Ymmärtäminen ultraäänivirtausmittareista ja sen toimintaperiaatteesta veden virtauksen mittauksessa

Virtausnopeuden mittaamiseen sisältyy määritetty määrä nestettä, joka kulkee tietyn ajan astian tietyn pinta-alan läpi. Kuten kaikilla mittaustyypeillä, sillä on jokapäiväisen elämän sovelluksia, jotka vaihtelevat sen käytöstä veden ja kaasun kulutuksen seurannassa laskun arvioimiseksi kriittisemmissä teollisissa sovelluksissa (esim. Useiden kemikaalien laajamittainen sekoittaminen), joissa virtausnopeuden mittauksella on keskeinen rooli prosessin / tuotteen laatu.

Virtausnopeuden määrittämiseksi käytetään erityyppisiä mittareita, joita kutsutaan virtausmittareiksi. Virtausmittareita on monia erityyppisiä virtausmittauksen erilaisten vaatimusten (lineaarinen / epälineaarinen, massa / tilavuusnopeus jne.) Vuoksi. Mittarit vaihtelevat toisistaan ​​eri tekijöiden perusteella, mukaan lukien; niiden käyttämä mittaustekniikka, tarkkailemat virtausparametrit, seurattavan nesteen määrä ja niiden fyysiset ominaisuudet muutamista mainitsemaan. YFS201 on suosittu vesivirta-anturi, jota olemme aiemmin käyttäneet mittaamaan veden virtausta Arduinolla ja lasketulla virtausnopeudella ja hajautetulla tilavuudella.

Joitakin virtausmittareiden tyyppejä / luokkia ovat; Turbiini, pyörre, lämpömassa, magneettinen, soikea vaihde, siipipyörä, Coriolis, massavirta, matalan virtauksen ja ultraäänivirtausmittarit, jotka ovat tämän artikkelin painopiste. Ultraäänivirtausmittarit tarjoavat ei-invasiivisen, erittäin luotettavan tavan määrittää aluksen läpi virtaavan nesteen määrän, ja ne ovat löytäneet sovelluksia eri toimialoilta öljystä ja kaasusta palvelujen tarjoajiin.

Tässä artikkelissa tarkastelemme kaikkea ultraäänivirtausmittarin ympärillä, miten ne toimivat, etuja ja haittoja.

Ultraäänivirtausmittari

Kuten nimestä käy ilmi, ultraäänivirtausmittari, yksi yleisimmin käytetyistä virtausmittareista, on ei-häiritsevä laite, joka laskee nesteen tilavuusvirran mittaamalla sen nopeuden ultraäänellä. Se voi mitata nestevirtausta käytännössä missä tahansa nesteessä, josta ääniaallot voivat siirtyä. Tämän tyyppistä virtausmittaria pidetään yleensä "hybridinä", koska se voi joko käyttää Doppler-periaatetta tai kulkuaikamenetelmää virtauksen mittaamiseen, keskustelemme molemmista periaatteista myöhemmin tässä artikkelissa. Huomaa, että näitä virtausmittareita kutsutaan myös Doppler-virtausmittareiksi, jos ne toimivat doppler-periaatteella.

Ultraäänivirtausmittarit ovat ihanteellisimpia vesisovelluksiin, joissa tarvitaan matalapainehäviötä, vähän huoltoa ja kemiallista yhteensopivuutta. Ne eivät yleensä toimi juomaveden tai tislatun veden kanssa, mutta ne soveltuvat jätevesisovelluksiin tai johtaviin likaisiin nesteisiin. Niitä käytetään hankaavien ja syövyttävien nesteiden kanssa, koska ne eivät estä putkistojen läpi virtaavaa nestettä.

Ultraäänivirtausmittarin toimintaperiaate

Ultraäänivirtausmittarit käyttävät virtauksen mittaamiseen kaikun ja äänen nopeuden vaihtelun eri väliaineissa. Mittarit sisältävät tyypillisesti kaksi ultraäänianturia, joista toinen toimii lähettimenä ja toinen vastaanottimena. Kaksi anturia voidaan asentaa joko vierekkäin tai kulmassa toistensa suhteen aluksen vastakkaisille puolille. Lähettävä anturi lähettää äänipulsseja anturin pinnalta nesteeseen ja sen vastaanottaa vastaanottimeksi nimetty anturi. Sen jälkeen arvioidaan aika, jonka kuluu äänipulssin kulkemiseen lähettimestä vastaanottimeen, joka tunnetaan nimellä siirtoaika, ja sitä käytetään virtausnopeuden ja muiden parametrien määrittämiseen.

Toista kokoonpanoa varten lähettimen ja vastaanottimen ollessa vierekkäin lähetin lähettää äänipulssin, kun vastaanotin valvoo aikaa, joka kuluu lähetyksen kaiun vastaanottamiseen.

Anturin konfiguraatiosta riippumatta mittaus, jossa on kuljetusaikaero, perustuu siihen, että; väliaineen virtaussuuntaan etenevät ääniaallot liikkuvat nopeammin kuin väliaineen virtaussuuntaa vastaan ​​etenevät aallot. Täten siirtymäajan ero on suoraan verrannollinen väliaineen virtausnopeuteen ja tätä periaatetta käytetään mittaamaan tarkasti kaasujen ja nesteiden tilavuus sekä johtamaan tiheys ja viskositeetti.

Vaikka edellä mainitut kaksi menetelmää ovat hyvin yleisesti käytettyjä menetelmiä, erilaiset ultraäänivirtausmittarit käyttävät tämän modifioitua versiota perustuen nestetyyppiin ja tehtävään mittaukseen. Alla oleva ultraääni-vesimittarikuva kuvaa kuinka ylävirran ja alavirran anturit sijoitetaan anturiputken sisälle joidenkin heijastimien kanssa vesivirtausmittarin suunnittelua varten. Saman laitteen todellinen kokoonpano näkyy myös molemmilla antureilla.

Virtausnopeuden laskeminen ultraäänivirtausantureilla

Saadaksesi selkeämmän käsityksen tämän takana olevista teknisistä seikoista, ota huomioon alla oleva kuva, jossa on ensimmäinen kokoonpano lähettimen (TA) ja vastaanottimen (TB) antureiden kanssa, jotka on asennettu kulmaan toisiaan vastapäätä;

Olkoon akustisen aallon kulkeminen lähettimestä vastaanottimeen, toisin sanoen väliaineen virtaussuunnassa, _{TA –B}, ja aika, jonka kuluu sen siirtyessä vastaanottimelta lähettimelle lähettimelle, joka on virtaussuuntaa T _{B –A vastaan}.

Kahden kulkuajan ero on suoraan verrannollinen väliaineen keskimääräiseen virtausnopeuteen, v _m;

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

Koska signaalin siirtoaika on lähettimen ja vastaanottavan lähettimen välinen etäisyys jaettuna nopeudella, jonka akustisen signaalin on kuljettava yhdestä muuntimesta toiseen, meillä on

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

Ja;

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

Yhtälöt 2 ja 3 määrittelevät virtausnopeuden muuntimen A ylävirtaan ja anturin B välillä. missä;

v = väliaineen virtausnopeus, L = akustisen polun pituus, c = äänen nopeus väliaineessa ja alfa “α” on kulma putkea kohtaan, jossa ultraääniääni kulkee lähettimestä vastaanottimeen.

Oletetaan, että äänen nopeus väliaineessa on vakio (ts. Ei muutosta parametreissa, kuten nesteen tiheys, lämpötila jne.);

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

kertomalla keskinopeus putken poikkileikkausalueella, saadaan virtausnopeus Q as;

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

Putken poikkipinta-ala on vakio linjassa olevalla ultraäänivirtausmittarilla, jonka halkaisija on D.

Näiden yhtälöiden toteutus ilman muuttujia, kuten tiheys, lämpötila, paine, äänen nopeus ja muut väliaineella / nesteellä määritellyt ominaisuudet, näyttää syyt ultraäänivirtausmittareiden monipuolisuuden ja tarkkuuden takana.

Ultraäänimittareiden edut / merkitys

Ultraäänivirtausmittareiden tärkeimpien etujen on oltava niiden ei-invasiivinen luonne ja kyky työskennellä minkä tahansa nesteen kanssa (koska nesteiden äänen tiheydellä ja nopeudella ei ole merkitystä). Erilaisia ​​ominaisuuksia (mukaan lukien kemikaalit, liuottimet, öljyt jne.), Joilla on erilaisia ​​ominaisuuksia, kuljetetaan ja jaetaan putkistojen kautta joka päivä, ja niiden virtausta on seurattava. Ultraäänivirtausmittareiden ei-invasiivinen luonne tekee niistä goto-mittareita tällaisissa tilanteissa. Siksi he löytävät sovelluksia eri teollisuudenaloilta, kemian teollisuudesta elintarvikkeiden jalostukseen, vedenkäsittelyyn sekä öljy- ja kaasualaan.

Haitat

Ultraäänivirtausmittareiden suurimpana haittana on oltava niiden hinta. Suunnittelun monimutkaisuuden vuoksi ultraäänivirtausmittarit ovat yleensä kalliimpia kuin mekaaniset tai muun tyyppiset mittarit, koska ne vaativat enemmän ponnisteluja ja komponentteja,

Suunnittelun monimutkaisuuden ja kustannusten lisäksi ultraäänivirtausmittarit vaativat myös asennuksen / käsittelyn asiantuntemusta verrattuna useimpiin muihin mittareihin.

Suosituimmat ultraäänivirtausmittarit markkinoilla

Vaikka globaalien ultraäänivirtausmittarien markkinoiden odotetaan saavuttavan 2 miljardin dollarin vuoteen 2024 mennessä, markkinoilla on tapahtunut voimakasta kasvua viime vuosina, kiitos sen sovellusten useilla teollisuudenaloilla tänään ja joidenkin uusien parannettujen muunnelmien käyttöönoton. Monet valmistajat ovat kehittäneet ultraäänivirtausmittareita edistyneellä tekniikalla mittaustarkkuuden parantamiseksi. Koska tämä mittari palvelee toimialakohtaisia ​​ratkaisuja, viimeisimmän kehityksen odotetaan ohjaavan markkinoita ennustejaksoilla. Markkinoiden parhaita ultraäänivirtausmittareita ovat:

Sonic-View-ultraäänivirtausmittarit: Sonic-view, yksi parhaista ratkaisuista matalien nestevirtojen mittaamiseen, toimii kuljetusajan periaatteella. Anturit eivät ole kosketuksessa väliaineen kanssa, eikä instrumenteissa käytetä liikkuvia osia. Lyömättömät ominaisuudet, kuten alhaiset käyttökustannukset, vuosien huoltovapaa käyttö, suojatut anturit, kestävän mittarin elinikäinen kesto ja sen tuntematon luonne painehuippuja ja hiukkasia vastaan, vaikuttavat kaikki siihen, miksi ultraäänivirtausmittari on yksi parhaat ratkaisut mittarimarkkinoilla.

Shmeters-ultraäänimittarit: Eri putkivirtausolosuhteissa tämä teollisiin ja kaupallisiin tarkoituksiin tarkoitettu ultraäänimittari pystyy merkitsemään suunnitteluosamittaukset suurimmalla mahdollisella mittaustarkkuudella. Mittari on akkukäyttöinen ja voi toimia keskeytyksettä 10 vuoden ajan vain yhdellä akulla; sen virrankulutus on alle 0,5 mW. Se voi toimia pitkään ilman, että magneettiset häiriöt vaikuttavat siihen. Samaan aikaan se on erittäin luotettava ja herkkä, jopa 0,002 m / s virtausnopeus voidaan havaita nopeasti.

Sitrans FS-ultraäänivirtausmittarit: Ne tarjoavat vaikuttavan suorituskyvyn useille kaasuille ja nesteille, koska ne voivat toimia lämpötilasta, viskositeetista, johtavuudesta, paineesta, tiheydestä riippumatta ja vaikeimmissakin olosuhteissa. Sitrans FS220 on ylpeä luokkansa parhaasta ratkaisusta suoraviivaisiin virtausmittauksiin, koska sen mahdollisuudet näyttävät olevan rajattomat.

Erityisesti kuluttajatason sovelluksissa ultraäänimittareita parannetaan LoRan kaltaisilla tekniikoilla, joiden avulla kunnat ja muut viranomaiset voivat tarkkailla esimerkiksi kaasun ja veden kulutusta etänä. Viestintävälineen matalan virrankulutuksen ansiosta nämä mittarit kestävät yli 5 vuotta yhdellä akun latauksella, mikä on enemmän kuin mitä mekaanisilla mittareilla voidaan saavuttaa.