Ултразвуковите сензори за газов поток, известни още като ултразвукови газови разходомери, представляват усъвършенствана технология за измерване на газови среди (включително природен газ, сгъстен въздух и технологични газове). Тези не-инвазивни устройства използват ултразвукови вълни за измерване на газовия поток без физически контакт с течната среда, осигурявайки отлична точност и надеждност в различни индустриални приложения. Това ръководство изследва принципите на работа, структурния дизайн и практическите приложения на ултразвуковите сензори за газов поток.
Принцип на работа на ултразвуковия сензор за газов поток:
Ядрото на ултразвуковите сензори за газов поток е използването на звукови вълни за измерване на скоростта на газа. Основният метод е принципът на транзитно-време, при който ултразвуковите преобразуватели (сензори) излъчват импулси, които преминават през газовия поток. Два трансдюсера са разположени така, че единият да изпраща сигнали надолу (с потока), а другият да изпраща сигнали нагоре (срещу потока). Разликата във времето (Δt) между тези пътища е пропорционална на скоростта на газа (V), изчислена по следната формула:
където L е дължината на пътя и t0 е средното време за преминаване. След това обемният дебит се изчислява чрез умножаване по площта на напречното-сечение на тръбата. Друг вариант еДоплеров ефект, където вълните се отразяват от мехурчета или частици в газа, а честотното изместване показва скорост-идеална за газове, съдържащи примеси. Усъвършенстваните модели използват срязващи вълни за директно предаване или вълни на Ламб, които карат стената на тръбата да резонира, за да усили сигналите при ниско-налягане или отслабващи газове. Конфигурации с много-пътеки (като 4 или 6 пътя) осредняват измерванията през тръбата за справяне с турбулентни или асиметрични потоци, подобрявайки точността. Тази диаграма илюстриранастройка на-времето за транзит, показвайки как сигналите нагоре и надолу по веригата се различават в зависимост от потока.
Структура на много{0}}каналния ултразвуков сензор за газов поток
Съставът на много{0}}каналните газови ултразвукови разходомери включва главно четири части: основно тяло на ултразвуков разходомер, предавател за налягане, интелигентен предавател за температура и компютър за потока. Ултразвуковият разходомер се състои главно от два основни компонента: Единият е секция на измервателната тръба, оборудвана с множество двойки ултразвукови преобразуватели (известен също като основен инструмент); Другият е модулът за обработка на сигнала (SPU) с измерване, показване на моментния дебит и комуникационни функции, обикновено наричан вторичен инструмент. Следващата диаграма показва блоковата диаграма на много-канален ултразвук
разходомер.
Вторичният инструмент може директно да се свърже към сензорите за налягане и температура на газа в тръбопровода и чрез вътрешно преобразуване на сигнала и изчисляване на компенсацията, да завърши компенсационния ефект на температурата и налягането в тръбопровода върху обемния дебит на газа, независимо завършвайки измерването на обемния дебит, без да разчита на компютъра за потока. В допълнение, чрез интелигентния температурен трансмитер и трансмитер за налягане, цифровите сигнали за температура и налягане в тръбопровода могат също да бъдат предадени към компютъра за потока, за да компенсират стойностите на моментната скорост на потока и обемния дебит, измерени от вторичния инструмент.
Сензорната част на много{0}}каналния ултразвуков разходомер за газ се отнася основно до частта на измервателния тръбопровод, а структурният анализ на сензора за поток се отнася главно до свързването на измервателния тръбопровод и позициите на разпределението на инсталацията на всеки ултразвуков преобразувател. Тръбопроводът за измерване на потока е проектиран и произведен с фланцови краища, свързани в прав транспортен тръбопровод. В документа на AGA No. 9 „Много-канални ултразвукови разходомери за измерване на потока на природен газ“, формулиран от Американската газова асоциация през 1998 г., изследователската работа вече посочи, че асиметричното разпределение на скоростта продължава от точката на възникване до 50D или надолу по течението, а профилите на скоростта с вихри могат да съществуват при 200D или по-далеч (D е вътрешния диаметър на измервателния тръбопровод).
Следователно, в общите места за измерване на промишлен газов поток, позицията на монтаж на разходомера трябва да отчита влиянието на сложните състояния на потока върху измерването на скоростта на потока. Съгласно стандарта GB/T 18604-2023 се предлагат следните препоръки за монтажната позиция на много-каналните газови ултразвукови разходомери: Минималната дължина на правата тръба нагоре е 10D, а минималната дължина на правата тръба надолу е 5D. Тази препоръка може да бъде установена само когато условията нагоре по течението са относително идеални (като много малък интензитет на вихъра и леко асиметрично разпределение на скоростта) и трябва да се разглежда като минимално изискване за посрещане на нуждите от измерване. Както е показано на фигурата по-долу, многоканалните газови ултразвукови разходомери трябва да вземат предвид ефективността на разпространение на ултразвуковите вълни, като използват ултразвукови преобразуватели, вградени и инсталирани на измервателния тръбопровод.
Фигурата по-долу показва схематична диаграма на оформлението на канала за много-канален ултразвуков разходомер за газ, илюстриращ пръстеновидната -структура на тръбопровода, измерена от четири-канален ултразвуков разходомер за газ.
4-те канала са съответно подредени на различни слоеве на потока и каналите се пресичат, когато се гледат в посока y, и са успоредни един на друг, когато се гледат в посока z. Измервателният тръбопровод се състои от композитен сензор с 4 канала, образуван от двойки ултразвукови преобразуватели с работна честота 200-250 kHz. Диаметърът на тръбата D=300 mm и ъгълът φ между всеки канал и аксиалната посока е 60 градуса.
Сценарии за приложение на структура на много-канален ултразвуков сензор за газов поток
Много{0}}каналните ултразвукови сензори за газов поток са от решаващо значение в индустрии, изискващи прецизно измерване на газ:
Нефтена и газова промишленост: прехвърляне на попечителство, мониторинг на тръбопроводи, компресорни станции и откриване на течове в системи за природен газ.
Химия и нефтохимия: Измерване на технологичен газ в тежки среди.
Генериране и производство на електроенергия: Мониторинг на емисиите, контрол на запасите и оптимизиране на ефективността.
HVAC и комунални услуги: Сгъстен въздух и поток от биогаз в сгради или пречистване на отпадъчни води.
ЧЗВ
В: Колко често ултразвуковите сензори за газов поток се нуждаят от калибриране?
О: Ултразвуковите сензори за газов поток изискват първоначално калибриране при пускане в експлоатация, като повторно калибриране обикновено се препоръчва на всеки 2-5 години в зависимост от критичността на приложението. За приложения за прехвърляне на попечителство AGA-9 препоръчва калибриране при седем скорости на потока: 100%, 75%, 50%, 25%, 10%, 5% и 2,5% от максималния поток, като всяка тестова точка е осреднена за 90-300 секунди. Производствените вариации и разликите в монтажа на тръбопроводите могат да повлияят на точността, което прави калибрирането от съществено значение за оптимална работа. За разлика от механичните измервателни уреди, които се отклоняват значително, ултразвуковите измервателни уреди поддържат стабилна точност във времето поради липсата на движещи се части, което позволява по-редки интервали на повторно калибриране.
Въпрос: Каква е първоначалната цена спрямо-общата цена на притежание в дългосрочен план?
О: Докато първоначалната инвестиция в ултразвукови разходомери може да надхвърли традиционните измервателни уреди, общата цена на притежание често се оказва по-ниска поради намалена поддръжка, минимален престой и удължен експлоатационен живот. Един ултразвуков газомер може да замени два паралелни турбинни измервателни уреда (релси за малък и основен товар), намалявайки инфраструктурните разходи. Ултразвуковите измервателни уреди имат скъпи първоначални разходи, но по-ниски разходи за настройка от някои алтернативи, с минимална поддръжка поради липса на движещи се части. Оптимизираното откриване на сигнала елиминира скъпата инфраструктура за намаляване на шума, а намалените разходи за поддръжка и ремонт в точките на измерване компенсират по-високата първоначална инвестиция. За приложения с голям-диаметър, закрепващите-версии осигуряват значително спестяване на разходи за монтаж.
Въпрос: Каква рутинна поддръжка е необходима и колко често?
О: Ултразвуковите сензори за газов поток са проектирани за работа с ниска-техническа поддръжка, с типична поддръжка, включваща почистване на лицевата страна на сондата на интервали от 1-6 месеца в зависимост от условията на място, проверка на системата за продухване и въздушните филтри и случайно повторно калибриране, ако е необходимо. В запрашени среди, като например приложения с димни газове, автоматизираните системи за продухване, използващи 0,1-0,6 MPa чист инструментален въздух при 3-6 L/min, поддържат повърхностите на сензора чисти и предотвратяват дрейфа на измерването. Сензорите могат да се сменят на място и под налягане с помощта на конфигурация plug-and-play, а работата на измервателния уред не се влияе пряко от примеси по стените на тръбите.
В: Какви са границите на работната температура и налягане за ултразвуковите сензори за газов поток?
О: Преобразувателите са разработени да издържат на температури от -260 градуса F за измерване на LNG до 500 градуса F за приложения в електроцентрали. Съвременните сензори обикновено се справят с -40 градуса до +170 градуса (-40 градуса F до +338 градуса F) за стандартни приложения, като специализираните високотемпературни версии могат да работят от 150 градуса до 550 градуса (+302 градуса F до +1022 градуса F). Диапазоните на налягането се простират от 1 bar до 300 bar (14,5 до 4350 psi), като сензорите работят на стандартни честоти от 120 или 200 kHz. За приложения с ниско налягане предаването на звук изисква минимална плътност на газа, а технологията Lamb wave позволява измерване до налягане, близко до атмосферното.
