його принципу роботи у вимірюванні витрати води

Вимірювання швидкості потоку включає визначення кількості рідини, що проходить через певну площу поверхні судини в певний час. Як і у всіх формах вимірювань, він застосовується у повсякденному житті, починаючи від його використання для контролю споживання води та газу для розрахунку рахунків до більш критичних промислових застосувань (наприклад, великомасштабне змішування декількох хімічних речовин), де вимірювання витрати грає ключову роль у підтримці якість процесу / продукту.

Для визначення витрати використовуються спеціальні види лічильників, які називаються витратомірами. Існує багато різних типів витратомірів через різноманітні вимоги до вимірювання витрати (лінійні / нелінійні, масова / об’ємна швидкість тощо). Лічильники різняться між собою залежно від різних факторів, включаючи; техніку вимірювання, яку вони застосовують, конкретні параметри потоку, які вони контролюють, обсяг рідини, яку вони можуть відстежувати, та їх фізичні характеристики, щоб згадати кілька. YFS201 - популярний датчик витрати води, який ми раніше використовували для вимірювання витрати води за допомогою Arduino та обчислюваної швидкості потоку та диспергованого об'єму.

Деякі типи / категорії витратомірів включають; Турбінні, вихрові, теплові маси, магнітні, овальні передачі, лопатки, Коріоліс, масовий витрата, низький витрата та ультразвукові витратоміри, які є предметом цієї статті. Ультразвукові витратоміри забезпечують неінвазивний, дуже надійний засіб визначення кількості рідини, що протікає через посудину, і вони знайшли застосування в різних галузях промисловості - від нафти та газу до постачальників комунальних послуг.

У цій статті ми розглянемо все навколо ультразвукового витратоміра, як вони працюють, переваги та недоліки.

Ультразвуковий витратомір

Як випливає з назви, ультразвуковий витратомір, один із широко використовуваних витратомірів, - це ненав’язливий прилад, який обчислює об’ємний потік рідини, вимірюючи її швидкість за допомогою ультразвуку. Він може вимірювати потік рідини практично в будь-якій рідині, куди можуть передавати звукові хвилі. Цей тип витратоміра зазвичай розглядають як “гібридний”, оскільки він може або використовувати доплерівський принцип, або метод часу проходження для вимірювання витрати, ми обговоримо обидва принципи далі в цій статті. Зверніть увагу, що ці витратоміри також називаються доплерівськими витратомірами, якщо вони працюють за доплерівським принципом.

Ультразвукові витратоміри є найбільш ідеальними для застосування у воді, де потрібен перепад низького тиску, низький рівень технічного обслуговування та хімічна сумісність. Як правило, вони не будуть працювати з питною або дистильованою водою, але придатні для використання у стічних водах або провідних брудних рідинах. Вони використовуються з абразивними та агресивними рідинами, оскільки вони не перешкоджають рідині, що протікає по трубопроводах.

Принцип роботи ультразвукового витратоміра

Ультразвукові витратоміри використовують для вимірювання потоку принципи ехо-сигналу та зміни швидкості звуку в різних середовищах. Зазвичай лічильники містять два ультразвукові перетворювачі, один з яких виконує роль передавача, а інший - приймача. Два перетворювачі могли бути встановлені поруч або під кутом один від одного на протилежних сторонах судна. Передавальний перетворювач випромінює звукові імпульси з поверхні датчика на рідину, і він приймається перетворювачем, призначеним як приймач. Потім оцінюється і використовується для визначення швидкості потоку та інших параметрів час, необхідний для проходження звукового імпульсу від передавача до приймача, відомий як час проходження.

Для другої конфігурації, коли передавач і приймач розміщені поруч, передавач випромінює звуковий імпульс, тоді як приймач контролює час, необхідний для отримання відлуння передачі.

Незалежно від конфігурації датчика, вимірювання з різницею часу проходження базується на тому, що; звукові хвилі, що поширюються у напрямку потоку середовища, рухаються швидше, ніж хвилі, що розповсюджуються проти напрямку потоку середовища. Таким чином, різниця в часі проходження прямо пропорційна швидкості потоку середовища, і цей принцип використовується для точного вимірювання об'єму газів і рідин, а також для отримання щільності та в'язкості.

Хоча два вищезазначені методи є найбільш часто використовуваними, різні ультразвукові витратоміри використовують модифіковану версію цього, засновану на типі рідини та вимірюванні, яке потрібно зробити. Наведене нижче зображення ультразвукового лічильника води ілюструє, як перетворювачі вище та нижче за течією розміщені всередині сенсорної труби разом з деякими відбивачами для конструкції лічильника води. Фактична апаратна установка цього ж також відображається з обома датчиками, позначеними.

Розрахунок витрати за допомогою ультразвукових датчиків витрати

Щоб отримати більш чітке розуміння технічних характеристик цього, розгляньте зображення нижче, яке містить першу конфігурацію з перетворювачами передавача (ТА) і приймача (ТБ), встановленими під кутом навпроти один одного;

Нехай час, через який проходить акустична хвиля від передавача до приймача, тобто в напрямку потоку середовища, буде T _{A –B}, і час, необхідний для переміщення від приймального перетворювача до передавального перетворювача, тобто проти напрямку потоку T _{B –A}.

Різниця в двох транзитних часах прямо пропорційна середній швидкості потоку, в _м середовища, тобто;

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

Оскільки час проходження сигналу - це відстань між передавальним перетворювачем і приймальним передавачем, поділене на швидкість, необхідну акустичному сигналу для переміщення від одного перетворювача до іншого, ми маємо

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

І;

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

Рівняння 2 і 3 визначають швидкість потоку між перетворювачем А вище і перетворювачем В нижче. де;

v = швидкість потоку середовища, L = довжина акустичного шляху, c = швидкість звуку в середовищі, а альфа «α» - це кут до труби, під яким ультразвуковий звук проходить від передавача до приймача.

Якщо припустити, що швидкість звуку в середовищі є постійною (тобто ніяких змін таких параметрів, як густина рідини, температура тощо), ми не маємо;

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

помноживши середню швидкість на площу поперечного перерізу труби, отримаємо швидкість потоку, Q як;

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

Площа поперечного перерізу труби постійна для вбудованого ультразвукового витратоміра з діаметром D.

Реалізація цих рівнянь без таких змінних, як щільність, температура, тиск, швидкість звуку та інші характеристики середовища / рідини, демонструє причини за універсальністю та точністю ультразвукових витратомірів.

Переваги / Значення ультразвукових лічильників

Основними перевагами ультразвукових витратомірів має бути їх неінвазивний характер і здатність працювати з будь-якими рідинами (оскільки щільність і швидкість звуку в рідинах не мають значення). Різні речовини (включаючи хімікати, розчинники, оливи тощо) з різними властивостями транспортуються та розподіляються по трубопровідних системах щодня з необхідністю контролювати їх потік. Неінвазивна природа ультразвукових витратомірів змушує їх переходити в такі ситуації. Ось чому вони знаходять застосування в різних галузях промисловості, від хімічних галузей до харчової промисловості, водопідготовки та нафтогазового сектору.

Недоліки

Основним недоліком ультразвукових витратомірів має бути їх ціна. Через складність конструкції ультразвукові витратоміри, як правило, дорожчі, ніж механічні та інші типи лічильників, оскільки вони вимагають більших зусиль та деталей

Окрім складності конструкції та вартості, ультразвукові витратоміри також вимагають рівня знань при монтажі / обробці порівняно з більшістю інших типів лічильників.

Найкращі ультразвукові витратоміри на ринку

Незважаючи на те, що до 2024 року ринок світових ультразвукових витратомірів, як очікується, досягне 2 мільярдів доларів США, за останні кілька років ринок спостерігав значне зростання завдяки його застосуванням у багатьох галузях промисловості сьогодні та впровадженню деяких нових вдосконалених варіантів. Багато виробників розробили ультразвукові витратоміри з передовою технологією для підвищення точності вимірювань. Оскільки цей лічильник відповідає галузевим рішенням, очікується, що останні події будуть стимулювати ринок протягом прогнозованих періодів. Найкращі ультразвукові витратоміри на ринку включають:

Ультразвукові витратоміри Sonic-View: Sonic-view, одне з найкращих рішень для вимірювання низьких витрат рідини, працює за принципом часу проходження. Перетворювачі не контактують із середовищем, і в приладах немає рухомих частин. Неперевершені особливості, такі як низькі витрати на володіння, роки експлуатації, що не потребують технічного обслуговування, захищені перетворювачі, тривалий цикл роботи міцного лічильника та його нечутливість до піків тиску та часток - все це сприяє тому, чому ультразвуковий витратомір Sonic-view є одним із найкращі рішення на ринку лічильників.

Ультразвукові лічильники води в метрах: У різних умовах потоку труб цей ультразвуковий лічильник води для промислових та комерційних цілей здатний маркувати вимірювання на проектних ділянках з максимально можливою точністю вимірювання. Лічильник працює від акумулятора і може працювати безперервно протягом 10 років лише з однією батареєю; його енергоспоживання менше 0,5 мВт. Він може продовжувати працювати довго, не зазнаючи магнітних перешкод. Тим часом він дуже надійний і чутливий, швидкість потоку до 0,002 м / с може бути швидко виявлена.

Ультразвукові витратоміри Sitrans FS: Вони забезпечують вражаючі характеристики для різноманітних газів і рідин, оскільки вони можуть працювати незалежно від температури, в’язкості, провідності, тиску, щільності та в найважчих умовах. Sitrans FS220 пишається як найкраще у своєму класі рішення для прямолінійних вимірювачів потоку, оскільки його можливості здаються безмежними.

Особливо в споживчих цілях, ультразвукові лічильники вдосконалюються завдяки таким технологіям, як LoRa, що дозволяє муніципальним та суміжним органам контролювати такі речі, як споживання газу та води, дистанційно. Низька потужність комунікаційного середовища дозволяє цим лічильникам прослужити 5+ років від одного заряду акумулятора, що значно більше, ніж можна досягти за допомогою механічних лічильників.