Ультразвуковий витратомір. Погляд усередину

Від нафтохімічної промисловості до очищення стічних вод вимір витрат є невід'ємною частиною багатьох галузей промисловості. Існує кілька способів вимірювання витрати, кожен із яких використовує свій тип технології. Як приклади можна навести механічні, електромагнітні, турбінні та вихрові витратоміри. Хоча ці традиційні методи дуже ефективні, вони завжди є найкращим варіантом для конкретного застосування.

У певних ситуаціях традиційні прилади для вимірювання витрати з рухомими чи інтрузивними частинами можуть бути небажаними. У багатьох випадках може бути корисним неінвазивний та довговічний метод вимірювання витрати. Ультразвукові витратоміри ідеально відповідають цим вимогам. Ультразвукові витратоміри вимірюють витрату без необхідності контакту із вмістом труби. Деякі ультразвукові витратоміри є неруйнівними, неінвазивними накладними витратомірами. Хоча ультразвукові витратоміри здаються ідеальними, у них все ж таки є недоліки. При виборі витратоміра важливо розуміти переваги та недоліки кожного варіанту.

Що таке ультразвукові витратоміри?

Ультразвукові витратоміри, як випливає з назви, це витратоміри, що використовують звукові хвилі для вимірювання витрати. Ці витратоміри кріпляться всередині або зовні труби і при активації передають ультразвукові хвилі з одного боку витратоміра на іншу. Ці хвилі, що передаються, потім збираються і вимірюються для визначення витрати.

Існує кілька типів витратомірів, але вони працюють за одним і тим же принципом. Деякі з них можна вставляти у трубу або приєднувати безпосередньо до неї. Деякі моделі можна навіть закріпити зовні труби за допомогою затискачів - такий тип ультразвукового перетворювача називається накладним витратоміром.

Як працюють ультразвукові витратоміри?

Хоча всі ультразвукові витратоміри працюють на звукових хвилях, принцип їхньої роботи неоднаковий. Існує два основних типи витратомірів, які трохи різняться за способом передачі та вимірювання звукових хвиль: доплерівські та часопрольотні:

• Витратоміри типу Доплера: Витратоміри типу Доплера працюють на ефекті Доплера. Витратомір пропускає звукову хвилю через рідину та вимірює її відображення. Коли рідина нерухома, частота відбитого звуку однакова. Однак, якщо рідина рухається, частота відбитої хвилі відрізняється - цей ефект називається ефектом Доплера і може бути використаний для розрахунку витрати.

• Витратоміри часу: У витратомірах часу прольоту ультразвукові хвилі посилаються в протилежних напрямках по діагоналі - один сигнал посилається вгору по потоку, а інший - вниз по потоку. Різниця в часі, необхідна цим сигналам для досягнення протилежної сторони, використовується для вимірювання витрат. В умовах відсутності потоку результати вимірювань часу прольоту будуть ідентичними. У разі потоку висхідна хвиля поширюватиметься повільніше низхідної.

Обидва типи витратомірів вимірюють витрату, передаючи та приймаючи ультразвукові хвилі через трубу з рідиною. Основна відмінність між ними полягає в тому, що доплерівські витратоміри можуть вимірювати рідини з домішками і твердими частинками, тоді як ультразвукові витратоміри, що працюють за часом проходження, вимірюють переважно чисті рідини без таких частинок.

Переваги ультразвукових витратомірів

Ультразвукові витратоміри широко застосовують у різних галузях промисловості. Ось лише деякі з переваг ультразвукових витратомірів:

• Відсутність рухомих частин: традиційні механічні витратоміри вимірюють тиск за допомогою рухомих частин, які є механічними датчиками. На жаль, ці частини створюють низку проблем. Вони часто перешкоджають потоку та призводять до втрати тиску. Рухливі частини також з часом зношуються, забезпечуючи менш точні результати та вимагаючи ремонту та заміни. Оскільки в ультразвукових витратомірах немає рухомих частин, вам не потрібно турбуватися про їх зношування або засмічення.

• Низькі експлуатаційні витрати: оскільки в ультразвукових витратомірах немає рухомих частин, вони служать довго і практично не потребують обслуговування. Вони також споживають мало енергії, тому часто служать кілька років без заміни батарей.

• Цифрові та аналогові варіанти: ультразвукові витратоміри випускаються з широким діапазоном вихідних сигналів, а передові технології дозволили створити ультразвукові перетворювачі з цифровими показаннями та можливістю підключення до мережі. Це означає, що перетворювачі можуть передавати результати вимірювань у реальному часі центральну систему моніторингу.

• Висока точність: при правильному монтажі та встановленні витратоміри мають високу точність. Однак врізні та занурювальні витратоміри, як правило, точніше накладних ультразвукових витратомірів. 

Важливо відзначити, що ультразвукові витратоміри часто встановлюються усередині труб у випадках низької якості труб. Якщо якість труб задовільна, доступні ультразвукові накладні витратоміри.

Недоліки ультразвукових витратомірів

Хоча ультразвукові витратоміри мають безліч переваг, вони далекі від ідеалу. З ними пов'язані такі проблеми:

• Вищі початкові витрати: ультразвукові витратоміри значно дорожчі за багато інших вбудованих витратомірів, доступних сьогодні. Багато в чому це пов'язано із високою вартістю акустичних компонентів. Хоча ці витратоміри забезпечують довгострокову економічну вигоду, початкові витрати на їх придбання та встановлення можуть бути проблемою.

• Обмеження речовин: ультразвукові витратоміри не можна використовувати для сильно забруднених рідин або пульп. По суті, будь-який тип рідини, що не пропускає ультразвукову енергію, неможливо виміряти за допомогою ультразвукового витратоміра.

Також важливо відзначити, що ультразвукові витратоміри, встановлені в трубопроводі або всередині нього, не забезпечують тих же переваг, що й накладні ультразвукові витратоміри з точки зору економії на технічне обслуговування — для ремонту та налаштування цих витратомірів потрібно врізатися в труби та потенційно зупиняти виробництво.

Переваги та недоліки витратомірів транзитного (час-пролітного) типу

Хоча перераховані вище переваги застосовні до всіх ультразвукових витратомірів, деякі з них застосовні тільки до певних типів. Ось деякі з конкретних переваг витратомірів часу:

• Двонаправлені виміри: у той час як багато традиційних витратомірів вимірюють тільки в одному напрямку, ультразвукові часопрольотні витратоміри вимірюють витрату в обох напрямках - прямому і зворотному.

• Висока стабільність: на показання часопролітних витратомірів не впливають температура, щільність або концентрація вимірюваних рідин, що робить їх більш стабільними вимірювальними приладами.

• Можливість вимірювання витрат рідин і газів: ультразвукові витратоміри можуть використовуватися для вимірювання витрати різних рідин. Часопролітні витратоміри часто використовуються для рідин без твердих частинок, оскільки вони погано справляються із забрудненими рідинами. До деяких рідин, які зазвичай вимірюють часопролітні витратоміри, відносяться вода, розплавлена ​​сірка та кріогенні рідини. Часопролітні витратоміри здатні вимірювати навіть витрати газу та пари. Хоча часопролітні витратоміри пропонують ці переваги на додаток до переваг звичайних ультразвукових витратомірів, у них є один істотний недолік - вони вкрай обмежені в спектрі речовин, що вимірюваються. Часопролітні витратоміри надзвичайно чутливі до твердих частинок та домішок, створюючи похибки навіть від невеликих бульбашок газу. Більше того, багато виробників відзначають, що точність ультразвукових проходних витратомірів часу знижується при досягненні певного рівня концентрації бульбашок і твердих частинок. Тому для вимірювання часу пролітних витратомірів потрібні тільки чисті рідини.

Переваги та недоліки витратомірів доплерівського типу

Хоча доплерівські витратоміри не такі точні, як часопролітні витратоміри, вони перевершують їх в одному - вони здатні вимірювати витрату рідин з домішками. Витратоміри доплерівського типу використовують для вимірювання витрати тверді частинки рідини, тому їх можна застосовувати для рідин з великим вмістом твердих частинок і бульбашок повітря. Однак важливо відзначити, що можливості доплерівських витратомірів, як і раніше, обмежені, оскільки вони повинні використовуватися для рідин, здатних проводити ультразвукові хвилі.

Хоча ця перевага корисна в деяких випадках, доплерівські витратоміри мають ряд недоліків, у тому числі:

• Чутливість до зміни температури: ультразвукові перетворювачі доплерівського типу також надзвичайно чутливі до зміни температури, щільності та концентрації, що означає, що будь-які зміни вмісту труби можуть негативно вплинути на точність результатів доплерівського перетворювача.

• Обмеження по речовинах: Окрім того, що вони не підходять для роботи зі шламами, доплерівські ультразвукові витратоміри менш ефективні, коли непрозорі рідини проходять надто близько до стінки труби. Ультразвукові витратоміри зазвичай використовуються для вимірювання швидкості рідин, молекули яких здатні пропускати ультразвукові хвилі. До таких рідин належать вода, розплавлена ​​сірка, кріогенні рідини та хімічні речовини.

Переваги накладних ультразвукових витратомірів

Багато переваг технології ультразвукових витратомірів посилюються тим, що накладні датчики можна встановлювати зовні труби, а не всередині. Деякі з цих додаткових переваг включають:

• Відсутність необхідності в різанні: оскільки ультразвукові накладні перетворювачі не вимагають установки всередині труби, різання не потрібно. Труби не потрібно вимикати для встановлення нового витратоміра, що дозволяє максимально збільшити час безвідмовної роботи процесу. Це також знижує ймовірність пошкодження труби та виникнення витоку, що може суттєво вплинути на якість продукції та витрати на технічне обслуговування.

• Відсутність перешкод потоку: традиційні витратоміри часто встановлюються всередині труби для вимірювання витрат. Внутрішнє встановлення може представляти проблему через своє розташування, оскільки вона створює перешкоду в трубі. Для більш в'язких рідин це може порушити потік, потенційно захоплюючи частинки та з часом призводячи до утворення відкладень. У той час як ультразвукові витратоміри, що встановлюються всередині труби, потенційно можуть викликати цю проблему, накладні датчики її повністю усувають, встановлюючись зовні труби. • Відсутність втрат тиску: ультразвукові витратоміри не контактують з рідиною, тому ймовірність втрати тиску під час встановлення чи експлуатації виключена. Це означає, що немає потреби компенсувати втрати тиску.

• Відсутність контакту з рідинами: традиційні витратоміри, які потребують контакту з рідиною, можуть викликати багато проблем. Наявність витратоміра може призвести до забруднення або погіршення властивостей рідини в трубопроводі, що є поширеною проблемою харчової, медичної та хімічної промисловості. Крім того, витратоміри, встановлені в трубопроводах, що транспортують хімічно або фізично агресивні речовини, можуть швидко вийти з ладу, вимагаючи більш частої заміни. Накладним датчикам витрати не потрібен прямий контакт з рідиною для вимірювання витрати, тому витратомір не взаємодіє з рідиною.

• Низькі експлуатаційні витрати: ультразвукові витратоміри з накладним кріпленням не мають рухомих частин, не вимагають різання та не контактують із шкідливими речовинами, тому служать довго та практично не вимагають обслуговування. Окрім довговічності, обслуговування цих витратомірів можна проводити без зупинки виробництва чи розкриття трубопроводу. У більшості випадків новий ультразвуковий витратомір із накладними датчиками можна легко замінити на старий.

• Портативність: Хоча врізні та лінійні ультразвукові витратоміри є відмінним варіантом для більшості трубопроводів, накладні витратоміри мають додаткову перевагу — портативність.

Крім цих переваг, ультразвукові витратоміри мають відносно низьку вартість володіння порівняно з іншими, у тому числі із внутрішніми витратомірами. Хоча більш просунуті версії, як правило, вимагають більш високих початкових витрат, ультразвукові перетворювачі мають нижчі витрати на встановлення, менше витрат на технічне обслуговування та триваліший термін служби.

Недоліки ультразвукових витратомірів з накладним кріпленням

Ультразвукові витратоміри з накладними затискачами також мають ряд недоліків, таких як:

• Вимоги до стану трубопроводу: для коректної роботи ультразвукових витратомірів з накладними затискачами потрібна висока якість трубопроводу. Вони не працюватимуть на трубах, виготовлених з цементу чи бетону або їх містять. На них також негативно впливає іржа, як усередині, так і зовні труби навіть невеликі відкладення іржі можуть вплинути на результати.

• Знижена точність: порівняно з іншими ультразвуковими витратомірами, які вимірюють витрати рідини безпосередньо, без використання труби, ультразвукові витратоміри з накладними затискачами менш точні. Хоча їх точність відносно висока і менше схильна до зносу при контакті з рідинами, ця різниця може бути занадто істотною для операцій, що вимагають більшої точності.

Для багатьох операцій переваги ультразвукових витратомірів з накладними затискачами значно переважують недоліки, але перед прийняттям рішення важливо врахувати вимоги вашої галузі застосування.

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