Κατανόηση των μετρητών ροής υπερήχων και η αρχή της λειτουργίας της στη μέτρηση ροής νερού

Η μέτρηση του ρυθμού ροής περιλαμβάνει τον προσδιορισμό της ποσότητας του υγρού που διέρχεται από μια καθορισμένη επιφάνεια του δοχείου σε μια συγκεκριμένη χρονική στιγμή. Όπως όλες οι μορφές μετρήσεων, έχει εφαρμογές καθημερινής ζωής που κυμαίνονται από τη χρήση του στην παρακολούθηση της κατανάλωσης νερού και φυσικού αερίου για εκτίμηση λογαριασμών έως πιο κρίσιμες βιομηχανικές εφαρμογές (π.χ. μεγάλης κλίμακας μίξη πολλαπλών χημικών) όπου η μέτρηση του ρυθμού ροής παίζει βασικό ρόλο στη διατήρηση της ποιότητα της διαδικασίας / προϊόντος.

Για τον προσδιορισμό του ρυθμού ροής, χρησιμοποιούνται ειδικά είδη μετρητών που αναφέρονται ως μετρητές ροής. Υπάρχουν πολλοί διαφορετικοί τύποι ροομέτρων, λόγω των διαφορετικών απαιτήσεων στη μέτρηση ροής (γραμμική / μη γραμμική, μάζα / ογκομετρική ταχύτητα κ.λπ.). Οι μετρητές διαφέρουν μεταξύ τους με βάση διαφορετικούς παράγοντες, όπως: την τεχνική μέτρησης που εφαρμόζουν, τις συγκεκριμένες παραμέτρους ροής που παρακολουθούν, τον όγκο του υγρού που μπορούν να παρακολουθήσουν και τις φυσικές τους ιδιότητες για να αναφέρουμε μερικές. Το YFS201 είναι ένας δημοφιλής αισθητήρας ροής νερού, τον οποίο έχουμε χρησιμοποιήσει προηγουμένως για τη μέτρηση της ροής του νερού χρησιμοποιώντας το Arduino και τον υπολογισμένο ρυθμό ροής και διασποράς όγκου.

Μερικοί από τους τύπους / κατηγορίες μετρητών ροής περιλαμβάνουν: Στρόβιλοι, στροβιλισμοί, θερμική μάζα, μαγνητικός, οδοντωτός τροχός, paddlewheel, Coriolis, ροή μάζας, χαμηλής ροής και υπερηχητικοί μετρητές ροής που αποτελούν το επίκεντρο αυτού του άρθρου. Οι υπερηχητικοί μετρητές ροής παρέχουν ένα μη επεμβατικό, πολύ αξιόπιστο μέσο προσδιορισμού της ποσότητας του ρευστού που ρέει μέσω ενός σκάφους και έχουν βρει εφαρμογές σε διάφορες βιομηχανίες, από πετρέλαιο και φυσικό αέριο έως παρόχους υπηρεσιών κοινής ωφέλειας.

Για αυτό το άρθρο, θα εξετάσουμε τα πάντα γύρω από τον υπερηχητικό μετρητή ροής, πώς λειτουργούν, πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα.

Ο υπερηχητικός μετρητής ροής

Όπως υποδηλώνει το όνομα, ο υπερηχητικός μετρητής ροής, ένας από τους ευρέως χρησιμοποιούμενους μετρητές ροής, είναι μια μη παρεμβατική συσκευή που υπολογίζει τη ροή όγκου υγρού μετρώντας την ταχύτητά του με υπερήχους. Μπορεί να μετρήσει τη ροή ρευστού σε σχεδόν οποιοδήποτε υγρό όπου μπορούν να μεταδώσουν ηχητικά κύματα. Αυτός ο τύπος μετρητή ροής συνήθως θεωρείται "υβριδικός" καθώς μπορεί είτε να χρησιμοποιήσει την αρχή Doppler είτε τη μέθοδο του χρόνου διέλευσης για τη μέτρηση της ροής, θα συζητήσουμε και τις δύο αρχές αργότερα σε αυτό το άρθρο. Λάβετε υπόψη ότι αυτοί οι μετρητές ροής καλούνται επίσης ως μετρητές ροής Doppler εάν λειτουργούν χρησιμοποιώντας την αρχή doppler.

Οι υπερηχητικοί μετρητές ροής είναι οι πιο ιδανικοί για εφαρμογές νερού όπου απαιτείται πτώση χαμηλής πίεσης, χαμηλή συντήρηση και χημική συμβατότητα. Γενικά δεν λειτουργούν με πόσιμο ή απεσταγμένο νερό, αλλά είναι κατάλληλα για εφαρμογές λυμάτων ή αγώγιμα βρώμικα υγρά. Χρησιμοποιούνται με λειαντικά και διαβρωτικά υγρά καθώς δεν εμποδίζουν τη ροή υγρού μέσω των αγωγών.

Αρχή λειτουργίας του υπερηχητικού μετρητή ροής

Οι υπερηχητικοί μετρητές ροής χρησιμοποιούν τις αρχές της ηχούς και της διακύμανσης στην ταχύτητα του ήχου σε διαφορετικά μέσα για τη μέτρηση της ροής. Οι μετρητές συνήθως περιέχουν δύο μετατροπείς υπερήχων με έναν να ενεργεί ως πομπός και ο άλλος ως δέκτης. Οι δύο μορφοτροπείς θα μπορούσαν είτε να τοποθετηθούν το ένα δίπλα στο άλλο είτε σε γωνία μεταξύ τους σε αντίθετες πλευρές του δοχείου. Ο μετατροπέας εκπομπής εκπέμπει παλμούς ήχου από την επιφάνεια του αισθητήρα στο ρευστό και λαμβάνεται από τον μορφοτροπέα που ορίζεται ως δέκτης. Ο χρόνος που απαιτείται για τη μετάβαση του παλμού ήχου από τον πομπό στον δέκτη, γνωστός ως χρόνος διέλευσης, εκτιμάται και χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό του ρυθμού ροής και άλλων παραμέτρων.

Για τη δεύτερη διαμόρφωση, με τον πομπό και το δέκτη τοποθετημένα δίπλα-δίπλα, ο πομπός εκπέμπει τον παλμό του ήχου ενώ ο δέκτης παρακολουθεί τον χρόνο που χρειάζεται για να λάβει ηχώ της μετάδοσης.

Ανεξάρτητα από τη διαμόρφωση του αισθητήρα, η μέτρηση με διαφορά χρόνου διέλευσης βασίζεται στο γεγονός ότι. Τα ηχητικά κύματα που διαδίδονται προς την κατεύθυνση της ροής του μέσου κινούνται πιο γρήγορα από τα κύματα που διαδίδονται έναντι της κατεύθυνσης της ροής του μέσου. Έτσι, η διαφορά στο χρόνο διέλευσης είναι ευθέως ανάλογη με την ταχύτητα ροής του μέσου και αυτή η αρχή χρησιμοποιείται για την ακριβή μέτρηση του όγκου των αερίων και υγρών και επίσης για την παραγωγή πυκνότητας και ιξώδους.

Ενώ οι παραπάνω δύο μέθοδοι είναι οι πολύ συχνά χρησιμοποιούμενες, διαφορετικά υπερηχητικά ροόμετρα χρησιμοποιούν μια τροποποιημένη έκδοση αυτού, με βάση τον τύπο υγρού και τη μέτρηση που πρέπει να γίνει. Η παρακάτω εικόνα υπερηχητικού μετρητή νερού δείχνει πώς τοποθετούνται οι ανιχνευτές ανάντη και κατάντη μέσα σε ένα σωλήνα αισθητήρα μαζί με μερικούς ανακλαστήρες για σχεδιασμό μετρητή ροής νερού. Η πραγματική ρύθμιση του ίδιου υλικού εμφανίζεται επίσης και με τους δύο μορφοτροπείς.

Υπολογισμός του ρυθμού ροής χρησιμοποιώντας αισθητήρες υπερήχων

Για να κατανοήσετε καλύτερα τις τεχνικές που κρύβονται πίσω από αυτό, σκεφτείτε την παρακάτω εικόνα που διαθέτει την πρώτη διαμόρφωση με τους μετατροπείς πομπού (ΤΑ) και δέκτη (ΤΒ) τοποθετημένους σε γωνία απέναντι από το άλλο.

Αφήστε το χρόνο που χρειάζεται ένα ακουστικό κύμα για να ταξιδέψει από τον πομπό στον δέκτη, δηλαδή, στην κατεύθυνση ροής του μέσου να είναι T _{A –B} και ο χρόνος που χρειάζεται για να μετακινηθεί από τον μετατροπέα λήψης στον μετατροπέα εκπομπής, είναι αντίθετη προς την κατεύθυνση ροής T _{B –A}.

Η διαφορά στους δύο χρόνους διέλευσης είναι άμεσα ανάλογη με τη μέση ταχύτητα ροής, v _m του μέσου, δηλαδή

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

Δεδομένου ότι ο χρόνος διέλευσης του σήματος είναι η απόσταση μεταξύ του μετατροπέα εκπομπής και του πομπού λήψης διαιρούμενης με την ταχύτητα που χρειάζεται το ακουστικό σήμα να ταξιδεύει από τον έναν μετατροπέα στον άλλο που έχουμε

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

Και;

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

Οι εξισώσεις 2 και 3 ορίζουν το ρυθμό ροής μεταξύ του ανιχνευτή Α προς τα άνω και του μετατροπέα Β προς τα κάτω. όπου;

v = ταχύτητα ροής του μέσου, L = μήκος της ακουστικής διαδρομής, c = ταχύτητα του ήχου στο μέσο, ​​και το άλφα «α» είναι η γωνία προς το σωλήνα στην οποία ο ήχος υπερήχων ταξιδεύει από τον πομπό στον δέκτη.

Υποθέτοντας ότι η ταχύτητα του ήχου στο μέσο είναι σταθερή (δηλαδή καμία αλλαγή σε παραμέτρους όπως η πυκνότητα του υγρού, η θερμοκρασία κ.λπ.) έχουμε?

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

πολλαπλασιάζοντας τη μέση ταχύτητα με την περιοχή διατομής του σωλήνα, παίρνουμε το ρυθμό ροής, Q ως?

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

Η περιοχή διατομής του σωλήνα είναι σταθερή για έναν ενσωματωμένο υπερηχητικό μετρητή ροής με τη διάμετρο D.

Η εφαρμογή αυτών των εξισώσεων χωρίς μεταβλητές όπως η πυκνότητα, η θερμοκρασία, η πίεση, η ταχύτητα του ήχου και άλλα καθορισμένα μέσα / ρευστά χαρακτηριστικά, επιδεικνύουν τους λόγους πίσω από την ευελιξία και την ακρίβεια των υπερηχητικών μετρητών ροής.

Πλεονεκτήματα / Σημασία των υπερηχητικών μετρητών

Τα κύρια πλεονεκτήματα των υπερηχητικών μετρητών ροής πρέπει να είναι η μη επεμβατική φύση τους και η ικανότητά τους να συνεργάζονται με οποιονδήποτε τύπο υγρού (αφού η πυκνότητα και η ταχύτητα του ήχου στα υγρά δεν έχουν σημασία) Διαφορετικές ουσίες (συμπεριλαμβανομένων χημικών ουσιών, διαλυτών, λαδιών κ.λπ.) με διαφορετικές ιδιότητες μεταφέρονται και διανέμονται με συστήματα σωληνώσεων κάθε μέρα με την ανάγκη παρακολούθησης της ροής τους. Η μη επεμβατική φύση των υπερηχητικών μετρητών ροής τους καθιστά τους μετρητές goto σε καταστάσεις όπως αυτή. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο βρίσκουν εφαρμογές σε διαφορετικούς βιομηχανικούς τομείς, από τις χημικές βιομηχανίες έως την επεξεργασία τροφίμων, την επεξεργασία νερού και τον τομέα πετρελαίου και φυσικού αερίου.

Μειονεκτήματα

Το μεγαλύτερο μειονέκτημα των μετρητών ροής υπερήχων πρέπει να είναι η τιμή τους. Λόγω της πολυπλοκότητας του σχεδιασμού τους, οι μετρητές ροής υπερήχων είναι συνήθως πιο ακριβοί από τους μηχανικούς ή άλλους τύπους μετρητών, καθώς απαιτούν περισσότερες προσπάθειες και εξαρτήματα,

Εκτός από την πολυπλοκότητα και το κόστος του σχεδιασμού, τα υπερηχητικά ροόμετρα απαιτούν επίσης ένα επίπεδο εμπειρογνωμοσύνης στην εγκατάσταση / χειρισμό σε σύγκριση με τους περισσότερους άλλους τύπους μετρητών.

Κορυφαίοι υπερηχητικοί μετρητές ροής στην αγορά

Ενώ η αγορά παγκόσμιου μετρητή ροής υπερήχων αναμένεται να φτάσει τα 2 δισεκατομμύρια δολάρια ΗΠΑ έως το 2024, η αγορά γνώρισε ισχυρή ανάπτυξη τα τελευταία χρόνια, χάρη στις εφαρμογές της σε πολλές βιομηχανίες σήμερα και την εισαγωγή ορισμένων πρόσφατα βελτιωμένων παραλλαγών. Πολλοί κατασκευαστές έχουν αναπτύξει μετρητές ροής υπερήχων με προηγμένη τεχνολογία για τη βελτίωση της ακρίβειας της μέτρησης. Καθώς αυτός ο μετρητής εξυπηρετεί συγκεκριμένες λύσεις για τη βιομηχανία, οι τελευταίες εξελίξεις αναμένεται να οδηγήσουν την αγορά κατά τη διάρκεια των περιόδων πρόβλεψης. Οι κορυφαίοι υπερηχητικοί μετρητές ροής στην αγορά περιλαμβάνουν:

Υπερηχητικοί μετρητές ροής Sonic-View: Η ηχητική προβολή, μία από τις καλύτερες λύσεις για τη μέτρηση χαμηλών ροών υγρού, λειτουργεί με βάση την αρχή του χρόνου διέλευσης Οι μορφοτροπείς δεν έρχονται σε επαφή με το μέσο και δεν χρησιμοποιούνται κινούμενα μέρη μέσα στα όργανα. Αξεπέραστα χαρακτηριστικά, όπως χαμηλό κόστος ιδιοκτησίας, χρόνια λειτουργίας χωρίς συντήρηση, προστατευόμενοι μετατροπείς, κύκλος ανθεκτικού κύκλου ζωής και η αδιάφορη φύση του έναντι αιχμών πίεσης και σωματιδίων, όλα συμβάλλουν στο γιατί ο υπερηχητικός μετρητής ροής υπερήχων είναι ένας καλύτερες λύσεις στην αγορά μετρητών.

Shmeters υπερηχητικοί μετρητές νερού: Υπό διάφορες συνθήκες ροής σωλήνων, αυτός ο μετρητής υπερήχων νερού για βιομηχανικούς και εμπορικούς σκοπούς είναι ικανός να επισημαίνει τις μετρήσεις τμημάτων σχεδιασμού με την υψηλότερη δυνατή ακρίβεια μέτρησης. Ο μετρητής τροφοδοτείται με μπαταρία και μπορεί να λειτουργεί χωρίς διακοπή για 10 χρόνια με μία μόνο μπαταρία. Η κατανάλωση ισχύος είναι μικρότερη από 0,5mW. Μπορεί να συνεχίσει να λειτουργεί για μεγάλο χρονικό διάστημα χωρίς να επηρεάζεται από μαγνητικές παρεμβολές. Εν τω μεταξύ, είναι εξαιρετικά αξιόπιστο και ευαίσθητο, μια ταχύτητα ροής τόσο χαμηλή όσο 0,002m / s μπορεί να ανιχνευθεί γρήγορα.

Οι μετρητές ροής υπερήχων Sitrans FS: Παρέχουν εντυπωσιακή απόδοση για μια ποικιλία αερίων και υγρών επειδή μπορούν να λειτουργούν ανεξάρτητα από τη θερμοκρασία, το ιξώδες, την αγωγιμότητα, την πίεση, την πυκνότητα και κάτω από τις πιο δύσκολες συνθήκες. Το Sitrans FS220 υπερηφανεύεται για την καλύτερη λύση στην κατηγορία για απλές μετρήσεις ροής, καθώς οι δυνατότητές του φαίνεται να είναι ατελείωτες.

Ειδικότερα, σε εφαρμογές ποιότητας καταναλωτή, οι μετρητές υπερήχων ενισχύονται από τεχνολογίες όπως η LoRa, η οποία επιτρέπει στις δημοτικές και σχετικές αρχές να παρακολουθούν εξ αποστάσεως πράγματα όπως η κατανάλωση φυσικού αερίου και νερού. Η χαμηλή ισχύς του μέσου επικοινωνίας επιτρέπει σε αυτούς τους μετρητές να διαρκούν για 5+ χρόνια με μία μόνο φόρτιση μπαταρίας, πολύ περισσότερο από αυτό που μπορεί να επιτευχθεί με τη χρήση μηχανικών μετρητών.