Принцип роботи ультразвукового витратоміра води та інших середовищ вимірювань

Більшість ультразвукових витратомірів працюють методом часу проходження. Можливо, ви чули про ефект Доплера при вимірі витрати, але у світі витратомірів час проходження – це основний метод.

"Час проходження" означає: ультразвукові витратоміри використовують ультразвукові датчики, встановлені зовні водопровідної труби, для випромінювання звукових хвиль і вимірювання швидкості звукових хвиль у воді (або іншому середовищі). Вимірюючи різницю швидкостей між висхідним і низхідним потоками середовища вимірювання, обчислюється швидкість потоку і, отже, витрата.

Що всередині ультразвукового витратоміра води:

Ультразвукові перетворювачі: Це основні компоненти ультразвукового лічильника води, що відповідають за передачу та прийом ультразвукових сигналів для вимірювання витрати рідини.

Перетворювачі (датчики) накладні з фіксацією на магніті (труба металева) або за допомогою спеціальних хомутів  (активувати гіперпосилання)

Ультразвуковий накладний датчик призначений для встановлення на труби діаметром від 25 до 100 мм (в даному випадку) виконаний з корозійно-стійких матеріалів, має невелику вагу та зручний при монтажі. (активувати гіперпосилання)

Мікропроцесор/блок обробки сигналів: Цей блок обробляє дані, зібрані датчиками, виконуючи обробку сигналів, фільтрацію, аналого-цифрове перетворення та інші операції, перетворюючи оброблені дані в інформацію про витрату.

Вимірювальна трубка/канал: Ця трубка забезпечує потік води та використовується для встановлення ультразвукового перетворювача, що використовується для вимірювання швидкості води.

TUF2000B витратомір ультразвуковий, захист IP67 (активувати гіперпосилання)

Дисплей: На ньому відображаються показання лічильника, такі як витрати та сумарні витрати, доступні для перегляду користувачем.

Модуль зв'язку: Це засіб передачі даних між ультразвуковим лічильником води та зовнішніми пристроями (наприклад, головним комп'ютером або віддаленим сервером), що забезпечує віддалений моніторинг та керування даними.

Корпус: Захищає внутрішні компоненти лічильника води та, як правило, виготовлений з водонепроникних високоякісних матеріалів.

Блок живлення: Цей блок забезпечує електроживлення ультразвукового лічильника води.

Принцип роботи ультразвукового витратоміра води та процес розрахунку витрати

Як згадувалося на початку статті, принцип роботи ультразвукових витратомірів ґрунтується на методі часу проходження. Його основна ідея полягає в розрахунку витрати шляхом вимірювання різниці в часі між ультразвуковими хвилями, що поширюються потоком рідини і проти нього. Нижче ми докладно пояснимо принцип роботи ультразвукових витратомірів та процес розрахунку витрати:

Це спрощене зображення взяте з Інтернету для довідки.

Крок 1: Передача та прийом сигналу

Ультразвуковий витратомір води містить кілька ультразвукових перетворювачів (зазвичай дві або більше пар), розташованих до та після труби. Ці перетворювачі передають та приймають ультразвукові сигнали. Один перетворювач випромінює ультразвуковий сигнал, а інший приймає.

Крок 2: Поширення сигналу та вимірювання різниці в часі

Коли ультразвуковий сигнал поширюється на рідини, швидкість його поширення залежить від швидкості потоку. Ультразвукові хвилі поширюються швидше вниз потоком (у тому напрямі, як і потік рідини), ніж вгору потоком (проти потоку рідини). Отже, існує різниця у часі поширення між потоком та потоком, яка називається різницею часу проходження.

Крок 3: Обробка даних та розрахунок

Ультразвуковий витратомір води вимірює різницю в часі поширення між потоками вниз і вниз по потоку і, у поєднанні з геометричними параметрами труби (такими як діаметр труби, відстань між перетворювачами і т. д.), розраховує швидкість потоку за допомогою математичної моделі. Співвідношення між швидкістю потоку та різницею в часі зазвичай виражається такою формулою:

vm = L2cos⁡φ×(1ts−1tr)

Де:

vm = Середня осьова швидкість рідини

L = Довжина шляху ультразвуку

φ = Кут шляху ультразвуку

tr = Час поширення ультразвукової хвилі в рідині нижче потоку (від A до B)

ts = Час поширення ультразвукової хвилі в рідині вище потоку (від B до A)

Крок 4: Розрахунок витрати

Після визначення швидкості рідини та площі поперечного перерізу труби A можна розрахувати миттєву витрату.

Розрахунок площі труби:

А=πD24

Де:

A = площа поперечного перерізу труби

D = внутрішній діаметр труби

Розрахунок витрати

Q=∫K×vm×S×dt

Де:

K = коефіцієнт розподілу швидкості

dt = інтеграл за часом

S = площа поперечного перерізу ділянки труби

Сумарні витрати також можна отримати шляхом інтегрування або накопичення.

Принципи роботи: ультразвукові та механічні лічильники води

Відмінності в принципах роботи ультразвукових та механічних водолічильників призводять до відмінностей у їхніх робочих характеристиках, зокрема, у точності та втратах тиску.

Механічні водолічильники працюють на основі обертання механічних рухомих частин (таких як робочі колеса або шестерні), вимірюючи витрату води шляхом вимірювання об'єму чи швидкості рідини. Рух механічних частин робить їх схильними до зносу, засмічення та інших перешкод, що призводить до зниження точності. Крім того, наявність рухливих частин та пристроїв, що створюють опір потоку, призводить до значних втрат тиску та підвищеного енергоспоживання.

Ультразвукові водолічильники працюють за принципом часу розповсюдження ультразвуку, передаючи та приймаючи ультразвукові сигнали для вимірювання швидкості потоку води та, таким чином, розрахунку витрати. Основний принцип полягає у використанні різниці в часі поширення ультразвукової хвилі по потоку та проти нього для розрахунку швидкості потоку і, отже, витрати. Ультразвукові водолічильники не мають рухомих частин, тому їхня точність залишається стабільною в процесі експлуатації і не знижується з часом. Вони також мають такі переваги, як відсутність опору потоку, мінімальні втрати тиску та низьке енергоспоживання. Крім того, їх низька початкова витрата та широкий діапазон роблять їх особливо ефективними при вимірі малих витрат, знижуючи похибки виміру.

Короткі порівняння:

Магазин Gtest® - авторизований постачальник витратомірів в Україну: https://gtest.com.ua/izmeritelnye-pribory/rashodomery-ultrazvukovye