Ултразвуковите разходомери работят, като предават високо{0}}честотни звукови вълни през течност и измерват или разликата във времето на сигналите, пътуващи нагоре и надолу по течението, или честотното изместване на вълните, отразени от частиците в потока. Тези измервания са в пряка корелация със скоростта на флуида, която измервателният уред преобразува в обемни дебити, използвайки известната площ на напречното-сечение на тръбата.
Физиката зад ултразвуковото измерване на потока
В основата на ултразвуковото измерване на потока лежи прост, но мощен принцип: звуковите вълни преминават през течности със скорости, повлияни от движението на течността. Когато течност тече през тръба, тя или ускорява, или забавя ултразвуковите сигнали в зависимост от тяхната посока спрямо потока.
Технологията разчита на пиезоелектрични преобразуватели-специализирани керамични кристали, които преобразуват електрическата енергия в механични вибрации и обратно. Когато променлив електрически ток преминава през тези кристали, те вибрират на честоти обикновено между 25 kHz и 5 MHz, доста над обхвата на човешкия слух от 20 Hz до 20 kHz. Тези вибрации генерират ултразвукови вълни, които се разпространяват през стената на тръбата и в протичащия флуид.
Скоростта на звука във вода при стайна температура е приблизително 1480 метра в секунда. Тази основна скорост обаче се променя, когато самата вода се движи. Звукова вълна, движеща се с потока, изпитва кумулативна скорост (скорост на звука + скорост на потока), докато вълна, движеща се срещу потока, среща намалена скорост (скорост на звука - скорост на потока). Тази разлика формира математическата основа за измерване на транзитното време.
Разходомери за транзитно време: измерване на разликите във времето
Ултразвуковите разходомери за време на преминаване, наричани също измерватели на време--полет, представляват най-разпространения тип в индустриални приложения. Предвижда се глобалният пазар на ултразвукови разходомери-с едно/двоен път да достигне $1,92 милиарда до 2034 г., което представлява по-голямата част от пазара на ултразвукови разходомери.
Процесът на измерване
Системата за транзитно време използва два преобразувателя, монтирани на противоположните страни на тръбата под ъгъл спрямо посоката на потока. Тези преобразуватели се редуват между режимите на предаване и приемане. Първият трансдюсер изпраща ултразвуков импулс надолу (с потока) и системата измерва времетоt₁необходимо за достигане до втория преобразувател. След това процесът се обръща: вторият преобразувател изпраща импулс нагоре (срещу потока) и системата записва времетоt₂.
Разликата във времето Δt=t₂ - t₁ е право пропорционална на средната скорост на течността по ултразвуковия път. Тъй като дължината на пътя и ъгълът са известни константи, измервателният уред изчислява скоростта по тази формула:
v=(L / 2 cos θ) × [(t₂ - t₁) / (t₁ × t₂)]
където:
v=скорост на течността
L=дължина на пътя между преобразувателите
θ=ъгъл на преобразувателите спрямо оста на тръбата
t₁=транзитно време надолу по веригата
t₂=транзитно време нагоре по веригата
Конфигурации на пътя
Измервателните уреди могат да бъдат конфигурирани със системи за измерване с един-път, двоен-или много-път в зависимост от изискванията за точност и динамиката на флуида. Измервателите с един-път работят добре за чисти течности с еднакви профили на потока, постигайки точност от ±1-2%. Конфигурациите с много-пътеки, използващи три или повече акустични пътища в различни позиции по диаметъра на тръбата, могат да постигнат ±0,5% точност чрез отчитане на вариациите в скоростта на потока в напречното сечение на тръбата.
Много{0}}измервателите са особено ценни в приложения за прехвърляне на попечителство, където изискванията за точност достигат 0,1 процента, за да се предотвратят скъпи грешки при измерване при търговски транзакции.
Доплерови разходомери: Измерване на промените в честотата
Доплеровите ултразвукови разходомери работят на различен принцип, открит от Кристиан Доплер през 1842 г. Доплер наблюдава, че звуковите вълни имат по-къси дължини на вълните, когато източникът им се приближава до наблюдател, и по-дълги дължини на вълните, когато се отдалечава, обяснявайки защо височината на клаксона на автомобила се повишава, когато автомобилът се приближава, и спада, когато се отдалечава.
Принцип на работа
Доплеров разходомер предава непрекъснат ултразвуков лъч с фиксирана честота в течащата течност. Този лъч трябва да срещне отразяващи прекъсвания-суспендирани частици, по-големи от 100 микрона, увлечени газови мехурчета или турбулентни вихри. Тези рефлектори разпръскват ултразвуковата енергия обратно към приемния преобразувател.
Тъй като рефлекторите се движат заедно с течността, те причиняват промяна на честотата на отразения сигнал. Ако течността тече към преобразувателя, отразената честота се увеличава; ако тече, честотата намалява. Това честотно изместване (Доплерово изместване) е пропорционално на скоростта на течността.
Връзката следва следното уравнение:
Δf=(2 × f₀ × v × cos θ) / c
където:
Δf=честотно изместване
f₀=предавана честота
v=скорост на течността
θ=ъгъл на лъча
c=скорост на звука в течността
Изисквания за кандидатстване
Доплеровите ултразвукови разходомери трябва да имат частици или мехурчета, за да отразяват ултразвуковите сигнали, което изисква отчитане на минимални концентрации и размери на твърди частици или мехурчета, като течността тече достатъчно бързо, за да поддържа твърдите частици суспендирани. Това прави доплеровите измервателни уреди идеални за отпадъчни води, суспензии и аерирани течности, но неподходящи за ултра-чисти течности като дейонизирана вода или химикали с-фармацевтичен клас.
Скоба-на спрямо вградени типове инсталация
Ултразвуковите разходомери се предлагат в две основни инсталационни конфигурации, всяка с различни предимства за различни приложения.
Скоба-на технологията за ултразвуков разходомер
Измервателите със скоби представляват приблизително 50% от пазара на ултразвукови разходомери поради техния не-инвазивен монтаж. Тези външни сензори се монтират директно върху външната страна на тръбата, като се използва съединителна смес за осигуряване на акустично предаване. Ултразвуковите сигнали проникват през стената на тръбата, преминават през течащия флуид и се връщат през противоположната стена.
Скоба-на ултразвуков разходомер елиминира необходимостта от срязване на тръби или прекъсване на потока, което го прави идеален за проекти за преоборудване или приложения, където прекъсването на системата е неприемливо. Те пасват на различни размери тръби и позволяват измерване на корозивни течности без повреда на ултразвуковия сензор. Технологията работи върху метални, пластмасови и някои композитни тръби с диаметър от половин-инча до над 100 инча.
Точността-на скобата обаче зависи до голяма степен от правилния монтаж. Големите температурни промени в тръбата или прекомерните вибрации могат да повлияят на центровката на преобразувателя и акустичното свързване, докато облицованите тръби, изработени от мед, бетон, пластмаса или фибростъкло, могат напълно да разпръснат предавания сигнал или да отслабят обратния сигнал, драматично намалявайки точността само до ±20% или напълно предотвратявайки работата.
Конфигурация на вграден измервателен уред
Ултразвуковите разходомери с вградени (или макари -части) се монтират директно в тръбата, превръщайки се в постоянна част от системата за поток. Тези измервателни уреди са отлични в приложения, изискващи дългосрочен-мониторинг с висока-прецизност, като автоматизация на процесите, прехвърляне на попечителство и централни енергийни системи.
Тъй като преобразувателите са в пряк контакт с течността или са монтирани в прецизно обработени джобове, вградените измервателни уреди елиминират несигурността, свързана с дебелината на стената на тръбата, вариациите на материала и качеството на свързване. Тази конфигурация обикновено осигурява ±0,5% точност или по-добра, в сравнение с ±1-2% за системи със скоби.
Приложения за преносим ултразвуков разходомер
Преносимите ултразвукови разходомери съчетават време за преминаване или доплерова технология със захранване от батерии и ръчна електроника. Предлагат се преносими ултразвукови разходомери за помощ в индустриални приложения, където са необходими временни измервания за пускане в експлоатация на системата, отстраняване на неизправности или енергийни одити.
Тези устройства обикновено включват:
Електроника-захранвана с батерии (4-8 часа работа)
Скоба-за бързо монтиране-върху преобразуватели
Предварително програмирани библиотеки за материали и размери на тръбите
Цифрови дисплеи, показващи-дебит в реално време
Регистриране на данни за анализ на тенденции
Преносимостта ги прави ценни за техници на теренно обслужване, които трябва да проверят точността на фиксиран измервателен уред, да диагностицират проблеми с потока или да извършват временни измервания без постоянна инсталация.
Предимства на неинтрузивен ултразвуков разходомер
Ненатрапчивият дизайн на ултразвуков разходомер предлага няколко убедителни предимства пред традиционните инструменти в-стил на вмъкване:
Без загуба на налягане: Тъй като преобразувателите не проникват в потока на потока, те създават нулев спад на налягането. Това е от решаващо значение при гравитационни-системи или приложения с-ниско налягане, където дори минимални ограничения могат да нарушат операциите.
Няма риск от замърсяване: Измервателната система никога не влиза в контакт с технологичната течност, което я прави идеална за санитарни приложения в хранително-вкусовата промишленост, производството на напитки и фармацевтичната промишленост, където стерилността е от първостепенно значение.
Без точки на течове: Елиминирането на проникванията през стената на тръбата премахва потенциални пътища за изтичане-значително предимство за безопасност при работа с опасни, токсични или флуиди под високо-налягане.
Минимална поддръжка: Ултразвуковите разходомери нямат движещи се части и не се влияят от химикали, мазнини, суспендирани твърди частици или тиня в потока на потока, което води до по-ниски разходи за поддръжка и по-дълъг експлоатационен живот в сравнение с механичните измервателни уреди.
Приложения за ултразвуков разходомер на вода
Водата и отпадните води представляват най-големия сегмент на приложение за ултразвукова технология. Пазарната стойност на ултразвуковите разходомери в управлението на водата и отпадъчните води беше значителна през 2024 г., водена от нарастващите опасения относно опазването на водата и ефективното управление на ресурсите.
Общински ВиК системи
Измервателите на времето за транзит се отличават с измерване на чиста вода за:
Разпределителни мрежи: Мониторинг на потока от пречиствателните станции към разпределителните зони
Таксуващи измервателни уреди: Измерване на потреблението на вода в жилищни и търговски обекти
Откриване на течове: Сравняване на потока в множество точки за идентифициране на загуби в системата
Общинските водопроводни и канализационни системи често използват външно монтирани ултразвукови разходомери, тъй като не е необходимо проникване на тръбата, което позволява инсталиране върху критична инфраструктура без прекъсване на обслужването.
Пречистване на отпадъчни води
Доплеровите измервателни уреди намират широко приложение в приложения за отпадъчни води:
Измерване на влиянието: Проследяване на потока от сурови отпадъчни води, влизащи в пречиствателните съоръжения
Контрол на процеса: Мониторинг на потока между етапите на лечение
Поток на утайки: Измерване на гъсти флуиди,-натоварени с частици, където другите технологии се провалят
Ултразвуковите измервателни уреди са идеални за автоматизирани приложения за отпадъчни води или всякаква замърсена течност, която е проводима или водна -базирана, въпреки че обикновено няма да работят с дестилирана вода или питейна вода в доплеров режим. Разликата е важна: в ултра-чистата вода липсват частиците, необходими за доплерово измерване, вместо това е необходима технология за време на преминаване.
Приложения за индустриални процеси
Отвъд водата ултразвуковите измервателни уреди обслужват различни индустриални сектори:
Нефт и газ
Увеличаващото се производство на петролния и газовия сектор в Азиатско-Тихоокеанския регион има потенциала да повиши търсенето на ултразвукови разходомери, като Индия обяви стратегическа инвестиция от $67 милиарда за газовия сектор през следващите 5-6 години. Приложенията включват:
Прехвърляне на попечителство по тръбопровод за природен газ
Измерване на суров нефт в производствени съоръжения
Измерване на рафиниран продукт в разпределителни терминали
Химическа обработка
Химическите заводи използват ултразвукови измервателни уреди за:
Измерване на корозивна течност (скоба-при инсталацията предотвратява контакт със сензора)
Контрол на партиден процес
Водни системи за охлаждане
ОВК системи
Сградната автоматизация все повече разчита на ултразвуково измерване за:
Поток на охладена вода в охладителните системи
Мониторинг на циркулацията на топла вода
Измерване на енергия (BTU) за разпределение на разходите
Сравняване на ултразвукови и електромагнитни технологии за разходомер
Въпреки че и двете технологии предлагат не{0}}натрапчиво измерване на потока, те работят на принципно различни принципи с различни диапазони на приложение.
Принципи на измерване
Електромагнитен разходомер генерира магнитно поле, перпендикулярно на посоката на потока. Според закона на Фарадей, когато проводяща течност се движи през магнитното поле, тя произвежда електрически сигнал, пропорционален на скоростта на потока. Това изисква течността да има минимална проводимост, обикновено над 5 микросименса на сантиметър.
За разлика от тях ултразвуковите измервателни уреди използват акустични сигнали и работят с всякакви акустично проводими течности, включително не-проводими течности като масла, алкохоли и чиста вода. Най-голямата разлика между ултразвуковите и електромагнитните разходомери е, че ултразвуковите измервателни уреди не изискват проводяща течност, за да работят и могат също да измерват газове, въпреки че се справят по-малко добре с течности, съдържащи много твърди вещества или мехурчета.
Съвместимост с течности
Електромагнитни предимства:
Excel със суспензии и съдържание на тежки твърди вещества
Не се влияе от мехурчета или увличане на газ
Независими от температура и налягане
Работете с високо вискозни течности
Ултразвукови предимства:
Измерване на не{0}}проводими течности (петрол, чиста вода, газове)
Работете върху всякакви материали за тръби (метал, пластмаса, облицована)
Без движещи се части или намокрени компоненти
Опция-за затягане за съществуващи системи
Изисквания за инсталиране
Магнитните измервателни уреди изискват по-малко права тръба от ултразвуковите измервателни уреди-само един диаметър нагоре и два надолу, докато ултразвуковите измервателни уреди обикновено се нуждаят от 10 нагоре и пет надолу по веригата. Електромагнитните разходомери обаче често са по-евтини от ултразвуковите разходомери като първоначална цена, въпреки че ултразвуковите системи могат да предложат по-ниски дългосрочни-разходи за поддръжка.
Инсталиране на ултразвуков разходомер с колан
Правилната инсталация е от решаващо значение за точната работа на ултразвуковия разходомер. Процесът включва няколко ключови стъпки:
Подготовка на площадката
Оценка на състоянието на тръбите: Отстранете външните покрития, ръждата или нагара от местата за монтиране. Повърхността на тръбата трябва да е чист, гладък метал за оптимално акустично свързване.
Изисквания за права тръба: Разходомерите често изискват права дължина на тръбата от двете страни на сензора, за да осигурят плавни, равномерни пътища на потока, тъй като турбулентният поток може да причини дифузия на сигнала и неточни измервания. Минималните изисквания обикновено са 10 диаметъра преди и 5 диаметъра след завои, клапани или промени в диаметъра.
Местоположение на монтаж: Избягвайте места в близост до помпи (вибрации), въздушни джобове (смущения на сигнала) или където тръбата може да не е пълна.
Монтаж на преобразувател
Нанесете щедро акустичен съединител между преобразувателите и стената на тръбата. Този гел елиминира въздушните междини, които биха предотвратили предаването на ултразвук. Позиционирайте преобразувателите според изчисленото разстояние на измервателния уред, което зависи от:
Диаметър на тръбата и дебелина на стената
Материал на тръбата и скорост на звука
Вид и температура на течността
Желан път на измерване (V, W или Z конфигурация)
V-path (reflective) използва едната страна на тръбата, като сигналът отскача от противоположната стена. Z-path (директен) поставя преобразувателите от противоположните страни за директно-предаване. W-path използва множество отражения за подобрена точност при по-малки тръби.
Проверка
След инсталирането проверете работата чрез:
Проверка на силата на сигнала (обикновено 60-90% за добри инсталации)
Потвърждаване на индикаторите за качество на сигнала
Извършване на калибриране на нулев -поток със затворени клапани
Валидиране на показанията спрямо известни условия на потока или алтернативни методи за измерване
Производители и избор на ултразвукови разходомери
Водещите производители на ултразвукови разходомери включват General Electric, Emerson Electric Co., Greyline Instruments и Siemens AG, заедно със специализирани доставчици като Endress+Hauser, Yokogawa и Badger Meter. Всеки производител предлага продуктови линии, оптимизирани за конкретни приложения.
Ключови критерии за избор
Характеристики на течността
Чистота: Време за преминаване за чисти течности, Доплер за-натоварени с частици
Проводимост: Ултразвукът работи с всякакви течности; електромагнитното изисква проводимост
Температура и налягане: Уверете се, че стойностите на измервателния уред надвишават условията на процеса
Вискозитет: Течностите с висок-вискозитет може да изискват специално внимание
Изисквания към процеса
Изисквания за точност: ±0,5% за прехвърляне на попечителство срещу ±2% за наблюдение
Размер на тръбата: От 0,5 инча до няколко метра
Ограничения при инсталиране: Място за права тръба, достъпност за скоба-при монтаж
Двупосочен поток: Много ултразвукови измервателни уреди се справят с обратен поток
Икономически фактори
Първоначална цена: Затягането-по принцип струва повече от вграденото за малки тръби
Разходи за монтаж: Затягането-на елиминира рязането и заваряването
Поддръжка: Ултразвуковите измервателни уреди обикновено изискват минимална поддръжка
Оперативни разходи: Без загуба на налягане, без движещи се части за подмяна
Често срещани проблеми и отстраняване на неизправности
Въпреки тяхната надеждност, ултразвуковите измервателни уреди могат да имат проблеми с производителността:
Проблеми със загуба на сигнал
Загуба на сигнал може да възникне поради въздушни мехурчета, замърсители в течността, вибрации на тръбата или неправилен монтаж. Симптомите включват непостоянни показания, индикация на потока, когато потокът е спрян, или пълна повреда на сигнала.
Решения:
Проверете и-нанесете отново акустична връзка
Проверете подравняването и плътността на трансдюсера
Елиминирайте въздушните джобове чрез обезвъздушаване или преместване на измервателния уред
Уверете се, че тръбата е пълна (монтирайте в ниски, а не във високи точки)
Влошаване на точността
Проблеми с преобразувателите като въздушни мехурчета, мръсотия или отлагания по повърхности могат да попречат на ултразвуковия сигнал, докато външно електрическо оборудване, близки машини или електромагнитни полета могат да нарушат точността.
Средства за защита:
Редовно почиствайте повърхностите на сондата
Екранирайте кабелите от електрически шум
Калибрирайте редовно, за да отчетете промените в температурата и налягането, като използвате сензори за температура и налягане заедно с разходомера
Проверете вътрешността на тръбата за натрупване на котлен камък, което засяга профила на потока
Грешки при инсталиране
Ако показаната стойност на потока е отрицателна, това обикновено означава неправилно монтиране на сензора, което изисква промени в конфигурацията, проверка на посоката на потока или коригиране на ориентацията на монтиране на сензора.
Често срещаните грешки при инсталиране включват:
Преобразуватели, монтирани назад (нагоре/надолу по веригата обърнати)
Въведени са грешни параметри на тръбата (диаметър, дебелина на стената, материал)
Недостатъчно права тръба преди/след измервателния уред
Монтаж върху облицовани тръби без отчитане на свойствата на облицовката
Бъдещи тенденции и пазарен растеж
Глобалният пазар на ултразвукови разходомери се оценява на 2,15 милиарда долара през 2024 г. и се очаква да достигне 4,11 милиарда долара до 2034 г., което представлява общ годишен темп на растеж от 6,7%. Няколко фактора стимулират това разширяване:
Технологичен напредък: Напредък като много{0}}измерване, подобрена обработка на сигнала и безжична свързаност значително подобриха точността, ефективността и функционалността. Модерните измервателни уреди предоставят-данни в реално време за отдалечено наблюдение и се интегрират с индустриални IoT платформи.
Дигитализация на индустрията: Производствените съоръжения все повече изискват интелигентна апаратура, която се свързва със системи за управление и предоставя диагностични данни. Ултразвуковите измервателни уреди с HART, Modbus или Ethernet протоколи отговарят на тези изисквания.
Инициативи за устойчивост: Нарастващите опасения относно недостига на вода и замърсяването водят до инвестиции в усъвършенствани решения за управление на водата, включително ултразвукови разходомери за наблюдение и ефективно управление на ресурсите.
Растеж на енергийния сектор: През 2023 г. производството на петролни течности се повиши до приблизително 34 милиона барела петролен еквивалент на ден, движено от технологичния напредък и подобрените методи за добив, увеличавайки търсенето на точно измерване на трансфера на попечителство.
Технологията продължава да се развива с развитието на алгоритмите за обработка на сигнали, миниатюризирана електроника и подобрени материали за преобразуватели. През август 2023 г. Fuji Electric пусна FSZ S-Flow, ултразвуков разходомер със скоба-за малки тръби и приложения за чиста вода, включващ лесен монтаж и интегрирани възможности за показване.
Често задавани въпроси
Работят ли ултразвуковите разходомери с всички материали на тръбите?
Измервателите на транзитно време работят с повечето твърди материали, включително въглеродна стомана, неръждаема стомана, PVC и CPVC. Въпреки това, -затягащите измервателни уреди обикновено няма да работят върху облицовани тръби, направени от мед, бетон, пластмаса или фибростъкло, тъй като тези материали разсейват предавания сигнал или отслабват обратния сигнал. Ковък чугун и чугун работят добре. За облицовани тръби вградените инсталации с преобразуватели, монтирани в портове през обшивката, осигуряват по-добри резултати.
Могат ли ултразвуковите измервателни уреди да измерват двупосочен поток?
Да, повечето ултразвукови измервателни уреди измерват потока и в двете посоки. Електрониката разграничава транзитните времена нагоре и надолу по веригата или честотни смени, което позволява точно измерване независимо от посоката на потока. Тази способност е ценна в приложения с обръщане на потока като помпени системи с възвратни клапани или приливни влияния във водни пътища.
Каква е минималната скорост на потока за точно измерване?
Измервателите на времетраене обикновено измерват потоци до 0,1-0,3 фута в секунда (3-9 см/секунда), въпреки че точността намалява при много ниски скорости. Точността на ултразвуковите разходомери става много по-малко надеждна, когато скоростта на потока падне под 2 ft/s поради вътрешни променливи на тръбопровода, които могат да изместят сигнала за потока. За критични приложения с нисък дебит проверете спецификациите на измервателния уред, които съответстват на необходимия диапазон на скоростта.
Как температурните промени влияят на ултразвуковото измерване?
Температурата влияе върху скоростта на звука в течностите. Ултразвуковите сигнали се разпространяват по-бързо в по-топъл флуид, отколкото в по-студен флуид, което потенциално причинява грешки в измерването. Качествените измервателни уреди включват температурни сензори и алгоритми за компенсация, които автоматично се настройват за температурни вариации, поддържайки точност в целия номинален температурен диапазон. За най-добри резултати инсталирайте температурни сензори и активирайте функциите за компенсация.
Гъвкавостта и надеждността на ултразвуковата технология за измерване на потока я правят предпочитан избор в индустрии, вариращи от общински водни системи до петролни рафинерии. Докато правилният избор и монтаж изискват внимание към свойствата на флуида и условията на обекта, не-инвазивният характер и минималната поддръжка на ултразвуковите измервателни уреди осигуряват дългосрочна-стойност в различни приложения.
Разбирането как преобразувателите преобразуват електрическите сигнали в механични вибрации, как тези вибрации се разпространяват през течности със скорости, повлияни от потока, и как електрониката интерпретира разликите във времето или честотните смени дава възможност за по-добри решения относно избора на измервателни уреди, инсталирането и отстраняването на неизправности. Тъй като технологията продължава да напредва с по-интелигентна обработка на сигнала и функции за свързване, ултразвуковите измервателни уреди ще играят все по-централна роля в оптимизацията на процесите и управлението на ресурсите.
