Ultrazvukový prietokomer doby prechodu: Princíp činnosti, vzorec, inštalácia a výber

Táto metóda sa používa v mnohých typochultrazvukové prietokomeryod externej svorky-na prístrojoch až po inline viaccestné merače. Fyzika je jednoduchá, ale spoľahlivé meranie závisí od presných údajov potrubia, platnej akustickej dráhy, vhodných podmienok tekutiny, správneho umiestnenia snímača a reprezentatívneho profilu prietoku.

Čo je ultrazvukový prietokomer doby prechodu?

A doba prechodu ultrazvukový prietokomerje nástroj založený-na rýchlosti. Najprv meria priemernú rýchlosť tekutiny pozdĺž jednej alebo viacerých ultrazvukových dráh. Potom odhadne priemernú rýchlosť naprieč potrubím a vypočíta objemový prietok z plochy vnútorného prierezu potrubia.

Merací reťazec je:

Pošlite po prúde ultrazvukový impulz.

Zmerajte čas jeho cesty.

Pošlite ďalší impulz proti prúdu po rovnakej akustickej dráhe.

Zmerajte druhý čas cesty.

Vypočítajte rozdiel medzi týmito dvoma časmi.

Premeňte tento rozdiel na rýchlosť prúdenia.

Použiť{0}}úpravu profilu toku.

Vynásobte korigovanú rýchlosť vnútornou plochou potrubia.

Základná metóda rozdielového času prepravy-je tiež opísaná v Endress+Hauser'soficiálny prehľad ultrazvukového merania prietoku. :contentReference[oaicite:5]{index=5}

Ako funguje pracovný princíp tranzitného času

1. Dva prevodníky sa striedajú medzi vysielaním a prijímaním

Typický systém používa dva ultrazvukové prevodníky, A a B. Prevodník A odošle impulz do B a merač zaznamená čas jazdy. Úlohy sa potom obrátia: B vysiela a A prijíma. Striedanie smeru umožňuje prístroju porovnať dve merania vykonané pozdĺž takmer rovnakej akustickej dráhy a za takmer rovnakých podmienok procesu.

Keď kvapalina stojí, korigované časy pred a po prúde sú ideálne rovnaké. Akonáhle sa tekutina pohne, pulzu, ktorý sa pohybuje s prúdom, pomáha pohyb tekutiny, zatiaľ čo pulz, ktorý sa pohybuje proti prúdu, je proti nemu.

• Čas prechodu po prúde sa skráti.
• Čas prechodu proti prúdu sa predĺži.
• Znamienko časového rozdielu udáva smer prúdenia.
• Veľkosť časového rozdielu rastie s rýchlosťou.

• 

2. Časy prechodu sú prevedené na rýchlosť trasy

Pre zjednodušenú akustickú dráhu dĺžkyLpod uhlomθna os potrubia:

t_d= L / (c + v cos θ)

t_u= L / (c − v cos θ)

kde:

• t_dje čas prechodu po prúde;
• t_uje čas tranzitu proti prúdu;
• cje rýchlosť zvuku v kvapaline;
• vje príslušná zložka rýchlosti-osového prúdenia;
• Lje dĺžka akustickej dráhy cez tekutinu;
• θje uhol medzi akustickou dráhou a osou potrubia.

Kombináciou týchto dvoch rovníc získame idealizovaný pomer rýchlosti:

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

Tento formulár je užitočný, pretože bežný výraz rýchlosti zvuku-je do značnej miery odstránený diferenciálnym výpočtom. Komerčné merače stále používajú kalibráciu časovania, filtrovanie signálov, akustické{2}}korekcie geometrie a kompenzáciu-mechaniky tekutín, takže zjednodušenú rovnicu treba považovať za vysvetlenie fyziky a nie za náhradu za algoritmus výrobcu.

3. Zjednodušený číselný príklad

Predpokladajme ilustračnú dráhu tekutiny s:

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

Vypočítaný čas po prúde je približne202,606 mikrosekúnd, pričom upstream čas je približne202 800 mikrosekúnd. Rozdiel je len o0,194 mikrosekúnd. Tento príklad ukazuje, prečo záleží na rozlíšení časovania, rozpoznávaní signálu, nulovej stabilite a potlačení šumu, najmä pri nízkej rýchlosti.

Príklad je zámerne zjednodušený. V svorke-pri inštalácii musí merač počítať aj s prechodom cez klin meniča, spojovaciu vrstvu, stenu potrubia a akúkoľvek vložku pred izoláciou časti akustickej dráhy s tekutinou.

4. Rýchlosť dráhy sa prevedie na objemový prietok

Jediný zvukový lúč meria priemernú rýchlosť pozdĺž tohto lúča. Nerovná sa automaticky priemernej rýchlosti naprieč celým potrubím, pretože tekutina v blízkosti steny sa pohybuje pomalšie ako tekutina bližšie k stredu a poruchy proti prúdu môžu spôsobiť vírenie alebo asymetriu.

Vysielač preto použije korekciu profilu na odhadnutie-strednej prierezovej rýchlosti,v̄. Potom vypočíta vnútornú plochu potrubia:

A = πD_i² / 4

a objemový prietok:

Q = v̄A

kdeD_ije vnútorný priemer. Pretože plocha je úmerná druhej mocnine priemeru, malá chyba vnútorného priemeru môže spôsobiť približne dvojnásobok percentuálnej chyby vo vypočítanej ploche. To je jeden z dôvodov, prečo by menovitá veľkosť potrubia nemala byť slepo nahradená nameranými alebo overenými rozmermi potrubia.

5. Prečo na rýchlosti zvuku a pevných oneskoreniach stále záleží

Niekedy sa hovorí, že meranie času prechodu je nezávislé od rýchlosti zvuku. To je pravda len čiastočne. Rýchlosť zvuku sa do značnej miery ruší od ideálnej rovnice diferenciálnej rýchlosti, ale stále ovplyvňuje uhol lomu, očakávaný čas prechodu, vzdialenosť snímačov, identifikáciu signálu a diagnostiku.

V upínacom-systéme lúč mení smer, keď prechádza materiálmi s rôznymi akustickými rýchlosťami.Oficiálna úprava dokumentácie- spoločnosti Siemensukazuje, že uhol lomu tekutiny sa riadi Snellovým zákonom a že merač odpočítava pevné časy v senzoroch a stene potrubia od nameraného priemerného času prechodu. :contentReference[oaicite:6]{index=6}

Návod na obsluhu spoločnosti Emersontiež uvádza, že rýchlosť zvuku tekutiny sa používa na výpočet vzdialenosti prevodníka, zatiaľ čo viskozita sa berie do úvahy pri korekcii profilu a hustota sa používa pri odvodení hmotnostného prietoku. :contentReference[oaicite:7]{index=7}

6. Jedno{1}}cestné a viaccestné meranie

Jeden-merací prístroj vzorkuje jeden akustický akord. Viaccestný dizajn meria niekoľko tetiv v rôznych polohách alebo uhloch a kombinuje ich tak, aby reprezentovali viac rýchlostného profilu. To môže zlepšiť priemerovanie profilu a ak to podporuje validačný algoritmus glukomera, môže poskytnúť diagnostickú redundanciu.

A dvojkanálový ultrazvukový prietokomermôžu byť užitočné tam, kde jedna cesta dostatočne nereprezentuje proces alebo kde je potrebné monitorovať dve miesta merania. Presný prínos závisí od kanálovej architektúry nástroja, metódy váženia a konfigurácie aplikácie; pridanie kanálov automaticky neodstráni zlé podmienky inštalácie.

Svorka{0}}Zapnuté a vložené merače času prepravy

Svorka-na meradlách

A svorku-na ultrazvukovom prietokomereumiestni oba prevodníky mimo existujúceho potrubia. Signál prechádza cez stenu potrubia a kvapalinu bez toho, aby do procesu vstúpil senzor. Totonon-intruzívne ultrazvukové meranieTento prístup môže zabrániť prerezaniu potrubia, prieniku do procesu a prekážkam-spôsobeným metrom.

Spony-na merače sú užitočné najmä pri rekonštrukciách, dočasných prieskumoch, energetických auditoch, veľkých existujúcich potrubiach a aplikáciách, kde je kontakt s procesom nežiaduci. Ich výkon však do značnej miery závisí od materiálu potrubia, stavu steny, vložky, povlaku, vzdialenosti snímačov, akustickej väzby a miesta inštalácie.

Inline alebo cievkové{0}}merače kusov

Inline merače umiestňujú akustickú geometriu do účelovo{0}}vybudovaného telesa merača. Pozície prevodníkov, vnútorný priemer a uhly dráhy sú riadené dizajnom a je možné začleniť niekoľko akustických akordov. Inštalácia vyžaduje úpravu potrubia, ale riadená geometria môže byť výhodná tam, kde sa vyžaduje trvalé meranie, vyšší metrologický výkon alebo certifikácia špecifická pre aplikáciu-.

Konfigurácie montáže prevodníkov V, Z a W

V-Montáž

Oba snímače sú inštalované na rovnakej strane potrubia. Lúč prechádza tekutinou, odráža sa od protiľahlej steny a vracia sa do prijímača. V-montáž je pohodlná, pretože oba senzory sú prístupné z jednej strany a často poskytuje užitočnú rovnováhu medzi silou signálu a citlivosťou-času prenosu.

Z-Mount

Snímače sú inštalované na opačných stranách potrubia a lúč raz prejde tekutinou bez toho, aby sa odrážal od vzdialenej steny. Z-montáž skracuje akustickú cestu a znižuje prekračovanie stien. Často sa uvažuje, keď je V-cesta príliš zoslabená, keď je potrubie veľké, alebo keď nánosy, výstelka alebo podmienky tekutiny oslabujú signál.

W-Montáž

Oba snímače zostávajú na tej istej strane, ale lúč viackrát prechádza kvapalinou. Dlhšia dráha môže zvýšiť merateľný prechod{1}}časového rozdielu na malom potrubí za priaznivých akustických podmienok. Pridáva tiež odrazy a útlm, takže by sa nemal vyberať len preto, že dlhšia dráha sa javí citlivejšia. Účel-navrhnutýmalá-svorka na potrubie-na riešeniemôže poskytnúť spoľahlivejšiu geometriu ako nanútenie generického usporiadania snímača na veľmi malý priemer.

Ako zvoliť montážnu dráhu

Zadajte overený vonkajší priemer potrubia, hrúbku steny, materiál a informácie o vložke.

Vyberte správny typ prevodníka a kvapalinu.

Na získanie odporúčanej dráhy a vzdialenosti použite výpočet nastavenia merača.

Nainštalujte snímače na vypočítané referenčné body.

Skontrolujte amplitúdu signálu, kvalitu signálu a nameranú rýchlosť zvuku.

Ak je signál slabý, najskôr skontrolujte parametre, spojenie a zarovnanie; potom zvážte kratšiu alebo priamu cestu.

Prepočítajte rozstupy a zopakujte diagnostické kontroly vždy, keď sa zmení spôsob montáže.

Neexistuje žiadna univerzálna hranica priemeru, ktorá by V, Z alebo W urobila správne pre každý nástroj. Dôležitá je frekvencia snímača, stena potrubia, vložka, útlm kvapaliny a akustický model výrobcu.

Čas prechodu vs. Dopplerovo ultrazvukové meranie prietoku

Porovnanie spoločnosti Siemens vysvetľuje, že čas prechodu závisí od-prenosu, zatiaľ čo Doppler sa spolieha na zvuk odrazený od bublín alebo suspendovaných pevných látok. :contentReference[oaicite:8]{index=8} Samostatný sprievodcaDopplerov ultrazvukový prietokomerje užitočné, keď proces obsahuje dostatok reflektorov na to, aby bol-prenos nespoľahlivý.

Podmienky potrebné na spoľahlivé meranie

Potrubie by malo zostať plné

Väčšina meračov času prechodu uzavretého-potrubia predpokladá, že akustická cesta prechádza úplne zaplneným potrubím a že je známa oblasť vnútorného prietoku. Čiastočne naplnená fajka mení dráhu zvuku aj účinnú plochu. Pokiaľ nie je prístroj určený na meranie čiastočne zaplneného potrubia, výsledok môže byť nestabilný alebo neplatný.

Kvapalina a potrubie musia prenášať ultrazvuk

Impulz musí prechádzať cez stenu potrubia a tekutinu s dostatočnou energiou, aby sa dal identifikovať na prijímači. Plynové bubliny, nerozpustné pevné látky, vnútorné usadeniny, silná korózia, hrubé alebo akusticky náročné steny, niektoré vložky a zlé spojenie, to všetko môže znížiť použiteľný signál. Praktickou otázkou nie je, či je kvapalina dokonale čistá; ide o to, či je k dispozícii stabilný, správne identifikovaný vysielaný impulz v celom rozsahu podmienok procesu.

Profil toku musí byť reprezentatívny

Kolená, čerpadlá, regulačné ventily, T-kusy a redukcie môžu vytvárať vírivé alebo asymetrické profily rýchlosti. Merač by mal byť umiestnený dostatočne ďaleko od rušenia, aby sa profil mohol obnoviť, podľa príslušnej modelovej príručky. Manuál prenosného-merača od spoločnosti Emerson z roku 2025 poskytuje konkrétne príklady-modelu 10D proti prúdu a 5D po prúde po jednom 90-stupňovom kolene a 40D proti prúdu po dvoch 90-stupňových kolenách v rôznych rovinách. Tieto čísla sú príklady, nie univerzálne pravidlá. :contentReference[oaicite:9]{index=9}

Pre hlbšiu diskusiu si prečítajte akonedostatočné priame potrubie ovplyvňuje ultrazvukové meranie prietoku.

Údaje potrubia musia byť presné

Ak chcete nastaviť-nastavenie, overte:

• skutočný vonkajší priemer alebo nameraný obvod;
• hrúbka steny;
• materiál potrubia;
• materiál a hrúbka vložky;
• povrchový náter;
• identita kvapaliny a očakávaný teplotný rozsah.

Stabilný signál nedokazuje, že zadaná geometria je správna. Merač sa môže zablokovať na signál, pričom stále vypočítava nesprávnu vnútornú plochu alebo akustický uhol.

Postup inštalácie a uvedenia do prevádzky

Nasledujúca sekvencia kondenzuje to najdôležitejšiepoznámky k inštalácii ultrazvukového prietokomerudo praktického pracovného postupu.

Potvrďte vhodnosť aplikácie.Skontrolujte kvapalinu, očakávaný obsah plynu a pevných látok, rozsah prietoku, materiál potrubia, teplotu, tlak a požadovaný účel merania.

Vyberte úplné{0}}umiestnenie potrubia.Vyhýbajte sa miestam, kde sa môže zhromažďovať plyn alebo kde sediment môže pokrývať akustickú cestu. Na vodorovnom potrubí je často vhodnejšia bočná montáž ako úplne hore alebo dole.

Skontrolujte rušenia proti prúdu.Radšej sa riaďte príručkou glukomera, než aplikujte jedno priame{0}}pravidlo spustenia na každú inštaláciu.

Skontrolujte rozmery potrubia.Zmerajte hrúbku steny, keď sú záznamy neisté. Skutočný vnútorný priemer neodvodzujte len z nominálnej veľkosti.

Pripravte povrch.Odstráňte uvoľnenú hrdzu, vodný kameň, nečistoty a nestabilný povlak bez zbytočného poškodenia potrubia.

Aplikujte správnu spojku.Vzduchové medzery blokujú prenos ultrazvuku. Použite anakustický spojovací prostriedokkompatibilné s teplotou potrubia, materiálom a dĺžkou inštalácie.

Nainštalujte a zarovnajte snímače.Nastavte určené rozostupy a referenčné body, udržujte oba snímače v rovnakej akustickej rovine a zaistite ich proti vibráciám alebo pohybu.

Pred prijatím výsledku skontrolujte diagnostiku.Uistite sa, že amplitúda signálu, kvalita signálu a nameraná rýchlosť zvuku sú stabilné a hodnoverné.

Overte hodnotu prietoku.Porovnajte to s prevádzkou čerpadla, zmenou hladiny v nádrži, tepelnou bilanciou, referenčným meračom alebo iným nezávislým indikátorom procesu.

Diagnostika a odstraňovanie problémov

Diagnostické prahové hodnoty sú špecifické pre-výrobcu. „Dobrá“ hodnota číselného signálu na jednom merači nemusí znamenať to isté na inom. Použite príručku k prístroju a vyhodnoťte niekoľko indikátorov spoločne, než akceptujte hodnoverné číslo prietoku samotné. Stránka jeriešenie problémov s ultrazvukovým prietokomeromsprievodca môže podporiť ďalšiu izoláciu porúch.

Presnosť a neistota merania

Pre každý ultrazvukový merač času prechodu neexistuje jediná hodnota presnosti. Výkon závisí od konkrétneho modelu, kalibrácie, geometrie potrubia, prietokového profilu, rozsahu rýchlosti, kvality signálu a inštalácie. Karta s údajmi o produkte môže uvádzať výkon za definovaných podmienok, zatiaľ čo neistota poľa zahŕňa ďalšie účinky.

Medzi dôležitých prispievateľov neistoty patria:

• Vnútorný priemer:ovplyvňuje akustickú geometriu aj oblasť použitú v Q=v̄A.
• Údaje o stene a obložení:ovplyvňujú refrakciu, fixný čas prechodu a vzdialenosť snímačov.
• Umiestnenie snímača:chyby rozstupu a zarovnania menia predpokladanú akustickú dráhu.
• Nulový posun:sa stáva čoraz dôležitejším, keď sa rýchlosť prúdenia blíži k nule.
• Prietokový profil:vír a asymetria môžu spôsobiť, že jedna cesta nebude reprezentatívna.
• Časovanie a spracovanie signálu:ovplyvniť rozlíšenie veľmi malého{0}}časového rozdielu prepravy.
• Variácia procesu:teplota, zloženie, bubliny a usadeniny môžu zmeniť akustický signál.

Úvahy o výkonnosti na-úrovni modelu nájdete v príručke kpresnosť ultrazvukového prietokomeru. Keď sa vyžaduje sledovateľný výsledok, rozlišujte overenie inštalácie od formálnehokalibrácia prietokomeru. NIST popisuje kalibrácie prietoku-kvapalínzaložené na objemových a gravimetrických primárnych štandardoch, čo ilustruje, prečo musí byť kalibrácia spojená s definovanou referenciou a neistotou. :contentReference[oaicite:10]{index=10}

Výhody a obmedzenia

Hlavné výhody

• Žiadny rotačný alebo vratný merací prvok.
• Obojsmerné meranie od znamienka{0}}časového rozdielu tranzitu.
• Žiadna ďalšia prekážka alebo merač-spádu telesa pre externú svorku-pri inštalácii.
• Dodatočné meranie bez procesného kontaktu vo vhodných aplikáciách.
• Užitočná akustická diagnostika vrátane nameranej rýchlosti zvuku a kvality signálu.
• Potenciál pre prenosné prieskumy, trvalé monitorovanie a viaccestné meranie.

Hlavné obmedzenia

• Nadmerné bubliny, pevné látky alebo akustický útlm môžu brániť prenosu-.
• Upevnenie-výsledkov závisí od presných údajov rúr a vložiek.
• Nesprávne rozmiestnenie, zarovnanie alebo spojenie môže spôsobiť veľké chyby.
• Jedna dráha môže byť citlivá na vírivý a asymetrický tok.
• Niektoré viacvrstvové, betónové, silne ošúchané alebo silne skorodované rúry sa ťažko merajú.
• Bežné uzavreté-potrubné merače nie sú určené pre čiastočne zaplnené potrubia, pokiaľ nie sú špeciálne navrhnuté na túto úlohu.

Typické aplikácie

Spoločnéaplikácie ultrazvukových prietokomerovzahŕňajú:

• pitná, surová a technologická voda;
• systémy na studenú-vodu a teplú{1}vodu;
• diaľkové vykurovanie a chladenie;
• vodné{0}okruhy elektrárne;
• upravená odpadová voda s obmedzeným prevzdušňovaním a pevnými látkami;
• oleje, uhľovodíky a kompatibilné procesné kvapaliny;
• tekuté chemikálie;
• vyvažovanie systému, testovanie čerpadiel a energetické audity;
• dočasné overovanie a prieskumy riešenia problémov.

A prenosný ultrazvukový prietokomerje často užitočná na dočasné merania, ale vhodnosť aplikácie by mala byť založená skôr na skutočných podmienkach potrubia a akustických podmienkach ako na samotnom názve kvapaliny. Potravinárske, farmaceutické aplikácie a aplikácie s vysokou-čistotou tiež vyžadujú kontrolu hygienického dizajnu, kompatibility materiálov a požiadaviek na validáciu; externý bez{2}}kontaktný snímač sám o sebe nespĺňa podmienky na inštaláciu pre každý regulovaný proces.

Ako vybrať ultrazvukový prietokomer času prechodu

Pred výberom glukomera zdokumentujte nasledovné:

Je kvapalina dostatočne akusticky priepustná vo všetkých prevádzkových podmienkach?

Môžu sa bubliny plynu, pevné látky alebo zmeny zloženia počas prevádzky zvyšovať?

Zostane potrubie úplne plné?

Je uprednostňovaná svorka-pri inštalácii alebo je prijateľný inline meter?

Aký je skutočný vonkajší priemer, hrúbka steny, materiál a vložka?

Aké sú minimálne, normálne a maximálne rýchlosti?

Je možný spätný tok?

Je postačujúca jedna akustická cesta alebo je potrebné viaccestné spriemerovanie?

Aké teplotné, nebezpečné-oblasti a environmentálne schválenia sa vyžadujú?

Aké výstupy a komunikácie sú potrebné?

Použije sa výsledok na indikáciu, kontrolu, monitorovanie energie, overenie alebo vyúčtovanie?

Aká diagnostika je k dispozícii na preukázanie platnosti akustického signálu?

Nevyberajte len z menovitého priemeru potrubia alebo čísla presnosti nadpisu. Merač, frekvencia prevodníka, montážna dráha, podmienky procesu, geometria inštalácie a požadovaná neistota sa musia posudzovať spoločne.

Záver

Ultrazvukový prietokomer doby prechodu dokáže viac než len porovnávať dva časy impulzov. Oddeľuje čas prechodu tekutiny od pevných akustických oneskorení, odvodzuje rýchlosť dráhy, koriguje rýchlostný profil potrubia a prevádza korigovanú rýchlosť na objemový prietok.

Princíp je robustný, keď potrubie zostáva plné, signál môže prechádzať potrubím a tekutinou, geometria je známa, snímače sú správne namontované a profil prúdenia je reprezentatívny. Pred výberom modelu si zaznamenajte stav kvapaliny, konštrukciu potrubia, rozsah prietoku, usporiadanie inštalácie, diagnostické požiadavky a zamýšľané použitie merania. Tieto informácie sú cennejšie ako výber z veľkosti potrubia alebo samotnej špecifikácie nadpisu.