Ultrazvočni senzorji pretoka plina, znani tudi kot ultrazvočni merilniki pretoka plina, predstavljajo napredno merilno tehnologijo za plinske medije (vključno z zemeljskim plinom, stisnjenim zrakom in procesnimi plini). Te ne-invazivne naprave uporabljajo ultrazvočne valove za merjenje pretoka plina brez fizičnega stika s tekočim medijem, kar zagotavlja odlično natančnost in zanesljivost v različnih industrijskih aplikacijah. Ta priročnik raziskuje načela delovanja, konstrukcijsko zasnovo in praktično uporabo ultrazvočnih senzorjev pretoka plina.
Načelo delovanja ultrazvočnega senzorja pretoka plina:
Jedro ultrazvočnih senzorjev pretoka plina je uporaba zvočnih valov za merjenje hitrosti plina. Primarna metoda je načelo tranzitnega-časa, kjer ultrazvočni pretvorniki (senzorji) oddajajo impulze, ki potujejo skozi tok plina. Dva pretvornika sta nameščena tako, da eden pošilja signale navzdol (s tokom), drugi pa pošilja signale navzgor (proti toku). Časovna razlika (Δt) med temi potmi je sorazmerna s hitrostjo plina (V), izračunano z naslednjo formulo:
kjer je L dolžina poti in t0 povprečni čas prehoda. Volumetrični pretok se nato izračuna tako, da se pomnoži s-ploščino preseka cevi. Druga varianta jeDopplerjev učinek, kjer se valovi odbijajo od mehurčkov ali delcev v plinu, frekvenčni premik pa kaže hitrost-, ki je idealna za pline, ki vsebujejo nečistoče. Napredni modeli uporabljajo strižne valove za neposreden prenos ali Lambove valove, ki povzročijo odmev v steni cevi za ojačanje signalov pri nizkem{2}}tlaku ali dušilnih plinih. Več{4}}konfiguracije poti (kot so 4 ali 6 poti) povprečne meritve po cevi za obvladovanje turbulentnih ali asimetričnih tokov, izboljšanje natančnosti. Ta diagram ponazarjanastavitev-tranzitnega časa, ki prikazuje, kako se signali navzgor in navzdol razlikujejo glede na pretok.
Struktura več-kanalnega ultrazvočnega senzorja pretoka plina
Sestava več-kanalnih ultrazvočnih merilnikov pretoka plina vključuje predvsem štiri dele: glavno telo ultrazvočnega merilnika pretoka, tlačni oddajnik, inteligentni temperaturni oddajnik in računalnik pretoka. Ultrazvočni merilnik pretoka je v glavnem sestavljen iz dveh glavnih komponent: ena je odsek merilne cevi, opremljen z več pari ultrazvočnih pretvornikov (znan tudi kot primarni instrument); Druga je enota za obdelavo signalov (SPU) z merjenjem, prikazom trenutnega pretoka in komunikacijskimi funkcijami, običajno imenovana sekundarni instrument. Naslednji diagram prikazuje blokovni diagram več-kanalnega ultrazvoka
merilnik pretoka.
Sekundarni instrument se lahko neposredno poveže s senzorji tlaka plina in temperature v cevovodu ter z notranjo pretvorbo signala in izračunom kompenzacije dokonča kompenzacijski učinek temperature in tlaka v cevovodu na volumetrični pretok plina, pri čemer neodvisno zaključi merjenje volumetričnega pretoka brez zanašanja na pretočni računalnik. Poleg tega se prek inteligentnega oddajnika temperature in oddajnika tlaka digitalni signali temperature in tlaka v cevovodu lahko prenesejo tudi na pretočni računalnik za kompenzacijo trenutne vrednosti hitrosti pretoka in volumskega pretoka, ki jih meri sekundarni instrument.
Senzorski del več-kanalnega ultrazvočnega merilnika pretoka plina se v glavnem nanaša na del merilnega cevovoda, strukturna analiza senzorja pretoka pa se nanaša predvsem na povezavo merilnega cevovoda in položaje porazdelitve namestitve vsakega ultrazvočnega pretvornika. Cevovod za merjenje pretoka je zasnovan in izdelan s čelnimi ploskvami prirobnic, povezanih v ravni transportni cevovod. V dokumentu AGA št. . 9 "Večkanalni ultrazvočni merilniki pretoka za merjenje pretoka zemeljskega plina", ki ga je oblikovalo Ameriško združenje za plin leta 1998, je raziskovalno delo že poudarilo, da asimetrična porazdelitev hitrosti vztraja od točke pojavljanja do 50D ali navzdol, profili hitrosti z vrtinci pa lahko obstajajo pri 200D ali dlje (D je notranji premer merilnega cevovoda).
Zato mora na mestih za splošno industrijsko merjenje pretoka plina položaj namestitve merilnika pretoka upoštevati vpliv kompleksnih stanj pretoka na merjenje hitrosti pretoka. V skladu s standardom GB/T 18604-2023 so predlagana naslednja priporočila za položaj namestitve več-kanalnih ultrazvočnih merilnikov pretoka plina: Najmanjša dolžina ravne cevi navzgor je 10D in najmanjša dolžina ravne cevi navzdol je 5D. To priporočilo je mogoče določiti le, če so razmere navzgor razmeroma idealne (kot je zelo majhna intenzivnost vrtinčenja in rahlo asimetrična porazdelitev hitrosti) in ga je treba obravnavati kot minimalno zahtevo za izpolnitev potreb po meritvah. Kot je prikazano na spodnji sliki, morajo večkanalni ultrazvočni merilniki pretoka plina upoštevati učinkovitost širjenja ultrazvočnih valov in uporabiti ultrazvočne pretvornike, ki so vgrajeni in nameščeni na merilnem cevovodu.
Spodnja slika prikazuje shematski diagram razporeditve kanala za več-kanalni ultrazvočni senzor pretoka plina, ki ponazarja obročasto{1}}oblikovano strukturo cevovoda, izmerjeno s štiri-kanalnim navzkrižnim ultrazvočnim merilnikom pretoka plina.
Štirje kanali so razporejeni na različnih pretočnih plasteh, kanali pa se križajo, gledano v smeri y, in so vzporedni drug z drugim, gledano v smeri z. Merilni cevovod je sestavljen iz sestavljenega senzorja s 4 kanali, ki ga tvorijo pari ultrazvočnih pretvornikov z delovno frekvenco 200-250 kHz. Premer cevi D=300 mm in kot φ med vsakim kanalom in aksialno smerjo je 60 stopinj.
Scenariji uporabe zgradbe več-kanalnega ultrazvočnega senzorja pretoka plina
Več-kanalni ultrazvočni senzorji pretoka plina so ključni v panogah, ki zahtevajo natančno merjenje plina:
Naftna in plinska industrija: skrbniški prenos, nadzor cevovodov, kompresorske postaje in odkrivanje puščanja v sistemih zemeljskega plina.
Kemija in petrokemika: Merjenje procesnih plinov v težkih okoljih.
Proizvodnja električne energije in proizvodnja: spremljanje emisij, nadzor inventarja in optimizacija učinkovitosti.
HVAC in pripomočki: pretok stisnjenega zraka in bioplina v zgradbah ali čiščenje odpadne vode.
pogosta vprašanja
V: Kako pogosto potrebujejo kalibracijo ultrazvočni senzorji pretoka plina?
O: Ultrazvočni senzorji pretoka plina zahtevajo začetno kalibracijo ob zagonu, pri čemer se ponovno kalibracijo običajno priporoča vsakih 2–5 let, odvisno od kritičnosti aplikacije. Za aplikacije skrbniškega prenosa AGA-9 priporoča kalibracijo pri sedmih stopnjah pretoka: 100 %, 75 %, 50 %, 25 %, 10 %, 5 % in 2,5 % največjega pretoka, pri čemer je povprečje vsake preskusne točke 90–300 sekund. Proizvodne različice in razlike v namestitvi cevi lahko vplivajo na natančnost, zaradi česar je kalibracija bistvena za optimalno delovanje. Za razliko od mehanskih merilnikov, ki se znatno premikajo, ultrazvočni merilniki ohranjajo stabilno natančnost skozi čas, ker nimajo gibljivih delov, kar omogoča manj pogoste intervale ponovnega umerjanja.
V: Kakšni so začetni stroški v primerjavi z-dolgoročnimi skupnimi stroški lastništva?
O: Medtem ko lahko začetna naložba v ultrazvočne merilnike pretoka preseže tradicionalne merilnike, se skupni stroški lastništva pogosto izkažejo za nižje zaradi manjšega vzdrževanja, minimalnih izpadov in podaljšane življenjske dobe. En sam ultrazvočni plinomer lahko nadomesti dva vzporedna turbinska števca (tirnice za male in glavne obremenitve), kar zmanjša stroške infrastrukture. Ultrazvočni merilniki imajo drage začetne stroške, vendar nižje stroške nastavitve kot nekatere alternative, z minimalnim vzdrževanjem zaradi brez gibljivih delov. Optimizirano zaznavanje signala odpravlja drago infrastrukturo za dušenje hrupa, zmanjšani stroški vzdrževanja in popravil na merilnih mestih pa izravnajo višjo vnaprejšnjo naložbo. Pri aplikacijah z velikim-premerom vpenjalne-različice zagotavljajo znatne prihranke pri stroških namestitve.
V: Kakšno redno vzdrževanje je potrebno in kako pogosto?
O: Ultrazvočni senzorji pretoka plina so zasnovani za nizko-vzdrževalno delovanje, s tipičnim vzdrževanjem, ki vključuje čiščenje obraza sonde v 1-6-mesečnih intervalih, odvisno od pogojev na lokaciji, preverjanje odzračevalnega sistema in zračnih filtrov ter občasno ponovno umerjanje, če je potrebno. V prašnih okoljih, kot so aplikacije za dimne pline, samodejni prezračevalni sistemi, ki uporabljajo 0,1-0,6 MPa čistega instrumentalnega zraka pri 3-6 L/min, ohranjajo površine senzorjev čiste in preprečujejo zamik meritev. Senzorje je mogoče zamenjati na kraju samem in pod pritiskom s konfiguracijo plug-and-play, na delovanje števca pa ne vplivajo neposredno nečistoče na stenah cevi.
V: Kakšne so omejitve delovne temperature in tlaka za ultrazvočne senzorje pretoka plina?
O: Pretvorniki so bili razviti tako, da prenesejo temperature od -260 stopinj F za merjenje LNG do 500 stopinj F za aplikacije v elektrarnah. Sodobni senzorji običajno delujejo pri -40 stopinjah do +170 stopinjah (-40 stopinjah F do +338 stopinjah F) za standardne aplikacije, specializirane visokotemperaturne različice pa zmorejo od 150 stopinj do 550 stopinj (+302 stopinj F do +1022 stopinj F). Tlačna območja segajo od 1 bara do 300 barov (14,5 do 4350 psi), senzorji pa delujejo pri standardnih frekvencah 120 ali 200 kHz. Pri nizkotlačnih aplikacijah prenos zvoka zahteva minimalno gostoto plina, tehnologija Lamb wave pa omogoča merjenje do skoraj atmosferskega tlaka.
