Ултразвуков разходомер за транзитно време: принцип на работа, формула, инсталиране и избор

Този метод се използва при много видовеултразвукови разходомери, от външна скоба-на инструменти до вградени многопътечни измервателни уреди. Физиката е ясна, но надеждното измерване зависи от точните данни за тръбата, валиден акустичен път, подходящи условия на течността, правилно разположение на сензора и представителен профил на потока.

Какво представлява ултразвуковият разходомер за транзитно време?

A ултразвуков разходомер за време на транзите инструмент,-базиран на скоростта. Първо измерва средната скорост на течността по една или повече ултразвукови пътеки. След това оценява средната скорост през тръбата и изчислява обемния поток от вътрешната площ на напречното-сечение на тръбата.

Веригата на измерване е:

Изпратете ултразвуков импулс надолу по веригата.

Измерете времето за пътуване.

Изпратете друг импулс нагоре по същия акустичен път.

Измерете времето за второ пътуване.

Изчислете разликата между двете времена.

Преобразувайте тази разлика в скорост на потока.

Прилагане на корекция-профил на потока.

Умножете коригираната скорост по вътрешната площ на тръбата.

Основният метод за диференциално транзитно-време също е описан в Endress+Hauserофициален преглед на ултразвуковото измерване на потока. :contentReference[oaicite:5]{index=5}

Как работи принципът на работа на транзитното време

1. Два трансдюсера се редуват между предаване и приемане

Типична система използва два ултразвукови преобразувателя, A и B. Преобразувател A изпраща импулс към B, а измервателният уред записва времето за пътуване. След това ролите се разменят: B предава и A получава. Редуването на посоката позволява на инструмента да сравни две измервания, направени по почти една и съща акустична пътека и при почти еднакви условия на процеса.

Когато течността е неподвижна, коригираните времена нагоре и надолу по веригата са идеално равни. След като течността се движи, импулсът, движещ се с потока, се подпомага от движението на течността, докато импулсът, пътуващ срещу потока, се противопоставя на него.

• Транзитното време надолу по веригата става по-кратко.
• Транзитното време нагоре по веригата става по-дълго.
• Знакът на времевата разлика показва посоката на потока.
• Големината на времевата разлика нараства със скоростта.

• 

2. Транзитните времена се преобразуват в скорост на пътя

За опростен дълъг акустичен пътLпод ъгълθкъм оста на тръбата:

t_d= L / (c + v cos θ)

t_u= L / (c − v cos θ)

където:

• t_dе времето за преминаване надолу по веригата;
• t_uе времето за преминаване нагоре по веригата;
• cе скоростта на звука в течността;
• vе съответният компонент на -скоростта на аксиалния поток;
• Lе дължината на акустичния път през течността;
• θе ъгълът между акустичния път и оста на тръбата.

Комбинирането на двете уравнения дава идеализираната връзка на скоростта:

v=[L / (2 cos θ)] × [(1 / t_d) − (1 / t_u)]

Този формуляр е полезен, тъй като общият звук-член на скоростта е до голяма степен премахнат от диференциалното изчисление. Търговските измервателни уреди все още прилагат калибриране на времето, филтриране на сигнала, акустични-корекции на геометрията и компенсация на-механиката на флуидите, така че опростеното уравнение трябва да се третира като обяснение на физиката, а не като заместител на алгоритъма на производителя.

3. Опростен числен пример

Да приемем илюстративен път на течност с:

• L = 0.30 m
• θ=45 степен
• c = 1,480 m/s
• v = 1.0 m/s

Изчисленото време надолу по течението е приблизително202,606 микросекунди, докато времето нагоре е приблизително202,800 микросекунди. Разликата е само около0,194 микросекунди. Този пример показва защо разделителната способност на времето, разпознаването на сигнала, нулевата стабилност и отхвърлянето на шума имат значение, особено при ниска скорост.

Примерът е умишлено опростен. В скоба-при монтаж, измервателният уред трябва също така да отчете движението през клина на преобразувателя, съединителния слой, стената на тръбата и всяка облицовка, преди да изолира флуидната част от акустичния път.

4. Скоростта на пътя се преобразува в обемен поток

Единичен звуков лъч измерва средна скорост по протежение на този лъч. Тя не се равнява автоматично на средната скорост през цялата тръба, тъй като течността близо до стената се движи по-бавно от течността по-близо до центъра и смущенията нагоре по течението могат да създадат завихряне или асиметрия.

Следователно предавателят прилага корекция на профила, за да оцени средната-скорост на напречното сечение,v̄. След това изчислява вътрешната площ на тръбата:

A = πD_i² / 4

и обемен поток:

Q = v̄A

къдетоD_iе вътрешен диаметър. Тъй като площта е пропорционална на диаметъра на квадрат, малка грешка във вътрешния диаметър може да доведе до приблизително два пъти по-голяма процентна грешка в изчислената площ. Това е една от причините номиналният размер на тръбата да не се заменя сляпо с измерени или проверени размери на тръбата.

5. Защо скоростта на звука и фиксираните закъснения все още имат значение

Понякога се казва, че измерването на времето за преминаване не зависи от скоростта на звука. Това е вярно само отчасти. Скоростта на звука до голяма степен се отменя от уравнението на идеалната диференциална скорост, но все пак влияе на ъгъла на пречупване, очакваното време за преминаване, разстоянието между сензорите, идентификацията на сигнала и диагностиката.

В система със захващане-лъчът променя посоката си, докато преминава през материали с различни скорости на звука.Официалната скоба на Siemens-на документациятапоказва, че ъгълът на пречупване на течността следва закона на Снел и че измервателният уред изважда фиксираните времена в сензорите и стената на тръбата от измереното средно време за преминаване. :contentReference[oaicite:6]{index=6}

Инструкции за експлоатация на Emersonсъщо така се посочва, че скоростта на звука на флуида се използва за изчисляване на разстоянието на преобразувателя, докато вискозитетът се взема предвид при корекцията на профила, а плътността се използва, когато се извлича масовият поток. :contentReference[oaicite:7]{index=7}

6. Измерване на единичен-път и многопът

Един-измервател на пътя семплира един акустичен акорд. Многопътният дизайн измерва няколко акорда на различни позиции или ъгли и ги комбинира, за да представи повече от профила на скоростта. Това може да подобри осредняването на профила и, когато се поддържа от алгоритъма за валидиране на измервателния уред, може да осигури диагностичен излишък.

A дву{0}}канален ултразвуков разходомерможе да бъде полезно, когато един път не представя адекватно процеса или когато трябва да се наблюдават две места за измерване. Точната полза зависи от архитектурата на канала на инструмента, метода на претегляне и конфигурацията на приложението; добавянето на канали не премахва автоматично лошите условия на инсталиране.

Измерватели за-време на преминаване със скоби и вградени измерватели

Захващане-на метри

A скоба-на ултразвуков разходомерпоставя двата преобразувателя извън съществуващата тръба. Сигналът преминава през стената на тръбата и течността, без сензор да влиза в процеса. товане{0}}натрапчиво ултразвуково измерванеподходът може да избегне рязане на тръба, проникване в процеса и препятствия, предизвикани-от уреда.

Измервателните-мери със скоби са особено полезни при реконструкция, временни проучвания, енергийни одити, големи съществуващи тръби и приложения, при които контактът с процеса е нежелан. Тяхното представяне обаче зависи в голяма степен от материала на тръбата, състоянието на стената, облицовката, покритието, разстоянието между сензорите, акустичното свързване и мястото на монтаж.

Вградени или шпулеви-метри

Вградените измервателни уреди поставят акустичната геометрия в-изградено за целта тяло на измервателния уред. Позициите на трансдюсера, вътрешният диаметър и ъглите на пътя се контролират от дизайна и могат да бъдат включени няколко акустични акорда. Инсталирането изисква модифициране на тръбопровода, но контролираната геометрия може да бъде от полза, когато се изисква постоянно измерване, по-високи метрологични характеристики или-специфично приложение за сертифициране.

V, Z и W конфигурации за монтиране на преобразуватели

V-монтиране

И двата сензора са монтирани от една и съща страна на тръбата. Лъчът пресича течността, отразява се от противоположната стена и се връща към приемника. V-монтирането е удобно, защото и двата сензора са достъпни от едната страна и често осигурява полезен баланс между силата на сигнала и чувствителността на-времето на преминаване.

Z-монтиране

Сензорите са монтирани на противоположните страни на тръбата и лъчът пресича течността веднъж, без да се отразява от далечната стена. Z-монтирането скъсява акустичния път и намалява пресичането на стени. Често се взема предвид, когато V-path е твърде отслабен, когато тръбата е голяма или когато отлаганията, обвивката или условията на течност отслабват сигнала.

W-Mount

И двата сензора остават от една и съща страна, но лъчът преминава многократно през течността. По-дългият път може да увеличи измеримата транзитна-времева разлика на малка тръба при благоприятни акустични условия. Той също така добавя отражения и затихване, така че не трябва да се избира просто защото по-дългият път изглежда по-чувствителен. Създаден-с целмалка -скоба за тръба-на решениеможе да осигури по-надеждна геометрия, отколкото принудителното поставяне на генерична сензорна подредба върху много малък диаметър.

Как да изберем пътя за монтаж

Въведете проверен външен диаметър на тръбата, дебелина на стената, материал и информация за облицовката.

Изберете правилния тип трансдюсер и течност.

Използвайте изчислението за настройка на измервателния уред, за да получите препоръчания път и разстояние.

Инсталирайте сензорите в изчислените референтни точки.

Проверете амплитудата на сигнала, качеството на сигнала и измерената скорост на звука.

Ако сигналът е слаб, първо проверете параметрите, свързването и подравняването; тогава помислете за по-кратък или по-директен път.

Преизчислете разстоянието и повторете диагностичните проверки при всяка промяна на метода на монтаж.

Няма универсална граница на диаметъра, която да прави V, Z или W правилни за всеки инструмент. Честотата на сензора, стената на тръбата, облицовката, затихването на течността и акустичният модел на производителя са от значение.

Транзитно време срещу доплерово ултразвуково измерване на потока

Сравнението на Siemens обяснява, че времето за преминаване разчита на-предаване, докато Доплер разчита на отразен звук от мехурчета или суспендирани твърди частици. :contentReference[oaicite:8]{index=8} Отделно ръководство заДоплеров ултразвуков разходомере полезно, когато процесът съдържа достатъчно рефлектори, за да направи-предаването ненадеждно.

Необходими условия за надеждно измерване

Тръбата трябва да остане пълна

Повечето измерватели на времето за преминаване на затворени{0}}тръби предполагат, че акустичният път минава през напълно запълнена тръба и че вътрешната площ на потока е известна. Частично запълнената тръба променя както пътя на звука, така и ефективната площ. Освен ако инструментът не е проектиран за измерване на частично запълнена тръба, резултатът може да стане нестабилен или невалиден.

Течността и тръбата трябва да пропускат ултразвук

Импулсът трябва да пресече стената на тръбата и течността с достатъчно енергия, за да бъде идентифициран в приемника. Газови мехурчета, суспендирани твърди вещества, вътрешни отлагания, тежка корозия, дебели или акустично трудни стени, някои облицовки и лошо свързване могат да намалят използваемия сигнал. Практическият въпрос не е дали течността е идеално чиста; това е дали е наличен стабилен, правилно идентифициран предаван импулс при пълния диапазон от условия на процеса.

Профилът на потока трябва да бъде представителен

Колена, помпи, контролни клапани, тройници и редуктори могат да създават вихрови или асиметрични профили на скоростта. Глюкомерът трябва да бъде поставен достатъчно далеч от смущения, за да може профилът да се възстанови, следвайки приложимото ръководство за модела. Ръководството за преносим -метър на Emerson за 2025 г. дава-специфични примери за модела на 10D нагоре и 5D надолу след едно 90-градусово коляно и 40D нагоре по течението след две 90-градусови колена в различни равнини. Тези цифри са примери, а не универсални правила. :contentReference[oaicite:9]{index=9}

За по-задълбочена дискусия прегледайте какнедостатъчно правата тръба влияе върху ултразвуковото измерване на потока.

Данните за тръбите трябва да бъдат точни

За скоба-при настройка проверете:

• действителен външен диаметър или измерена обиколка;
• дебелина на стената;
• материал за тръби;
• материал и дебелина на облицовката;
• повърхностно покритие;
• идентичност на течността и очакван температурен диапазон.

Стабилният сигнал не доказва, че въведената геометрия е правилна. Измервателят може да се заключи към сигнал, докато все още изчислява грешната вътрешна площ или акустичен ъгъл.

Процедура за инсталиране и пускане в експлоатация

Следващата последователност кондензира най-важнотобележки за монтаж на ултразвуков разходомерв практически работен процес.

Потвърдете пригодността на приложението.Проверете течността, очакваното съдържание на газ и твърди частици, обхвата на потока, материала на тръбата, температурата, налягането и необходимата цел на измерване.

Изберете местоположение на пълна -тръба.Избягвайте места, където може да се събере газ или утайка да покрие акустичния път. При хоризонтална тръба страничното монтиране често е за предпочитане пред най-горния или долния.

Преглед на смущенията нагоре по течението.Следвайте ръководството за измервателния уред, вместо да прилагате едно правило-за прав ход за всяка инсталация.

Проверете размерите на тръбата.Измерете дебелината на стената, когато записите са несигурни. Не правете заключение за действителния вътрешен диаметър само от номиналния размер.

Подгответе повърхността.Отстранете свободната ръжда, котлен камък, мръсотия и нестабилно покритие, без ненужно да повредите тръбата.

Приложете правилния съединител.Въздушните междини блокират предаването на ултразвук. Използвайте anакустичен свързващ агентсъвместими с температурата на тръбата, материала и продължителността на монтажа.

Инсталирайте и подравнете сензорите.Задайте определеното разстояние и референтни точки, дръжте двата сензора в една и съща акустична равнина и ги осигурете срещу вибрации или движение.

Прегледайте диагностиката, преди да приемете резултата.Потвърдете, че амплитудата на сигнала, качеството на сигнала и измерената скорост на звука са стабилни и правдоподобни.

Валидирайте стойността на потока.Сравнете го с работа на помпата, промяна на нивото на резервоара, топлинен баланс, референтен измервателен уред или друг независим индикатор за процес.

Диагностика и отстраняване на неизправности

Диагностичните прагове са-специфични за производителя. „Добрата“ числена стойност на сигнала на един измервателен уред може да не означава същото нещо на друг. Използвайте ръководството за инструмента и оценете няколко индикатора заедно, вместо да приемате правдоподобно число на потока само по себе си. На сайтаотстраняване на неизправности с ултразвуков разходомерръководството може да поддържа допълнително изолиране на грешки.

Точност и несигурност на измерването

Няма единична стойност на точност за всеки ултразвуков измервателен уред за време на преминаване. Производителността зависи от конкретния модел, калибриране, геометрия на тръбата, профил на потока, диапазон на скоростта, качество на сигнала и инсталация. Информационният лист за продукта може да посочи производителност при определени условия, докато полевата несигурност включва допълнителни ефекти.

Важните фактори, допринасящи за несигурността, включват:

• Вътрешен диаметър:засяга както акустичната геометрия, така и използваната площ в Q=v̄A.
• Данни за стената и облицовката:влияе на рефракцията, фиксирано време за преминаване и разстояние между сензорите.
• Разположение на сензора:грешките в разстоянието и подравняването променят предполагаемия акустичен път.
• Нулево отместване:става все по-важен, когато скоростта на потока доближава нулата.
• Профил на потока:завихрянето и асиметрията могат да направят една пътека непредставителна.
• Време и обработка на сигнала:влияят върху разделителната способност на много малка транзитна{0}}времева разлика.
• Вариация на процеса:температура, състав, мехурчета и отлагания могат да променят звуковия сигнал.

За съображения относно производителността-на ниво модел вижте ръководството заточност на ултразвуков разходомер. Когато се изисква проследим резултат, разграничете инсталационната проверка от формалнатакалибриране на разходомера. NIST описва калибриране-на дебита на течностивъз основа на обемни и гравиметрични първични стандарти, илюстриращи защо калибрирането трябва да бъде обвързано с определена референция и несигурност. :contentReference[oaicite:10]{index=10}

Предимства и ограничения

Основни предимства

• Няма въртящ се или възвратно-постъпателен измервателен елемент.
• Двупосочно измерване от знака на транзитната{0}}времева разлика.
• Без добавена пречка или спад на-налягането на тялото за външна скоба-при монтаж.
• Модернизирано измерване без контакт с процеса в подходящи приложения.
• Полезна акустична диагностика, включително измерена скорост на звука и качество на сигнала.
• Потенциал за преносими проучвания, постоянен мониторинг и многопътно измерване.

Основни ограничения

• Прекомерното количество мехурчета, твърди частици или акустично затихване може да попречи на-предаването.
• Резултатите-на скоба зависят от точните данни за тръбата и облицовката.
• Неправилното разстояние, подравняване или свързване може да създаде големи грешки.
• Единичен път може да е чувствителен към завихряне и асиметричен поток.
• Някои многослойни, бетонни, силно налепени или силно корозирали тръби са трудни за измерване.
• Конвенционалните затворени -тръбни измервателни уреди не са предназначени за частично напълнени тръби, освен ако не са специално предназначени за тази задача.

Типични приложения

Честиприложения за ултразвукови разходомеривключват:

• питейна, сурова и технологична вода;
• системи с охладена-вода и гореща{1}}вода;
• централно отопление и охлаждане;
• електрически{0}}водни вериги;
• пречистени отпадъчни води с ограничена аерация и твърди вещества;
• масла, въглеводороди и съвместими технологични течности;
• течни химикали;
• балансиране на системата, тестване на помпи и енергийни одити;
• временни проучвания за проверка и отстраняване на проблеми.

A преносим ултразвуков разходомерчесто е полезно за временни измервания, но пригодността на приложението трябва да се основава на действителните тръбни и акустични условия, а не само на името на течността. Хранителни, фармацевтични и приложения с висока -чистота също изискват преглед на санитарния дизайн, съвместимостта на материалите и изискванията за валидиране; външен без{2}}контактен сензор сам по себе си не квалифицира инсталацията за всеки регулиран процес.

Как да изберете ултразвуков разходомер за време на транзит

Преди да изберете измервателен уред, документирайте следното:

Течността достатъчно ли е акустично пропусклива при всички работни условия?

Могат ли газовите мехурчета, твърдите вещества или промените в състава да се увеличат по време на работа?

Ще остане ли тръбата напълно пълна?

За предпочитане ли е скобата-при монтаж или е приемлив вграден измервателен уред?

Какви са действителният външен диаметър, дебелина на стената, материал и облицовка?

Какви са минималната, нормалната и максималната скорост?

Възможен ли е обратен поток?

Достатъчен ли е един акустичен път или е необходимо усредняване на многолъчи?

Какви одобрения за температура, опасна-зона и околната среда са необходими?

Кои изходи и комуникации са необходими?

Ще се използва ли резултатът за индикация, контрол, енергиен мониторинг, проверка или фактуриране?

Коя диагностика е налична, за да докаже, че звуковият сигнал е валиден?

Не избирайте само от номиналния диаметър на тръбата или цифра за заглавна точност. Измервателният уред, честотата на преобразувателя, пътя на монтиране, условията на процеса, геометрията на монтажа и изискваната несигурност трябва да се разглеждат заедно.

Заключение

Ултразвуковият разходомер за време на преминаване прави нещо повече от сравнение на два импулсни времена. Той разделя времето за преминаване на флуида от фиксираните акустични закъснения, извлича скоростта по пътя, коригира профила на скоростта на тръбата и преобразува коригираната скорост в обемен поток.

Принципът е стабилен, когато тръбата остава пълна, сигналът може да премине през тръбата и течността, геометрията е известна, сензорите са правилно монтирани и профилът на потока е представителен. Преди да изберете модел, запишете състоянието на течността, конструкцията на тръбата, обхвата на потока, оформлението на инсталацията, диагностичните изисквания и предназначението на измерването. Тази информация е по-ценна от избора само от размера на тръбата или спецификацията на заглавието.