Ultrazvukové snímače prietoku plynu, tiež známe ako ultrazvukové prietokomery plynu, predstavujú pokročilú technológiu merania pre plynné médiá (vrátane zemného plynu, stlačeného vzduchu a procesných plynov). Tieto -invazívne zariadenia využívajú ultrazvukové vlny na meranie prietoku plynu bez fyzického kontaktu s tekutým médiom, čím poskytujú vynikajúcu presnosť a spoľahlivosť v rôznych priemyselných aplikáciách. Táto príručka skúma pracovné princípy, konštrukčný návrh a praktické aplikácie ultrazvukových snímačov prietoku plynu.
Princíp činnosti ultrazvukového snímača prietoku plynu:
Jadrom ultrazvukových snímačov prietoku plynu je použitie zvukových vĺn na meranie rýchlosti plynu. Primárnou metódou je princíp tranzitného-času, kde ultrazvukové prevodníky (senzory) vysielajú impulzy, ktoré prechádzajú prúdom plynu. Dva prevodníky sú umiestnené tak, že jeden vysiela signály po prúde (s prietokom) a druhý vysiela signály proti prúdu (proti prúdu). Časový rozdiel (Δt) medzi týmito dráhami je úmerný rýchlosti plynu (V) vypočítanej pomocou nasledujúceho vzorca:
kde L je dĺžka trasy a t0 je priemerný čas prechodu. Objemový prietok sa potom vypočíta vynásobením- plochy prierezu potrubia. Ďalším variantom jeDopplerov efekt, kde sa vlny odrážajú od bublín alebo častíc v plyne a frekvenčný posun označuje rýchlosť-ideálnu pre plyny obsahujúce nečistoty. Pokročilé modely využívajú šmykové vlny na priamy prenos alebo jahňacie vlny, ktoré spôsobujú rezonanciu steny potrubia a zosilňujú signály v nízkotlakových alebo zoslabujúcich plynoch. Konfigurácie s viacerými cestami (napríklad so 4 alebo 6 cestami) spriemerujú merania naprieč potrubím na zvládnutie turbulentných alebo asymetrických tokov, čím sa zvyšuje presnosť. Tento diagram ilustrujenastavenie{0}}času prepravy, ktorá ukazuje, ako sa signály proti prúdu a po prúde líšia v závislosti od prietoku.
Štruktúra viackanálového ultrazvukového snímača prietoku plynu
Zloženie viackanálových plynových ultrazvukových prietokomerov zahŕňa hlavne štyri časti: hlavné telo ultrazvukového prietokomeru, tlakový vysielač, inteligentný vysielač teploty a prietokový počítač. Ultrazvukový prietokomer sa skladá hlavne z dvoch hlavných komponentov: Jedna je časť meracieho potrubia vybavená viacerými pármi ultrazvukových prevodníkov (známych aj ako primárny prístroj); Druhou je jednotka na spracovanie signálu (SPU) s meraním, zobrazením okamžitého prietoku a komunikačnými funkciami, bežne označovaná ako sekundárny prístroj. Nasledujúca schéma zobrazuje blokovú schému viackanálového ultrazvuku
prietokomer.
Sekundárny prístroj sa môže priamo pripojiť k snímačom tlaku plynu a teploty v potrubí a prostredníctvom internej konverzie signálu a výpočtu kompenzácie dokončiť kompenzačný účinok teploty a tlaku v potrubí na objemový prietok plynu, nezávisle dokončiť meranie objemového prietoku bez spoliehania sa na prietokový počítač. Okrem toho je možné prostredníctvom inteligentného snímača teploty a snímača tlaku prenášať digitálne signály teploty a tlaku v potrubí aj do prietokového počítača, aby sa kompenzovala okamžitá rýchlosť prúdenia a hodnoty objemového prietoku namerané sekundárnym prístrojom.
Senzorová časť viackanálového ultrazvukového prietokomeru plynu sa týka hlavne časti meracieho potrubia a štrukturálna analýza prietokomera sa týka hlavne pripojenia meracieho potrubia a inštalačných distribučných pozícií každého ultrazvukového prevodníka. Potrubie na meranie prietoku je navrhnuté a vyrobené s čelnými plochami prírub, zapojenými do priameho dopravného potrubia. V dokumente AGA č. 9 „Viackanálové ultrazvukové prietokomery na meranie prietoku zemného plynu“ formulovanom Americkou asociáciou plynu v roku 1998 výskumná práca už poukázala na to, že asymetrická distribúcia rýchlosti pretrváva od miesta výskytu až po 50 D alebo po prúde a rýchlostné profily môžu existovať pri meraní vnútorného priemeru 20 D alebo 20 D. potrubie).
Preto vo všeobecných miestach merania prietoku priemyselných plynov musí montážna poloha prietokomeru zohľadňovať vplyv komplexných stavov prietoku na meranie rýchlosti prúdenia. Podľa normy GB/T 18604-2023 sa pre polohu inštalácie viackanálových plynových ultrazvukových prietokomerov navrhujú nasledujúce odporúčania: Minimálna dĺžka priameho potrubia proti prúdu je 10D a minimálna dĺžka priameho potrubia po prúde je 5D. Toto odporúčanie možno stanoviť len vtedy, keď sú podmienky proti prúdu relatívne ideálne (ako je veľmi malá intenzita víru a mierne asymetrické rozloženie rýchlosti) a malo by sa považovať za minimálnu požiadavku na splnenie potrieb merania. Ako je znázornené na obrázku nižšie, viackanálové plynové ultrazvukové prietokomery musia brať do úvahy účinnosť šírenia ultrazvukových vĺn, pričom využívajú ultrazvukové prevodníky zabudované a inštalované na meracom potrubí.
Obrázok nižšie zobrazuje schematický diagram usporiadania kanála pre viackanálový ultrazvukový prietokomer plynu, ktorý zobrazuje štruktúru potrubia v tvare prstenca- meranú štvorkanálovým krížovým ultrazvukovým prietokomerom plynu.
Tieto 4 kanály sú usporiadané na rôznych prietokových vrstvách a kanály sa pri pohľade v smere y navzájom križujú a pri pohľade v smere z sú navzájom rovnobežné. Meracie potrubie pozostáva z kompozitného snímača so 4 kanálmi tvorenými dvojicami ultrazvukových meničov s pracovnou frekvenciou 200-250 kHz. Priemer potrubia D=300 mm a uhol φ medzi každým kanálom a axiálnym smerom je 60 stupňov.
Aplikačné scenáre štruktúry viackanálového ultrazvukového snímača prietoku plynu{0}}
Viac{0}}kanálové ultrazvukové snímače prietoku plynu sú kľúčové v odvetviach, ktoré vyžadujú presné meranie plynu:
Ropný a plynárenský priemysel: Prenos do úschovy, monitorovanie potrubí, kompresorové stanice a detekcia únikov v systémoch zemného plynu.
Chemické a petrochemické: Meranie procesných plynov v drsnom prostredí.
Výroba a výroba energie: Monitorovanie emisií, kontrola zásob a optimalizácia účinnosti.
HVAC a inžinierske siete: Prúdenie stlačeného vzduchu a bioplynu v budovách alebo čistenie odpadových vôd.
FAQ
Otázka: Ako často potrebujú ultrazvukové snímače prietoku plynu kalibráciu?
Odpoveď: Ultrazvukové snímače prietoku plynu vyžadujú počiatočnú kalibráciu pri uvedení do prevádzky, pričom rekalibrácia sa zvyčajne odporúča každých 2 až 5 rokov v závislosti od kritickosti aplikácie. Pre aplikácie prenosu do úschovy odporúča AGA-9 kalibráciu pri siedmich prietokoch: 100 %, 75 %, 50 %, 25 %, 10 %, 5 % a 2,5 % maximálneho prietoku, pričom každý testovací bod sa spriemeruje za 90 – 300 sekúnd. Výrobné variácie a rozdiely v inštalácii potrubí môžu ovplyvniť presnosť, takže kalibrácia je nevyhnutná pre optimálny výkon. Na rozdiel od mechanických meračov, ktoré sa výrazne posúvajú, ultrazvukové merače si zachovávajú stabilnú presnosť v priebehu času, pretože nemajú žiadne pohyblivé časti, čo umožňuje menej časté intervaly rekalibrácie.
Otázka: Aké sú počiatočné náklady v porovnaní s dlhodobými{0}}celkovými nákladmi na vlastníctvo?
Odpoveď: Zatiaľ čo počiatočná investícia do ultrazvukových prietokomerov môže presiahnuť tradičné merače, celkové náklady na vlastníctvo sú často nižšie v dôsledku zníženej údržby, minimálnych prestojov a predĺženej životnosti. Jediný ultrazvukový plynomer môže nahradiť dva paralelné turbínové merače (malé a hlavné záťažové koľajnice), čím sa znížia náklady na infraštruktúru. Ultrazvukové merače majú drahé počiatočné náklady, ale nižšie náklady na nastavenie ako niektoré alternatívy, s minimálnou údržbou vďaka absencii pohyblivých častí. Optimalizovaná detekcia signálu eliminuje nákladnú infraštruktúru na tlmenie hluku a znížené náklady na údržbu a opravy v meracích bodoch kompenzujú vyššie počiatočné investície. Pre aplikácie s veľkým-priemerom poskytujú svorkové-verzie značné úspory nákladov na inštaláciu.
Otázka: Aká bežná údržba je potrebná a ako často?
Odpoveď: Ultrazvukové snímače prietoku plynu sú navrhnuté na nenáročnú{0}}údržbovú prevádzku, pričom typická údržba zahŕňa čistenie čela sondy v 1-6-mesačných intervaloch v závislosti od podmienok na mieste, kontrolu systému čistenia a vzduchových filtrov a v prípade potreby občasnú rekalibráciu. V prašnom prostredí, ako sú aplikácie na odvod spalín, automatické systémy čistenia využívajúce 0,1-0,6 MPa čistého prístrojového vzduchu pri 3-6 l/min udržujú čelá snímača čisté a zabraňujú kolísaniu merania. Snímače je možné vymeniť na mieste a pod tlakom pomocou konfigurácie plug-and-play a prevádzka merača nie je priamo ovplyvnená nečistotami na stenách potrubia.
Otázka: Aké sú limity prevádzkovej teploty a tlaku pre ultrazvukové snímače prietoku plynu?
Odpoveď: Prevodníky boli vyvinuté tak, aby odolali teplotám od -260 stupňov F pre meranie LNG do 500 stupňov F pre aplikácie v elektrárňach. Moderné senzory zvyčajne zvládajú -40 stupňov až +170 stupňov (-40 stupňov F až +338 stupňov F) pre štandardné aplikácie, pričom špecializované vysokoteplotné verzie dokážu dosahovať 150 stupňov až 550 stupňov (+302 stupňov F až +1022 stupňov F). Rozsahy tlaku siahajú od 1 baru do 300 barov (14,5 až 4350 psi), pričom snímače pracujú na štandardných frekvenciách 120 alebo 200 kHz. Pre nízkotlakové aplikácie vyžaduje prenos zvuku minimálnu hustotu plynu a technológia jahňacích vĺn umožňuje meranie až po tlak blízky atmosférickému tlaku.
