Ultrazvukové snímače průtoku plynu, známé také jako ultrazvukové průtokoměry plynu, představují pokročilou technologii měření plynných médií (včetně zemního plynu, stlačeného vzduchu a procesních plynů). Tato neinvazivní zařízení využívají ultrazvukové vlny k měření průtoku plynu bez fyzického kontaktu s tekutým médiem a poskytují vynikající přesnost a spolehlivost v různých průmyslových aplikacích. Tato příručka zkoumá pracovní principy, konstrukční návrh a praktické aplikace ultrazvukových snímačů průtoku plynu.
Princip činnosti ultrazvukového snímače průtoku plynu:
Základem ultrazvukových snímačů průtoku plynu je použití zvukových vln k měření rychlosti plynu. Primární metodou je princip tranzitního-času, kdy ultrazvukové snímače (senzory) vysílají impulsy, které procházejí proudem plynu. Dva snímače jsou umístěny tak, že jeden vysílá signály po proudu (s průtokem) a druhý vysílá signály proti proudu (proti proudu). Časový rozdíl (Δt) mezi těmito cestami je úměrný rychlosti plynu (V), vypočítané pomocí následujícího vzorce:
kde L je délka cesty a t0 je průměrná doba přepravy. Objemový průtok se pak vypočítá vynásobením průřezem- plochy potrubí. Další variantou jeDopplerův efekt, kde se vlny odrážejí od bublin nebo částic v plynu a frekvenční posun udává rychlost-ideální pro plyny obsahující nečistoty. Pokročilé modely využívají střižné vlny pro přímý přenos nebo jehněčí vlny, které způsobují rezonanci stěny potrubí za účelem zesílení signálů v plynech s nízkým-tlakem nebo zeslabení. Konfigurace s více -cestami (jako jsou 4 nebo 6 cest) zprůměrují měření napříč potrubím, aby zvládly turbulentní nebo asymetrické proudění a zlepšují přesnost. Tento diagram ilustrujenastavení{0}}času přepravy, ukazující, jak se signály proti proudu a po proudu liší v závislosti na průtoku.
Struktura více{0}}kanálového ultrazvukového snímače průtoku plynu
Složení vícekanálových plynových ultrazvukových průtokoměrů zahrnuje především čtyři části: hlavní tělo ultrazvukového průtokoměru, tlakový snímač, inteligentní snímač teploty a průtokový počítač. Ultrazvukový průtokoměr se skládá hlavně ze dvou hlavních součástí: Jedna je část měřicího potrubí vybavená více páry ultrazvukových převodníků (známých také jako primární přístroj); Druhým je jednotka pro zpracování signálu (SPU) s měřením, zobrazením okamžitého průtoku a komunikačními funkcemi, běžně označovaná jako sekundární přístroj. Následující schéma ukazuje blokové schéma vícekanálového ultrazvuku
průtokoměr.
Sekundární přístroj se může přímo připojit k senzorům tlaku a teploty plynu v potrubí a prostřednictvím interní konverze signálu a výpočtu kompenzace dokončit kompenzační účinek teploty a tlaku v potrubí na objemový průtok plynu, nezávisle dokončit měření objemového průtoku bez spoléhání se na počítač průtoku. Kromě toho lze prostřednictvím inteligentního snímače teploty a snímače tlaku přenášet digitální signály teploty a tlaku v potrubí také do průtokového počítače, aby se kompenzovaly hodnoty okamžité rychlosti proudění a objemového průtoku naměřené sekundárním přístrojem.
Senzorová část více-kanálového ultrazvukového průtokoměru plynu se týká hlavně části měřicího potrubí a strukturální analýza senzoru průtoku se týká hlavně připojení měřicího potrubí a instalačních distribučních poloh každého ultrazvukového snímače. Potrubí pro měření průtoku je navrženo a vyrobeno s přírubovými čelními plochami, připojenými v přímém dopravním potrubí. V dokumentu AGA č potrubí).
Proto musí být obecně v místech měření průtoku průmyslových plynů při montáži průtokoměru zohledněn vliv komplexních stavů proudění na měření rychlosti proudění. Podle normy GB/T 18604-2023 jsou pro montážní polohu vícekanálových plynových ultrazvukových průtokoměrů navržena následující doporučení: Minimální délka přímého potrubí proti proudu je 10D a minimální délka přímého potrubí po proudu je 5D. Toto doporučení lze stanovit pouze tehdy, když jsou podmínky proti proudu relativně ideální (jako je velmi malá intenzita víru a mírně asymetrické rozložení rychlosti) a mělo by být považováno za minimální požadavek pro splnění potřeb měření. Jak je znázorněno na obrázku níže, vícekanálové plynové ultrazvukové průtokoměry musí vzít v úvahu účinnost šíření ultrazvukových vln pomocí ultrazvukových převodníků zabudovaných a instalovaných na měřicím potrubí.
Obrázek níže ukazuje schematický diagram uspořádání kanálů pro vícekanálový ultrazvukový průtokoměr plynu, znázorňující strukturu potrubí ve tvaru prstence- měřenou čtyřkanálovým křížovým ultrazvukovým průtokoměrem plynu.
Tyto 4 kanály jsou příslušně uspořádány na různých proudových vrstvách a kanály se vzájemně kříží při pohledu ve směru y a jsou vzájemně rovnoběžné při pohledu ve směru z. Měřicí potrubí je tvořeno kompozitním senzorem se 4 kanály tvořenými dvojicemi ultrazvukových měničů s pracovní frekvencí 200-250 kHz. Průměr trubky D=300 mm a úhel φ mezi každým kanálem a axiálním směrem je 60 stupňů.
Aplikační scénáře struktury více{0}}kanálového ultrazvukového snímače průtoku plynu
Vícekanálové ultrazvukové snímače průtoku plynu jsou klíčové v odvětvích vyžadujících přesné měření plynu:
Ropný a plynárenský průmysl: Přeprava do úschovy, monitorování potrubí, kompresorové stanice a detekce úniků v systémech zemního plynu.
Chemické a petrochemické: Měření procesních plynů v náročných prostředích.
Výroba a výroba energie: Monitorování emisí, řízení zásob a optimalizace účinnosti.
HVAC a inženýrské sítě: Proudění stlačeného vzduchu a bioplynu v budovách nebo čištění odpadních vod.
FAQ
Otázka: Jak často potřebují ultrazvukové snímače průtoku plynu kalibraci?
Odpověď: Ultrazvukové snímače průtoku plynu vyžadují počáteční kalibraci při uvedení do provozu, přičemž rekalibrace se obvykle doporučuje každých 2–5 let v závislosti na kritičnosti aplikace. Pro aplikace přepravy do úschovy doporučuje AGA-9 kalibraci při sedmi průtokech: 100 %, 75 %, 50 %, 25 %, 10 %, 5 % a 2,5 % maximálního průtoku, přičemž každý testovací bod je průměrován za 90-300 sekund. Výrobní odchylky a rozdíly v instalaci potrubí mohou ovlivnit přesnost, takže kalibrace je nezbytná pro optimální výkon. Na rozdíl od mechanických měřičů, které se výrazně pohybují, si ultrazvukové měřiče udržují stabilní přesnost v průběhu času díky tomu, že nemají žádné pohyblivé části, což umožňuje méně časté intervaly rekalibrace.
Otázka: Jaká je počáteční cena versus dlouhodobé{0}}celkové náklady na vlastnictví?
Odpověď: I když počáteční investice do ultrazvukových průtokoměrů může převýšit tradiční měřiče, celkové náklady na vlastnictví se často ukáží jako nižší kvůli snížené údržbě, minimálním prostojům a prodloužené životnosti. Jediný ultrazvukový plynoměr může nahradit dva paralelní turbínové měřiče (malé a hlavní zátěžové kolejnice), čímž se snižují náklady na infrastrukturu. Ultrazvukové měřiče mají drahé počáteční náklady, ale nižší náklady na nastavení než některé alternativy, s minimální údržbou díky absenci pohyblivých částí. Optimalizovaná detekce signálu eliminuje drahou infrastrukturu pro tlumení hluku a nižší náklady na údržbu a opravy v měřicích bodech kompenzují vyšší počáteční investice. U aplikací s velkým-průměrem poskytují svorkové-verze výrazné úspory nákladů na instalaci.
Otázka: Jaká běžná údržba je nutná a jak často?
Odpověď: Ultrazvukové snímače průtoku plynu jsou navrženy pro provoz s nízkými-údržbami, přičemž typická údržba zahrnuje čištění čela sondy v 1-6měsíčních intervalech v závislosti na podmínkách na místě, kontrolu systému proplachování a vzduchových filtrů a v případě potřeby příležitostnou rekalibraci. V prašných prostředích, jako jsou aplikace spalin, automatizované systémy čištění využívající 0,1-0,6 MPa čistého přístrojového vzduchu při 3-6 l/min udržují čela senzoru čisté a zabraňují kolísání měření. Snímače lze vyměnit na místě a pod tlakem pomocí konfigurace plug-and-play a provoz měřiče není přímo ovlivněn nečistotami na stěnách potrubí.
Otázka: Jaké jsou limity provozní teploty a tlaku pro ultrazvukové snímače průtoku plynu?
Odpověď: Převodníky byly vyvinuty tak, aby vydržely teploty od -260 stupňů F pro měření LNG do 500 stupňů F pro aplikace v elektrárnách. Moderní senzory obvykle zvládají -40 stupňů až +170 stupňů (-40 stupňů F až +338 stupňů F) pro standardní aplikace, se specializovanými vysokoteplotními verzemi schopnými 150 stupňů až 550 stupňů (+302 stupňů F až +1022 stupňů F). Rozsahy tlaku se pohybují od 1 baru do 300 barů (14,5 až 4350 psi), přičemž senzory pracují na standardních frekvencích 120 nebo 200 kHz. Pro nízkotlaké aplikace vyžaduje přenos zvuku minimální hustotu plynu a technologie Lamb wave umožňuje měření až na tlak blízký atmosférickému tlaku.
