Ультразвуковой расходомер. Взгляд во внутрь

От нефтехимической промышленности до очистки сточных вод, измерение расхода является неотъемлемой частью многих отраслей промышленности. Существует несколько способов измерения расхода, каждый из которых использует свой тип технологии. В качестве примеров можно привести механические, электромагнитные, турбинные и вихревые расходомеры. Хотя эти традиционные методы весьма эффективны, они не всегда являются наилучшим вариантом для конкретного применения.

В определенных ситуациях традиционные приборы для измерения расхода с подвижными или интрузивными частями могут быть нежелательны. Во многих случаях может быть полезен неинвазивный и долговечный метод измерения расхода. Ультразвуковые расходомеры идеально соответствуют этим требованиям. Ультразвуковые расходомеры измеряют расход без необходимости контакта с содержимым трубы. Некоторые ультразвуковые расходомеры представляют собой неразрушающие, неинвазивные накладные расходомеры. Хотя ультразвуковые расходомеры кажутся идеальными, у них все же есть недостатки. При выборе расходомера важно понимать преимущества и недостатки каждого варианта.

Что такое ультразвуковые расходомеры?

Ультразвуковые расходомеры, как следует из названия, — это расходомеры, использующие звуковые волны для измерения расхода. Эти расходомеры крепятся внутри или снаружи трубы и при активации передают ультразвуковые волны с одной стороны расходомера на другую. Эти передаваемые волны затем собираются и измеряются для определения расхода.

Существует несколько типов расходомеров, но они работают по одному и тому же принципу. Некоторые из них можно вставлять в трубу или присоединять непосредственно к ней. Некоторые модели можно даже закрепить снаружи трубы с помощью зажимов — такой тип ультразвукового преобразователя называется накладным расходомером.

Как работают ультразвуковые расходомеры?

Хотя все ультразвуковые расходомеры работают на звуковых волнах, принцип их работы неодинаков. Существует два основных типа расходомеров, которые немного различаются по способу передачи и измерения звуковых волн: доплеровские и времяпролетные:

• Расходомеры доплеровского типа: Расходомеры доплеровского типа работают на эффекте Доплера. Расходомер пропускает звуковую волну через жидкость и измеряет её отражение. Когда жидкость неподвижна, частота отражённого звука одинакова. Однако, если жидкость движется, частота отражённой волны отличается — этот эффект называется эффектом Доплера и может быть использован для расчёта расхода.

• Расходомеры временипролёта: В расходомерах времени пролёта ультразвуковые волны посылаются в противоположных направлениях по диагонали — один сигнал посылается вверх по потоку, а другой — вниз по потоку. Разница во времени, необходимая этим сигналам для достижения противоположной стороны, используется для измерения расхода. В условиях отсутствия потока результаты измерений времени пролёта будут идентичными. В условиях потока восходящая волна будет распространяться медленнее нисходящей.

Оба типа расходомеров измеряют расход, передавая и принимая ультразвуковые волны через трубу с жидкостью. Основное различие между ними заключается в том, что доплеровские расходомеры могут измерять жидкости с примесями и твердыми частицами, в то время как ультразвуковые расходомеры, работающие по времени прохождения, измеряют преимущественно чистые жидкости без таких частиц.

Преимущества ультразвуковых расходомеров

Ультразвуковые расходомеры широко применяются в различных отраслях промышленности. Вот лишь некоторые из преимуществ ультразвуковых расходомеров:

• Отсутствие подвижных частей: традиционные механические расходомеры измеряют давление с помощью подвижных частей, которые служат механическими датчиками. К сожалению, эти части создают ряд проблем. Они часто препятствуют потоку и приводят к потере давления. Подвижные части также со временем изнашиваются, обеспечивая менее точные результаты и требуя ремонта и замены. Поскольку в ультразвуковых расходомерах нет подвижных частей, вам не нужно беспокоиться об их износе или засорении.

• Низкие эксплуатационные расходы: поскольку в ультразвуковых расходомерах нет подвижных частей, они служат долго и практически не требуют обслуживания. Они также потребляют мало энергии, поэтому часто служат несколько лет без замены батарей.

• Цифровые и аналоговые варианты: ультразвуковые расходомеры выпускаются с широким диапазоном выходных сигналов, а передовые технологии позволили создать ультразвуковые преобразователи с цифровыми показаниями и возможностью сетевого подключения. Это означает, что преобразователи могут передавать результаты измерений в режиме реального времени в центральную систему мониторинга.

• Высокая точность: при правильном монтаже и установке расходомеры обладают высокой точностью. Однако врезные и погружные расходомеры, как правило, точнее накладных ультразвуковых расходомеров.

Важно отметить, что ультразвуковые расходомеры часто устанавливаются внутри труб в случаях низкого качества труб. Если качество труб удовлетворительное, доступны накладные ультразвуковые расходомеры.

Недостатки ультразвуковых расходомеров

Хотя ультразвуковые расходомеры обладают множеством преимуществ, они далеки от идеала. С ними связаны следующие проблемы:

• Более высокие первоначальные затраты: ультразвуковые расходомеры значительно дороже многих других встраиваемых расходомеров, доступных сегодня. Во многом это связано с высокой стоимостью акустических компонентов. Хотя эти расходомеры обеспечивают долгосрочную экономическую выгоду, первоначальные затраты на их приобретение и установку могут представлять собой проблему.

• Ограничения по веществам: ультразвуковые расходомеры нельзя использовать для сильно загрязненных жидкостей или пульп. По сути, любой тип жидкости, не пропускающий ультразвуковую энергию, невозможно измерить с помощью ультразвукового расходомера.

Также важно отметить, что ультразвуковые расходомеры, установленные в трубопроводе или внутри него, не обеспечивают тех же преимуществ, что и накладные ультразвуковые расходомеры, с точки зрения экономии на техническое обслуживание — для ремонта и настройки этих расходомеров требуется врезаться в трубы и потенциально останавливать производство.

Преимущества и недостатки расходомеров транзитного (время-пролётного) типа

Хотя вышеперечисленные преимущества применимы ко всем ультразвуковым расходомерам, некоторые из них применимы только к определенным типам. Вот некоторые из конкретных преимуществ времяпролетных расходомеров:

• Двунаправленные измерения: в то время как многие традиционные расходомеры измеряют только в одном направлении, ультразвуковые времяпролетные расходомеры измеряют расход в обоих направлениях — прямом и обратном.

• Высокая стабильность: на показания времяпролетных расходомеров не влияют температура, плотность или концентрация измеряемых жидкостей, что делает их более стабильными измерительными приборами.

• Возможность измерения расхода жидкостей и газов: ультразвуковые расходомеры могут использоваться для измерения расхода самых разных жидкостей. Времяпролетные расходомеры часто используются для жидкостей без твердых частиц, поскольку они плохо справляются с загрязненными жидкостями. К некоторым жидкостям, которые обычно измеряют времяпролетные расходомеры, относятся вода, расплавленная сера и криогенные жидкости. Времяпролетные расходомеры способны измерять даже расход газа и пара. Хотя времяпролётные расходомеры предлагают эти преимущества в дополнение к преимуществам обычных ультразвуковых расходомеров, у них есть один существенный недостаток — они крайне ограничены в спектре измеряемых веществ. Времяпролётные расходомеры чрезвычайно чувствительны к твердым частицам и примесям, создавая погрешности даже от небольших пузырьков газа. Более того, многие производители отмечают, что точность ультразвуковых времяпролётных расходомеров снижается при достижении определённого уровня концентрации пузырьков и твердых частиц. Поэтому для измерения временипролётных расходомеров требуются только чистые жидкости.

Преимущества и недостатки расходомеров доплеровского типа

Хотя доплеровские расходомеры не так точны, как времяпролетные расходомеры, они превосходят их в одном — они способны измерять расход жидкостей с примесями. Расходомеры доплеровского типа используют для измерения расхода твердые частицы в жидкости, поэтому их можно применять для жидкостей с большим содержанием твердых частиц и пузырьков воздуха. Однако важно отметить, что возможности доплеровских расходомеров по-прежнему ограничены, поскольку они должны использоваться для жидкостей, способных проводить ультразвуковые волны.

Хотя это преимущество полезно в некоторых случаях, доплеровские расходомеры имеют ряд недостатков, в том числе:

• Чувствительность к изменению температуры: ультразвуковые преобразователи доплеровского типа также чрезвычайно чувствительны к изменению температуры, плотности и концентрации, а это означает, что любые изменения содержимого трубы могут отрицательно повлиять на точность результатов доплеровского преобразователя.

• Ограничения по веществам: Помимо того, что они не подходят для работы со шламами, доплеровские ультразвуковые расходомеры менее эффективны, когда непрозрачные жидкости проходят слишком близко к стенке трубы. Ультразвуковые расходомеры обычно используются для измерения скорости жидкостей, молекулы которых способны пропускать ультразвуковые волны. К таким жидкостям относятся вода, расплавленная сера, криогенные жидкости и химические вещества.

Преимущества накладных ультразвуковых расходомеров

Многие преимущества технологии ультразвуковых расходомеров усиливаются тем, что накладные датчики можно устанавливать снаружи трубы, а не внутри. Некоторые из этих дополнительных преимуществ включают в себя:

• Отсутствие необходимости в резке: поскольку накладные ультразвуковые преобразователи не требуют установки внутри трубы, резка не требуется. Трубы не нужно отключать для установки нового расходомера, что позволяет максимально увеличить время безотказной работы процесса. Это также снижает вероятность повреждения трубы и возникновения утечки, что может существенно повлиять на качество продукции и расходы на техническое обслуживание.

• Отсутствие препятствий потоку: традиционные расходомеры часто устанавливаются внутри трубы для измерения расхода. Внутренняя установка может представлять проблему из-за своего расположения, поскольку она создает препятствие в трубе. Для более вязких жидкостей это может нарушить поток, потенциально захватывая частицы и со временем приводя к образованию отложений. В то время как ультразвуковые расходомеры, устанавливаемые внутри трубы, потенциально могут вызывать эту проблему, накладные датчики полностью ее устраняют, устанавливаясь снаружи трубы. • Отсутствие потерь давления: ультразвуковые расходомеры не контактируют с жидкостью, поэтому вероятность потери давления при установке или эксплуатации исключена. Это означает, что нет необходимости компенсировать потери давления.

• Отсутствие контакта с жидкостями: традиционные расходомеры, требующие контакта с жидкостью, могут вызывать множество проблем. Наличие расходомера может привести к загрязнению или ухудшению свойств жидкости в трубопроводе, что является распространенной проблемой в пищевой, медицинской и химической промышленности. Кроме того, расходомеры, установленные в трубопроводах, транспортирующих химически или физически агрессивные вещества, могут быстро выйти из строя, требуя более частой замены. Накладным датчикам расхода не требуется прямой контакт с жидкостью для измерения расхода, поэтому расходомер не взаимодействует с жидкостью.

• Низкие эксплуатационные расходы: ультразвуковые расходомеры с накладным креплением не имеют подвижных частей, не требуют резки и не контактируют с вредными веществами, поэтому служат долго и практически не требуют обслуживания. Помимо долговечности, обслуживание этих расходомеров можно проводить без остановки производства или вскрытия трубопровода. В большинстве случаев новый ультразвуковой расходомер с накладными датчиками можно легко заменить на старый.

• Портативность: Хотя врезные и линейные ультразвуковые расходомеры являются отличным вариантом для большинства трубопроводов, накладные расходомеры обладают дополнительным преимуществом — портативностью.

Помимо этих преимуществ, ультразвуковые расходомеры имеют относительно низкую стоимость владения по сравнению с другими, в том числе с внутренними расходомерами. Хотя более продвинутые версии, как правило, требуют более высоких первоначальных затрат, ультразвуковые преобразователи имеют более низкие затраты на установку, меньше расходов на техническое обслуживание и более длительный срок службы.

Недостатки ультразвуковых расходомеров с накладным креплением

Ультразвуковые расходомеры с накладными зажимами также имеют ряд недостатков, таких как:

• Требования к состоянию трубопровода: для корректной работы ультразвуковых расходомеров с накладными зажимами необходимо высокое качество трубопровода. Они не будут работать на трубах, изготовленных из цемента или бетона или содержащих их. На них также негативно влияет ржавчина, как внутри, так и снаружи трубы — даже небольшие отложения ржавчины могут повлиять на результаты.

• Сниженная точность: по сравнению с другими ультразвуковыми расходомерами, которые измеряют расход жидкости напрямую, без использования трубы, ультразвуковые расходомеры с накладными зажимами менее точны. Хотя их точность относительно высока и меньше подвержена износу при контакте с жидкостями, эта разница может быть слишком существенной для операций, требующих большей точности.

Для многих операций преимущества ультразвуковых расходомеров с накладными зажимами значительно перевешивают недостатки, но перед принятием решения важно учесть требования вашей области применения. 

https://gtest.com.ua/izmeritelnye-pribory/rashodomery-ultrazvukovye