Porozumění ultrazvukovým průtokoměrům a jejich principu práce v měření průtoku vody

Měření průtoku zahrnuje stanovení množství tekutiny procházející specifikovaným povrchem nádoby v určitém čase. Stejně jako všechny formy měření má aplikace pro každodenní život, od použití při monitorování spotřeby vody a plynu pro odhad faktur až po kritičtější průmyslové aplikace (např. Míchání více chemikálií ve velkém měřítku), kde měření průtoku hraje klíčovou roli při kvalita procesu / produktu.

K určení průtoku se používají speciální druhy měřičů, které se označují jako průtokoměry. Existuje mnoho různých typů průtokoměrů kvůli různým požadavkům na měření průtoku (lineární / nelineární, hmotnostní / objemová rychlost atd.). Měřiče se navzájem liší podle různých faktorů včetně; techniku měření, kterou používají, konkrétní parametry průtoku, které sledují, objem kapaliny, kterou mohou sledovat, a jejich fyzikální vlastnosti, abychom jmenovali alespoň některé. YFS201 je populární snímač průtoku vody, který jsme dříve používali k měření průtoku vody pomocí Arduina a vypočítané rychlosti průtoku a rozptýleného objemu.

Některé typy / kategorie průtokoměrů zahrnují; Tento článek se zaměřuje na turbíny, víry, tepelnou hmotu, magnetické, oválné kolo, lopatkové kolo, Coriolis, hmotnostní průtok, nízký průtok a ultrazvukové průtokoměry. Ultrazvukové průtokoměry poskytují neinvazivní a velmi spolehlivý prostředek pro stanovení množství tekutiny protékající nádobou a našly uplatnění v různých průmyslových odvětvích, od ropy a plynu až po poskytovatele služeb.

V tomto článku se podíváme na vše kolem ultrazvukového průtokoměru, jak fungují, výhody a nevýhody.

Ultrazvukový průtokoměr

Jak název napovídá, ultrazvukový průtokoměr, jeden z nejpoužívanějších průtokoměrů, je neintruzivní zařízení, které vypočítává objemový tok tekutiny měřením její rychlosti pomocí ultrazvuku. Může měřit tok tekutiny prakticky v jakékoli tekutině, kde mohou přenášet zvukové vlny. Tento typ průtokoměru je obvykle považován za „hybridní“, protože k měření průtoku může použít buď Dopplerův princip, nebo metodu tranzitního času, oba principy si rozebereme dále v tomto článku. Mějte na paměti, že tyto průtokoměry se také nazývají Dopplerův průtokoměr, pokud pracují na dopplerovském principu.

Ultrazvukové průtokoměry jsou nejvhodnější pro vodní aplikace, kde je vyžadován nízkotlaký pokles, nenáročná údržba a chemická kompatibilita. Obvykle nebudou pracovat s pitnou nebo destilovanou vodou, ale jsou vhodné pro aplikace v odpadních vodách nebo pro vodivé špinavé kapaliny. Používají se pro abrazivní a korozivní kapaliny, protože nebrání tomu, aby kapalina protékala potrubím.

Princip fungování ultrazvukového průtokoměru

Ultrazvukové průtokoměry používají k měření průtoku principy echa a variace rychlosti zvuku na různých médiích. Měřicí přístroje obvykle obsahují dva ultrazvukové měniče, přičemž jeden funguje jako vysílač a druhý jako přijímač. Tyto dva převodníky mohly být namontovány vedle sebe nebo v úhlu od sebe na opačných stranách nádoby. Vysílací převodník vydává zvukové impulsy z povrchu snímače do kapaliny a je přijímán převodníkem označeným jako přijímač. Čas potřebný k tomu, aby se zvukový puls dostal z vysílače do přijímače, známý jako doba průchodu, je poté odhadnut a použit k určení průtoku a dalších parametrů.

U druhé konfigurace s vysílačem a přijímačem umístěnými vedle sebe vysílá vysílač zvukový puls, zatímco přijímač monitoruje čas potřebný k přijetí ozvěny přenosu.

Bez ohledu na konfiguraci snímače je měření s časovým rozdílem přenosu založeno na skutečnosti, že; zvukové vlny šířící se ve směru toku média se pohybují rychleji než vlny šířící se proti směru toku média. To znamená, že rozdíl v přepravní doby je přímo úměrný rychlosti proudění média a tento princip se používá pro přesné měření objemu plynů a kapalin a také odvodit hustoty a viskozity.

Zatímco výše uvedené dvě metody jsou velmi běžně používané, různé ultrazvukové průtokoměry používají její upravenou verzi, založenou na typu kapaliny a měření, které je třeba provést. Níže uvedený obrázek ultrazvukového vodoměru ilustruje, jak jsou přední a dolní snímače umístěny uvnitř trubice snímače spolu s některými reflektory pro konstrukci vodoměru. Skutečné hardwarové nastavení je také zobrazeno s oběma značenými převodníky.

Výpočet průtoku pomocí ultrazvukových snímačů průtoku

Chcete-li lépe porozumět technickým okolnostem, zvažte obrázek níže, který obsahuje první konfiguraci s vysílači (TA) a přijímači (TB), které jsou namontovány v úhlu proti sobě;

Nechte čas potřebný k tomu, aby akustická vlna prošla z vysílače do přijímače, tj. Ve směru toku média, byla T _{A – B}, a čas, který uplyne, než se z přijímacího měniče dostane do vysílacího měniče, to je proti směru toku T _{B –A}.

Rozdíl ve dvou přechodových časech je přímo úměrný průměrné rychlosti proudění, v _m média, tj.;

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

Vzhledem k tomu, že doba přenosu signálu je vzdálenost mezi vysílacím převodníkem a přijímacím vysílačem dělená rychlostí, kterou akustický signál potřebuje k přechodu z jednoho snímače na druhý, máme

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

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

Rovnice 2 a 3 definují průtok mezi snímačem A proti proudu a snímačem B za proudem. kde;

v = rychlost proudění média, L = délka akustické dráhy, c = rychlost zvuku v médiu a alfa „α“ je úhel k trubce, pod kterým ultrazvukový zvuk cestuje z vysílače do přijímače.

Za předpokladu, že rychlost zvuku v médiu je konstantní (tj. Žádná změna parametrů, jako je hustota kapaliny, teplota atd.), Které máme;

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

vynásobením průměrné rychlosti plochou průřezu potrubí dostaneme průtok Q Q;

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

Průřezová plocha potrubí je u řadového ultrazvukového průtokoměru o průměru D konstantní

. Implementace těchto rovnic bez proměnných, jako je hustota, teplota, tlak, rychlost zvuku a další charakteristiky definované médiem / tekutinou, uvádí důvody za všestranností a přesností ultrazvukových průtokoměrů.

Výhody / význam ultrazvukových měřičů

Hlavními výhodami ultrazvukových průtokoměrů musí být jejich neinvazivní povaha a schopnost pracovat s jakýmkoli typem kapaliny (protože na hustotě a rychlosti zvuku v kapalinách nezáleží). Různé látky (včetně chemikálií, rozpouštědel, olejů atd.) S různými vlastnostmi jsou přepravovány a distribuovány potrubními systémy každý den s nutností sledovat jejich tok. Neinvazivní povaha ultrazvukových průtokoměrů z nich dělá goto metry v takových situacích. Proto nacházejí uplatnění v různých průmyslových odvětvích, od průmyslových odvětví souvisejících s chemickými látkami přes zpracování potravin, úpravu vody až po ropný a plynárenský průmysl.

Nevýhody

Hlavní nevýhodou ultrazvukových průtokoměrů musí být jejich cena. Vzhledem ke složitosti jejich konstrukce jsou ultrazvukové průtokoměry obvykle dražší než mechanické nebo jiné typy měřičů, protože vyžadují větší úsilí a komponenty,

Kromě konstrukční složitosti a nákladů vyžadují ultrazvukové průtokoměry také úroveň odborných znalostí při instalaci / manipulaci ve srovnání s většinou ostatních typů měřičů.

Nejlepší ultrazvukové průtokoměry na trhu

Zatímco se očekává, že trh s globálním ultrazvukovým průtokoměrem dosáhne do roku 2024 2 miliard USD, trh v posledních několika letech zaznamenal silný růst, a to díky dnešním aplikacím v mnoha průmyslových odvětvích a zavedení některých nově vylepšených variant. Mnoho výrobců vyvinulo ultrazvukové průtokoměry s pokročilou technologií ke zlepšení přesnosti měření. Jelikož tento měřič vyhovuje specifickým odvětvovým řešením, očekává se, že nejnovější vývoj bude pohánět trh během prognózovaných období. Nejlepší ultrazvukové průtokoměry na trhu zahrnují:

Ultrazvukové průtokoměry Sonic-View: Zvukový pohled, jedno z nejlepších řešení pro měření nízkých průtoků kapaliny, funguje na principu tranzitního času. Převodníky nejsou v kontaktu s médiem a v nástrojích nejsou použity žádné pohyblivé části. Nepřekonatelné funkce, jako jsou nízké náklady na vlastnictví, roky bezúdržbového provozu, chráněné snímače, celoživotní cyklus robustního měřiče a jeho necitlivost vůči tlakovým špičkám a částicím, to vše přispívá k tomu, proč je ultrazvukový průtokoměr jedním z nejlepší řešení na trhu měřičů.

Ultrazvukové vodoměry Shmeters: Za různých podmínek průtoku potrubím je tento ultrazvukový vodoměr pro průmyslové a komerční účely schopen označovat měření v konstrukčním řezu s nejvyšší možnou přesností měření. Měřič je napájen baterií a může nepřetržitě pracovat po dobu 10 let pouze s jednou baterií; jeho spotřeba energie je menší než 0,5 mW. Dokáže dlouho pracovat, aniž by byl ovlivněn magnetickým rušením. Mezitím je vysoce spolehlivý a citlivý, lze rychle detekovat rychlost proudění až 0,002 m / s.

Ultrazvukové průtokoměry Sitrans FS: Poskytují působivý výkon pro různé plyny a kapaliny, protože mohou pracovat nezávisle na teplotě, viskozitě, vodivosti, tlaku, hustotě a za nejtvrdších podmínek. Sitrans FS220 se pyšní nejlepším řešením ve své třídě pro přímá měření průtoku, protože jeho možnosti se zdají být nekonečné.

Zejména v aplikacích pro spotřebitele se ultrazvukové měřiče zdokonalují pomocí technologií, jako je LoRa, která umožňuje obecním a souvisejícím úřadům vzdáleně monitorovat spotřebu plynu a vody. Nízká spotřeba komunikačního média umožňuje těmto měřicím přístrojům vydržet 5+ let na jedno nabití baterie, což je mnohem více, než čeho lze dosáhnout pomocí mechanických měřičů.