Що таке ультразвуковий витратомір та як правильно його застосовувати?

Ультразвукові витратоміри призначені для об'ємної витрати середовища вимірювання, є не інтрузивними датчиками витрати, які використовують акустичні коливання для вимірювання витрати рідини. Існує два типи витратомірів, побудованих на ультразвуковій технології вимірювань: доплерівські та транзитні.

Ультразвукові витратоміри ідеально підходять для автоматизованих додатків при вимірюваннях витрат стічних вод чи будь-якої брудної рідини, що проводить ультразвук. Ультразвукові витратоміри призначені для вимірювання середовищ на водній основі, але, як правило, не працюють з дистильованою водою або питною водою. Ці витратоміри також ідеально підходять для додатків, де є низький перепад тиску, хімічні особливості середовища вимірювань і коли є вимоги до простоти обслуговування.

У 1842 році Крістіан Допплер виявив, що нерухомий спостерігач сприймає звук як такий, що має короткі довжини хвиль у міру наближення його джерела і довші хвилі в міру видалення джерела.

Це стало відомо як ефект Допплера і пояснює, чому ми чуємо підвищення тону в гудку автомобіля, що наближається. Коли автомобіль видаляється, висота тону, здається, знижується. Ультразвукові допплерівські витратоміри використовують це зсув частоти в так званих брудних рідинах, що містять акустичні неоднорідності - або зважені частинки, захоплені газові бульбашки або вихори турбулентності.

Як працює ультразвуковий витратомір?

Технологія ультразвукового витратоміра – це безконтактний засіб вимірювання швидкості рідини. Затискні пристрої (датчики або перетворювачі) кріпляться до зовнішньої сторони труби (підходять для труб різних розмірів, що зазначено в специфікаціях на ці перетворювачі), тим самим дозволяють вимірювати їдкі рідини без пошкодження самого ультразвукового датчика.

Для промислового застосування доступні портативні ультразвукові витратоміри.

Портативний витратомір TUF2000H у практичному застосуванні

Два типи ультразвукових витратомірів, доплерівські та час перехідні, працюють за двома різними технологіями. Доплерівський ультразвуковий витратомір повинен мати частинки або бульбашки для відображення ультразвукових сигналів. Необхідно враховувати нижні межі концентрацій та розмірів твердих частинок або бульбашок, а рідина повинна текти з досить високою швидкістю, щоб утримувати тверді частинки у зваженому стані.

При передачі в трубу, що містить поточну рідину з такими розривами, ультразвуковий імпульс або промінь відбивається від них зі зміною частоти, яка прямо пропорційна витраті рідини. Таким чином, ультразвуковий доплерівський витратомір обчислює витрату рідини за швидкістю розривів, а не за швидкістю рідини.

Принципи роботи ультразвуку

Основний принцип роботи приладу базується на зрушенні частоти (ефект Доплера) ультразвукового сигналу, коли він відображається від зважених частинок, що рухаються, або бульбашок газу (розривів). Цей метод вимірювання використовує фізичне явище звукової хвилі, яка змінює частоту, коли вона відбивається від розривів, що рухаються в поточній рідині. Ультразвук прямує в трубу з поточними рідинами, а розриви відбивають ультразвукову хвилю з трохи іншою частотою, яка прямо пропорційна швидкості потоку рідини. Сучасна технологія вимагає, щоб рідина містила не менше 100 частин на мільйон (PPM) зважених частинок або бульбашок розміром 100 мікрон або більше.

Ще раз:

Ультразвуковий витратомір Доплера працює за цим принципом (ефекту Доплера), який є фізичним явищем зміни частоти звукової хвилі. У разі ультразвукових витратомірів частота ультразвукового сигналу змінюється (знову ж таки: ефект Доплера) прямо пропорційно швидкості потоку рідини при відображенні від зважених частинок, що рухаються, або бульбашок газу (розривів).

Зазвичай ультразвуковий доплерівський витратомір складається з передавача/індикатора/суматора та перетворювачів. Користувач вибирає конфігурацію, що відповідає застосуванню, беручи до уваги тип рідини, розмір і концентрацію твердих частинок або бульбашок, розміри труби та її футерування. Поріг сигналу передавача зазвичай регулюється для фільтрації механічних та електричних перешкод.

Високочастотний генератор у передавачі керує перетворювачем, який у відомій конструкції із затискачем монтується на зовнішній стороні труби. Перетворювач генерує ультразвуковий сигнал, який проходить через стінку труби у поточну рідину; передавач перетворює різницю між його вихідною та вхідною частотами в електронні імпульси. Оброблені, масштабовані та сумовані імпульси забезпечують вимірювання витрати.

Ультразвукові доплерівські витратоміри, що кріпляться на зовнішній стороні труби, працюють не інвазивно, без рухомих частин. Вони не викликають падіння тиску, не ризикують бути пошкодженими технологічною рідиною та вимагають мінімального обслуговування. При правильному калібруванні вони можуть мати точність ±1%, проте стінка труби та будь-який повітряний простір між стінкою та рідиною можуть створювати перешкоди сигналу. Тим не менш, стінка труби з нержавіючої сталі може проводити сигнал, що передається, до такого ступеня, що відбитий сигнал здаватиметься зазнавши значного зрушення.

Ультразвукові витратоміри часу проходження вимірюють різницю у часі між передачею ультразвукового сигналу від першого перетворювача та його отриманням другим перетворювачем. Проводиться диференціальне порівняння вимірювань вгору і вниз потоком (див. малюнок вище). Якщо потоку немає, час проходження буде однаковим в обох напрямках. За наявності потоку звук рухається швидше, якщо рухається у тому напрямі, і повільніше, якщо рухається проти нього.

Ще один тип ультразвукового витратоміра застосовує принцип взаємної кореляції між парами датчиків вгору та вниз потоком для обчислення витрати. Деякі витратоміри цієї конструкції використовують мікропроцесори для автоматичного перемикання між чистим і брудним режимами на основі коефіцієнтів кореляції. Одиночний гібридний витратомір із взаємною кореляцією може, наприклад, контролювати потік активованого або збродженого мулу. Ретельно спроектовані програми з використанням таких витратомірів показали встановлену точність у межах 0,5% від показань.

Вибір правильного ультразвукового витратоміра

Ультразвукові витратоміри також ідеально підходять для застосування, де потрібен низький перепад тиску та потрібне мінімальне обслуговування. Ультразвуковий доплерівський витратомір - це витратомір для вимірювання об'ємної витрати, який ідеально підходить для аерованих рідин, таких як стічні води або шлами. Ультразвукові витратоміри часу проходження ідеально підходять для рідких рідких застосувань, таких як вода і масло.

Існує три основні типи ультразвукових витратомірів. Такі фактори, як тип вихідного сигналу (аналоговий або цифровий), розмір труби, мінімальна і максимальна температура процесу, тиск і швидкість потоку можуть вплинути на те, який ультразвуковий витратомір підійде для вашого застосування.

Варіанти технології вимірювання ультразвуком

Ультразвукові витратоміри Clamp-on (затискного типу) випускаються у версіях з одним або двома датчиками. У версії з одним датчиком передавальний та приймаючий кристали залиті в той самий корпус датчика, який кріпиться до однієї точки поверхні труби.

Для ультразвукового з'єднання датчика із трубою використовується сполучний компаунд. У версії з двома датчиками передавальний кристал знаходиться в одному корпусі датчика, а кристал, що приймає, - в іншому. Доплерівські витратоміри Clamp-on схильні до перешкод від самої стінки труби, а також від будь-якого повітряного простору між датчиком і стінкою. Якщо стінка труби виготовлена з нержавіючої сталі, вона може проводити сигнал, що передається, досить далеко, так що повертається луна буде зміщено достатньо, щоб перешкодити показанням. У мідних, бетонних, пластикових та армованих скловолокном трубах також є вбудовані акустичні неоднорідності. Вони досить значні, щоб або повністю розсіяти сигнал, що передається, або послабити зворотний сигнал. Це значно знижує точність витратоміра (навіть до ±20%), і в більшості випадків накладні витратоміри взагалі не працюватимуть, якщо труба має футерування.

Як встановити ультразвуковий витратомір

Як доплерівські, так і транзитні витратоміри призначені для кріплення на зовнішній стороні труби без розриву лінії або переривання потоку. Це також усуває втрати тиску та запобігає витокам, які є звичайним явищем для вбудованих витратомірів.

Точність ультразвукового витратоміра залежить від правильного монтажу. Великі перепади температури у трубі або значна вібрація можуть вплинути на вирівнювання перетворювачів та акустичну зв'язок із трубою. У більшості випадків ультразвукові витратоміри взагалі не працюватимуть, якщо труба фанерована такими матеріалами, як мідь, бетон, пластик або скловолокно. Ці фактори необхідно враховувати під час встановлення. Крім того, для забезпечення точної об'ємної витрати всі ультразвукові витратоміри вимагають заповнених труб.

Застосування ультразвуку у промисловості. Висновки

Ультразвукові витратоміри широко використовуються в різних промислових додатках - і ідеально підходять для багатьох додатків, оскільки вони вимірюють потік за допомогою звуку і не є інвазивними. Ультразвукові витратоміри в основному використовуються в нафтовій та газовій промисловості. Вони також використовуються в хімічній, фармацевтичній, харчовій, металургійній, гірничодобувній, целюлозно-паперовій та очисних спорудах.

Більш детально вся викладена вище інформація присутня на картках товарів: https://gtest.com.ua/izmeritelnee-pribory/rashodomery-ultrazvukovye  , а також у перекладеній російською мовою Інструкції з Експлуатації. 

Технологам необхідно точно знати, що вони збираються вимірювати, головне: тип середовища вимірювань (однорідна, неоднорідна, перепади тиску, наявність мікрочастинок), матеріал труби і місце установки як витратоміра взагалі, так і перетворювачів.