Понимание ультразвуковых расходомеров и принцип их работы при измерении расхода воды

Измерение расхода включает определение количества жидкости, проходящей через заданную площадь поверхности сосуда в определенное время. Как и все виды измерений, он может применяться в повседневной жизни, начиная от использования при мониторинге потребления воды и газа для оценки счетов и заканчивая более критическими промышленными приложениями (например, крупномасштабное смешивание нескольких химических веществ), где измерение расхода играет ключевую роль в поддержании качество процесса / продукта.

Для определения расхода используются специальные типы счетчиков, называемые расходомерами. Существует много различных типов расходомеров из-за различных требований к измерению расхода (линейный / нелинейный, массовый / объемный расход и т. Д.). Счетчики отличаются друг от друга в зависимости от различных факторов, включая: применяемая ими методика измерения, конкретные параметры потока, которые они контролируют, объем жидкости, которую они могут отслеживать, и их физические характеристики и многое другое. YFS201 - популярный датчик расхода воды, который мы ранее использовали для измерения расхода воды с помощью Arduino и расчета скорости потока и распределенного объема.

Некоторые из типов / категорий расходомеров включают; Турбинные, вихревые, термомассовые, магнитные, овальные шестерни, лопаточные колеса, кориолисовы, массовые расходомеры, расходомеры с низким расходом и ультразвуковые расходомеры, которые являются предметом внимания данной статьи. Ультразвуковые расходомеры представляют собой неинвазивные, очень надежные средства определения количества жидкости, протекающей через сосуд, и они нашли применение в различных отраслях промышленности, от нефтегазовой до поставщиков коммунальных услуг.

В этой статье мы рассмотрим все, что связано с ультразвуковым расходомером, как они работают, преимущества и недостатки.

Ультразвуковой расходомер

Как следует из названия, ультразвуковой расходомер, один из широко используемых расходомеров, представляет собой незаметное устройство, которое рассчитывает объемный расход жидкости путем измерения ее скорости с помощью ультразвука. Он может измерять поток жидкости практически в любой жидкости, где могут передаваться звуковые волны. Этот тип расходомера обычно считается «гибридным», так как он может использовать либо принцип Доплера, либо метод времени прохождения для измерения расхода, мы обсудим оба принципа позже в этой статье. Обратите внимание, что эти расходомеры также называются доплеровскими расходомерами, если они работают по принципу Доплера.

Ультразвуковые расходомеры идеально подходят для систем водоснабжения, где требуется низкий перепад давления, низкие эксплуатационные расходы и химическая совместимость. Обычно они не работают с питьевой или дистиллированной водой, но подходят для очистки сточных вод или токопроводящих грязных жидкостей. Они используются с абразивными и агрессивными жидкостями, поскольку не препятствуют протеканию жидкости по трубопроводу.

Принцип работы ультразвукового расходомера

Ультразвуковые расходомеры используют принцип эха и изменение скорости звука в разных средах для измерения расхода. Счетчики обычно содержат два ультразвуковых преобразователя, один из которых действует как передатчик, а другой как приемник. Два преобразователя могут быть установлены бок о бок или под углом друг к другу на противоположных сторонах судна. Передающий преобразователь излучает звуковые импульсы с поверхности датчика в жидкость, которые принимаются преобразователем, обозначенным как приемник. Затем оценивается время прохождения звукового импульса от передатчика до приемника, известное как время прохождения, и используется для определения скорости потока и других параметров.

Для второй конфигурации, когда передатчик и приемник расположены рядом, передатчик излучает звуковой импульс, а приемник отслеживает время, необходимое для приема эхо-сигнала передачи.

Независимо от конфигурации датчика, измерение с разницей во времени прохождения основано на том, что; звуковые волны, распространяющиеся в направлении потока среды, движутся быстрее, чем волны, распространяющиеся против направления потока среды. Таким образом, разница во времени прохождения прямо пропорциональна скорости потока среды, и этот принцип используется для точного измерения объема газов и жидкостей, а также для определения плотности и вязкости.

Хотя вышеупомянутые два метода являются наиболее часто используемыми, в различных ультразвуковых расходомерах используется модифицированная версия этого метода в зависимости от типа жидкости и выполняемых измерений. На приведенном ниже изображении ультразвукового счетчика воды показано, как датчики на входе и выходе размещаются внутри трубы датчика вместе с некоторыми отражателями для конструкции расходомера воды. Фактическая установка того же самого оборудования также показана с обоими датчиками, отмеченными.

Расчет расхода с помощью ультразвуковых датчиков расхода

Чтобы получить более четкое представление о технических деталях, стоящих за этим, рассмотрим изображение ниже, на котором представлена ​​первая конфигурация с преобразователями передатчика (TA) и приемника (TB), установленных под углом друг к другу;

Пусть время, за которое акустическая волна проходит от передатчика к приемнику, то есть в направлении потока среды, составляет T _{A –B}, а время, необходимое для ее перемещения от приемного преобразователя к передающему преобразователю., то есть против направления потока T _{B –A}.

Разница в двух временах прохождения прямо пропорциональна средней скорости потока среды v _m, т.е.

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

Поскольку время прохождения сигнала - это расстояние между передающим преобразователем и принимающим передатчиком, деленное на скорость, которую акустический сигнал должен пройти от одного преобразователя к другому, мы имеем

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

И;

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

Уравнения 2 и 3 определяют скорость потока между датчиком A на входе и датчиком B на выходе. где;

v = скорость потока среды, L = длина акустического тракта, c = скорость звука в среде, а альфа «α» - угол к трубе, под которым ультразвуковой звук распространяется от передатчика к приемнику.

Предполагая, что скорость звука в среде постоянна (т.е. без изменения таких параметров, как плотность жидкости, температура и т. Д.), Мы имеем;

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

Умножая среднюю скорость на площадь поперечного сечения трубы, мы получаем расход Q как;

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

Площадь поперечного сечения трубы постоянна для линейного ультразвукового расходомера диаметром D.

Реализация этих уравнений без переменных, таких как плотность, температура, давление, скорость звука и другие характеристики, определяемые средой / жидкостью, демонстрирует причины. за универсальность и точность ультразвуковых расходомеров.

Преимущества / значение ультразвуковых счетчиков

Основными преимуществами ультразвуковых расходомеров являются их неинвазивный характер и их способность работать с любым типом жидкости (поскольку плотность и скорость звука в жидкостях не имеют значения). Разнообразные вещества (включая химические вещества, растворители, масла и т. Д.) С разными свойствами транспортируются и распределяются по трубопроводным системам каждый день с необходимостью контролировать их поток. Неинвазивный характер ультразвуковых расходомеров делает их идеальными приборами в подобных ситуациях. Вот почему они находят применение в различных отраслях промышленности, от химической промышленности до пищевой промышленности, водоочистки и нефтегазового сектора.

Недостатки

Основным недостатком ультразвуковых расходомеров является их цена. Из-за сложности конструкции ультразвуковые расходомеры обычно дороже механических или других типов счетчиков, так как требуют больше усилий и компонентов,

Помимо сложности конструкции и стоимости, ультразвуковые расходомеры также требуют определенного уровня знаний при установке / обращении по сравнению с большинством других типов расходомеров.

Лучшие ультразвуковые расходомеры на рынке

Ожидается, что к 2024 году мировой рынок ультразвуковых расходомеров достигнет 2 миллиардов долларов США, однако за последние несколько лет рынок стал свидетелем значительного роста благодаря его применению во многих отраслях сегодня и появлению некоторых недавно улучшенных вариантов. Многие производители разработали ультразвуковые расходомеры с использованием передовых технологий для повышения точности измерения. Поскольку этот счетчик предназначен для отраслевых решений, ожидается, что последние разработки будут стимулировать рынок в течение прогнозируемых периодов. Лучшие ультразвуковые расходомеры на рынке включают:

Ультразвуковые расходомеры Sonic-View: Sonic-View, одно из лучших решений для измерения малых потоков жидкости, работает по принципу времени прохождения. Преобразователи не контактируют со средой, и внутри инструментов нет движущихся частей. Непревзойденные характеристики, такие как низкая стоимость владения, годы эксплуатации без обслуживания, защищенные преобразователи, надежный измеритель на протяжении всего срока службы и его нечувствительность к пикам давления и частицам, - все это способствует тому, что ультразвуковой расходомер со звуковым обзором является одним из лучшие решения на рынке счетчиков.

Ультразвуковые счетчики воды Shmeters: Этот ультразвуковой счетчик воды для промышленных и коммерческих целей при различных условиях потока в трубах способен выполнять измерения проектных сечений с максимально возможной точностью измерения. Счетчик питается от батареи и может работать без перебоев в течение 10 лет только от одной батареи; его потребляемая мощность менее 0,5 мВт. Он может работать долго, не подвергаясь воздействию магнитных помех. Между тем, он очень надежен и чувствителен, скорость потока всего 0,002 м / с может быть быстро обнаружена.

Ультразвуковые расходомеры Sitrans FS: они обеспечивают впечатляющую производительность для различных газов и жидкостей, поскольку они могут работать независимо от температуры, вязкости, проводимости, давления, плотности и в самых тяжелых условиях. Sitrans FS220 гордится тем, что является лучшим в своем классе решением для простых измерений расхода, поскольку его возможности кажутся безграничными.

В частности, в потребительских приложениях Ультразвуковые счетчики расширяются за счет таких технологий, как LoRa, которые позволяют муниципальным и связанным с ними органам удаленно контролировать такие вещи, как потребление газа и воды. Низкое энергопотребление коммуникационной среды позволяет этим счетчикам работать более 5 лет от одной зарядки аккумулятора, что намного больше, чем можно достичь с помощью механических счетчиков.