Przepływomierz ultradźwiękowy czasu przejścia: zasada działania, formuła, instalacja i wybór

Ta metoda jest stosowana w wielu typachprzepływomierze ultradźwiękowe, od zewnętrznych instrumentów cęgowych-po wbudowane mierniki wielodrożne. Fizyka jest prosta, ale niezawodny pomiar zależy od dokładnych danych o rurze, prawidłowej ścieżki akustycznej, odpowiednich warunków cieczy, prawidłowego rozmieszczenia czujnika i reprezentatywnego profilu przepływu.

Co to jest przepływomierz ultradźwiękowy czasu przejścia?

A Przepływomierz ultradźwiękowy czasu przejściato instrument-oparty na prędkości. Najpierw mierzy średnią prędkość płynu wzdłuż jednej lub większej liczby ścieżek ultradźwiękowych. Następnie szacuje średnią prędkość w rurze i oblicza przepływ objętościowy na podstawie wewnętrznego pola- przekroju poprzecznego rury.

Łańcuch pomiarowy to:

Wyślij impuls ultradźwiękowy w dół.

Zmierz czas jego podróży.

Wyślij kolejny impuls w górę rzeki tą samą ścieżką akustyczną.

Zmierz drugi czas podróży.

Oblicz różnicę między tymi dwoma czasami.

Zamień tę różnicę na prędkość przepływu.

Zastosuj korekcję-profilu przepływu.

Pomnóż skorygowaną prędkość przez wewnętrzną powierzchnię rury.

Podstawowa metoda różnicowego-czasu tranzytu została również opisana w firmie Endress+Hauseroficjalny przegląd ultradźwiękowego pomiaru przepływu. :contentReference[oaicite:5]{indeks=5}

Jak działa zasada czasu przejazdu

1. Dwa przetworniki naprzemiennie przesyłają i odbierają

Typowy system wykorzystuje dwa przetworniki ultradźwiękowe, A i B. Przetwornik A wysyła impuls do B, a licznik rejestruje czas podróży. Następnie role się odwracają: B transmituje, a A odbiera. Zmiana kierunku pozwala przyrządowi porównać dwa pomiary wykonane na prawie tej samej ścieżce akustycznej i w prawie takich samych warunkach procesu.

Gdy płyn jest nieruchomy, skorygowane czasy w górę i w dół są idealnie równe. Gdy płyn się porusza, impuls przemieszczający się z przepływem jest wspomagany przez ruch płynu, podczas gdy impuls przemieszczający się pod prąd jest przez niego przeciwstawiany.

• Czas tranzytu w dół rzeki ulega skróceniu.
• Czas tranzytu w górę rzeki staje się dłuższy.
• Znak różnicy czasu wskazuje kierunek przepływu.
• Wielkość różnicy czasu wzrasta wraz z prędkością.

• 

2. Czasy tranzytu są przeliczane na prędkość trasy

Dla uproszczonej ścieżki akustycznej o długościLpod kątemθdo osi rury:

t_d= L / (c + v cos θ)

t_u= L / (c - v cos θ)

Gdzie:

• t_dto czas tranzytu w dół rzeki;
• t_uto czas tranzytu w górę rzeki;
• cto prędkość dźwięku w płynie;
• vjest odpowiednią składową-prędkości przepływu osiowego;
• Ljest długością ścieżki akustycznej przechodzącej przez płyn;
• θjest kątem pomiędzy ścieżką akustyczną a osią rury.

Połączenie tych dwóch równań daje wyidealizowaną zależność prędkości:

v=[L / (2 cos θ)] × [(1 / t_d) − (1 / t_u)]

Ta forma jest użyteczna, ponieważ powszechnie stosowany termin-prędkość jest w dużej mierze usuwany w wyniku obliczeń różnicowych. W miernikach komercyjnych nadal stosuje się kalibrację taktowania, filtrowanie sygnału, korektę-geometrii akustycznej i kompensację-mechaniki płynów, zatem uproszczone równanie należy traktować raczej jako wyjaśnienie fizyki niż zamiennik algorytmu producenta.

3. Uproszczony przykład numeryczny

Załóżmy ilustracyjną ścieżkę płynu z:

• L = 0.30 m
• θ=45 stopień
• c = 1,480 m/s
• v = 1.0 m/s

Obliczony czas dalszego przepływu wynosi w przybliżeniu202,606 mikrosekund, podczas gdy czas w górę strumienia wynosi w przybliżeniu202,800 mikrosekund. Różnica polega tylko na tym0,194 mikrosekundy. Ten przykład pokazuje, dlaczego rozdzielczość taktowania, rozpoznawanie sygnału, stabilność zera i tłumienie szumów mają znaczenie, szczególnie przy małych prędkościach.

Przykład został celowo uproszczony. W przypadku instalacji zaciskowej-miernik musi także uwzględniać przejazd przez klin przetwornika, warstwę łączącą, ściankę rury i dowolną wykładzinę przed odizolowaniem płynnej części ścieżki akustycznej.

4. Prędkość ścieżki jest konwertowana na przepływ objętościowy

Pojedyncza wiązka dźwięku mierzy średnią prędkość wzdłuż tej wiązki. Nie jest ona automatycznie równa średniej prędkości w całej rurze, ponieważ płyn w pobliżu ścianki porusza się wolniej niż płyn bliżej środka, a zaburzenia na górze mogą powodować zawirowania lub asymetrię.

Dlatego nadajnik stosuje korektę profilu, aby oszacować-średnią prędkość w przekroju poprzecznym,v̄. Następnie oblicza wewnętrzną powierzchnię rury:

A = πD_i² / 4

i przepływ objętościowy:

Q = v̄A

GdzieD_ijest średnicą wewnętrzną. Ponieważ powierzchnia jest proporcjonalna do kwadratu średnicy, mały błąd średnicy wewnętrznej może spowodować w przybliżeniu dwukrotnie większy błąd procentowy w obliczonym obszarze. Jest to jeden z powodów, dla których nominalnego rozmiaru rury nie należy ślepo zastępować zmierzonymi lub zweryfikowanymi wymiarami rur.

5. Dlaczego prędkość dźwięku i stałe opóźnienia nadal mają znaczenie

Czasami mówi się, że pomiar czasu przejścia jest niezależny od prędkości dźwięku. To tylko częściowo prawda. Prędkość dźwięku w dużym stopniu odbiega od idealnego równania prędkości różnicowej, ale nadal wpływa na kąt załamania światła, oczekiwany czas przejścia, odstępy między czujnikami, identyfikację sygnału i diagnostykę.

W systemie zaciskowym-wiązka zmienia kierunek, gdy przechodzi przez materiały o różnych prędkościach akustycznych.Oficjalne ograniczenie-dokumentacji firmy Siemenspokazuje, że kąt załamania płynu jest zgodny z prawem Snella i że miernik odejmuje stałe czasy w czujnikach i ściance rury od zmierzonego średniego czasu przejścia. :contentReference[oaicite:6]{indeks=6}

Instrukcja obsługi firmy Emersonstwierdzają również, że prędkość dźwięku płynu jest wykorzystywana do obliczania odległości przetwornika, podczas gdy lepkość jest uwzględniana w korekcji profilu, a gęstość jest wykorzystywana do wyprowadzania przepływu masowego. :contentReference[oaicite:7]{indeks=7}

6. Pomiary jedno-ścieżkowe i wielościeżkowe

Pojedynczy-miernik ścieżki próbkuje jeden akord akustyczny. Projekt wielościeżkowy mierzy kilka akordów w różnych pozycjach lub kątach i łączy je, aby przedstawić więcej profilu prędkości. Może to poprawić uśrednianie profilu i, jeśli jest obsługiwane przez algorytm walidacji licznika, może zapewnić redundancję diagnostyczną.

A dwu-kanałowy przepływomierz ultradźwiękowymoże być przydatny, gdy jedna ścieżka nie odzwierciedla odpowiednio procesu lub gdy konieczne jest monitorowanie dwóch lokalizacji pomiarowych. Dokładna korzyść zależy od architektury kanału instrumentu, metody ważenia i konfiguracji aplikacji; dodanie kanałów nie usuwa automatycznie złych warunków instalacji.

Zaciskowe-wbudowane i wbudowane liczniki czasu przejazdu

Zacisk-na miernikach

A zacisk-na przepływomierzu ultradźwiękowymumieszcza oba przetworniki na zewnątrz istniejącej rury. Sygnał przechodzi przez ściankę rury i płyn bez czujnika wchodzącego do procesu. Tennie-inwazyjny pomiar ultradźwiękowypodejście pozwala uniknąć przecięcia rur, penetracji procesu i niedrożności spowodowanej licznikiem.

Mierniki cęgowe-są szczególnie przydatne w przypadku prac modernizacyjnych, tymczasowych przeglądów, audytów energetycznych, dużych istniejących rur i zastosowań, w których kontakt z procesem jest niepożądany. Ich działanie zależy jednak w dużym stopniu od materiału rury, stanu ścianki, wykładziny, powłoki, rozstawu czujników, sprzężenia akustycznego i miejsca instalacji.

Liczniki liniowe lub szpulowe-liczniki sztuk

Liczniki liniowe umieszczają geometrię akustyczną w specjalnie-zbudowanym korpusie miernika. Położenie przetwornika, średnica wewnętrzna i kąty ścieżki są kontrolowane przez konstrukcję i można zastosować kilka pasów akustycznych. Instalacja wymaga modyfikacji rurociągu, ale kontrolowana geometria może być korzystna, gdy wymagane są stałe pomiary, wyższe parametry metrologiczne lub certyfikacja specyficzna dla danego zastosowania.

Konfiguracje montażu przetwornika V, Z i W

V-Mocowanie

Obydwa czujniki montuje się po tej samej stronie rury. Wiązka przechodzi przez ciecz, odbija się od przeciwległej ściany i wraca do odbiornika. Mocowanie V-jest wygodne, ponieważ dostęp do obu czujników jest z jednej strony i często zapewnia użyteczną równowagę pomiędzy siłą sygnału a czułością-czasu przejścia.

Z-Mocowanie

Czujniki instaluje się po przeciwnych stronach rury, a wiązka przechodzi przez płyn raz, nie odbijając się od przeciwległej ściany. Mocowanie Z-skraca ścieżkę akustyczną i ogranicza przejścia przez ściany. Często bierze się to pod uwagę, gdy ścieżka V-jest zbyt tłumiona, gdy rura jest duża lub gdy osady, wykładzina lub warunki cieczy osłabiają sygnał.

W-Montaż

Obydwa czujniki pozostają po tej samej stronie, ale wiązka wielokrotnie przechodzi przez ciecz. Dłuższa ścieżka może zwiększyć mierzalną-różnicę czasu tranzytu na małej rurze w sprzyjających warunkach akustycznych. Dodaje także odbicia i tłumienie, więc nie należy go wybierać tylko dlatego, że dłuższa ścieżka wydaje się bardziej czuła. Cel-zaprojektowanymały-obejma rurowa-na rozwiązaniumoże zapewnić bardziej niezawodną geometrię niż narzucanie ogólnego układu czujnika na bardzo małej średnicy.

Jak wybrać ścieżkę montażową

Wprowadź zweryfikowaną średnicę zewnętrzną rury, grubość ścianki, materiał i informacje o wykładzinie.

Wybierz właściwy typ przetwornika i płyn.

Skorzystaj z obliczeń konfiguracji licznika, aby uzyskać zalecaną ścieżkę i odstępy.

Zamontuj czujniki w obliczonych punktach odniesienia.

Sprawdź amplitudę sygnału, jakość sygnału i zmierzoną prędkość dźwięku.

Jeśli sygnał jest słaby, najpierw sprawdź parametry, sprzężenie i wyrównanie; następnie rozważ krótszą lub bardziej bezpośrednią ścieżkę.

Oblicz ponownie odstępy i powtórz kontrole diagnostyczne za każdym razem, gdy zmieni się metoda montażu.

Nie ma uniwersalnej granicy średnicy, która sprawia, że ​​V, Z lub W są prawidłowe dla każdego instrumentu. Częstotliwość czujnika, ściana rury, wykładzina, tłumienie płynu i model akustyczny producenta mają znaczenie.

Czas przejścia a ultradźwiękowy pomiar przepływu Dopplera

Porównanie Siemensa wyjaśnia, że ​​czas przejścia zależy od-przepuszczania, podczas gdy Doppler opiera się na dźwięku odbitym od pęcherzyków lub zawieszonych ciał stałych. :contentReference[oaicite:8]{index=8} Oddzielny przewodnik poPrzepływomierz ultradźwiękowy Dopplerajest przydatny, gdy proces zawiera wystarczającą liczbę reflektorów,-przez które transmisja staje się niewiarygodna.

Warunki wymagane do niezawodnego pomiaru

Rura powinna pozostać pełna

Większość mierników czasu przejścia-rury zamkniętej zakłada, że ​​ścieżka akustyczna przechodzi przez całkowicie wypełnioną rurę i znany jest wewnętrzny obszar przepływu. Częściowo wypełniona rura zmienia zarówno ścieżkę dźwięku, jak i powierzchnię efektywną. Jeśli przyrząd nie jest przeznaczony do pomiaru częściowo wypełnionych rur, wynik może być niestabilny lub nieważny.

Płyn i rura muszą przenosić ultradźwięki

Impuls musi przejść przez ściankę rury i płyn z wystarczającą energią, aby został zidentyfikowany w odbiorniku. Pęcherzyki gazu, zawieszone ciała stałe, osady wewnętrzne, silna korozja, grube lub trudne akustycznie ściany, niektóre wykładziny i słabe sprzężenie mogą zmniejszyć użyteczny sygnał. Praktycznym pytaniem nie jest to, czy ciecz jest idealnie czysta; chodzi o to, czy w pełnym zakresie warunków procesu dostępny jest stabilny, prawidłowo zidentyfikowany przesyłany impuls.

Profil przepływu musi być reprezentatywny

Kolana, pompy, zawory sterujące, trójniki i reduktory mogą tworzyć wirowe lub asymetryczne profile prędkości. Miernik należy umieścić wystarczająco daleko od zakłóceń, aby profil mógł się zregenerować, zgodnie z instrukcją obsługi odpowiedniego modelu. W podręczniku przenośnego-miernika firmy Emerson na rok 2025 podano-specyficzne dla modelu przykłady 10D przed i 5D za jednym kolankiem 90 stopni oraz 40D przed dwoma kolankami 90 stopni w różnych płaszczyznach. Liczby te są przykładami, a nie uniwersalnymi zasadami. :contentReference[oaicite:9]{indeks=9}

Aby uzyskać głębszą dyskusję, przejrzyj, jak to zrobićniewystarczająca długość prostej rury wpływa na ultradźwiękowy pomiar przepływu.

Dane rur muszą być dokładne

W przypadku konfiguracji zacisku-sprawdź:

• rzeczywista średnica zewnętrzna lub zmierzony obwód;
• grubość ścianki;
• materiał rury;
• materiał i grubość wyściółki;
• powłoka powierzchniowa;
• tożsamość płynu i oczekiwany zakres temperatur.

Stabilny sygnał nie świadczy o poprawności wprowadzonej geometrii. Miernik może namierzyć sygnał, jednocześnie obliczając nieprawidłowy obszar wewnętrzny lub kąt akustyczny.

Procedura instalacji i uruchomienia

Poniższa sekwencja skupia najważniejszeUwagi dotyczące instalacji przepływomierza ultradźwiękowegow praktyczny sposób pracy.

Potwierdź przydatność aplikacji.Sprawdź płyn, oczekiwaną zawartość gazów i ciał stałych, zakres przepływu, materiał rury, temperaturę, ciśnienie i wymagany cel pomiaru.

Wybierz lokalizację-pełnej rury.Unikaj miejsc, w których może gromadzić się gaz lub osad, który może zasłonić ścieżkę akustyczną. W przypadku rur poziomych często preferowany jest montaż z boku, a nie na samej górze lub na dole.

Przejrzyj zakłócenia w górnym biegu rzeki.Postępuj zgodnie z instrukcją licznika, zamiast stosować jedną- regułę prostego działania do każdej instalacji.

Sprawdź wymiary rur.Zmierz grubość ścianki, jeśli zapisy nie są pewne. Nie należy wnioskować o rzeczywistej średnicy wewnętrznej na podstawie samego rozmiaru nominalnego.

Przygotuj powierzchnię.Usuń luźną rdzę, kamień, brud i niestabilną powłokę bez niepotrzebnego uszkadzania rury.

Zastosuj właściwy łącznik.Szczeliny powietrzne blokują transmisję ultradźwiękową. Użyjakustyczny środek sprzęgającykompatybilna z temperaturą rury, materiałem i czasem montażu.

Zamontuj i ustaw czujniki.Ustaw określone odstępy i punkty odniesienia, utrzymuj oba czujniki w tej samej płaszczyźnie akustycznej i zabezpiecz je przed wibracjami i ruchem.

Przed zaakceptowaniem wyniku przejrzyj diagnostykę.Potwierdź, że amplituda sygnału, jakość sygnału i zmierzona prędkość dźwięku są stabilne i wiarygodne.

Sprawdź wartość przepływu.Porównaj to z pracą pompy, zmianą poziomu w zbiorniku, bilansem cieplnym, licznikiem referencyjnym lub innym niezależnym wskaźnikiem procesu.

Diagnostyka i rozwiązywanie problemów

Progi diagnostyczne zależą od-producenta. „Dobra” wartość sygnału liczbowego na jednym mierniku może nie oznaczać tego samego na innym. Skorzystaj z instrukcji przyrządu i oceń kilka wskaźników łącznie, zamiast przyjmować samą wiarygodną liczbę przepływu. Stronarozwiązywanie problemów z przepływomierzem ultradźwiękowymGuide może wspierać dalszą izolację usterek.

Dokładność i niepewność pomiaru

Nie ma jednej wartości dokładności dla każdego ultradźwiękowego miernika czasu przejścia. Wydajność zależy od konkretnego modelu, kalibracji, geometrii rury, profilu przepływu, zakresu prędkości, jakości sygnału i instalacji. Karta danych produktu może określać wydajność w określonych warunkach, podczas gdy niepewność pola obejmuje dodatkowe efekty.

Do ważnych czynników wpływających na niepewność należą:

• Średnica wewnętrzna:wpływa zarówno na geometrię akustyczną, jak i powierzchnię wykorzystywaną w Q=v̄A.
• Dane ścian i wykładzin:wpływają na refrakcję, stały czas przejścia i odstępy między czujnikami.
• Umiejscowienie czujnika:błędy odstępów i wyrównania zmieniają założoną ścieżkę akustyczną.
• Przesunięcie zera:staje się coraz ważniejsze, gdy prędkość przepływu zbliża się do zera.
• Profil przepływu:wirowanie i asymetria mogą sprawić, że pojedyncza ścieżka będzie niereprezentatywna.
• Czas i przetwarzanie sygnału:wpływają na rozwiązanie bardzo małej-różnicy czasu tranzytowego.
• Zmienność procesu:temperatura, skład, pęcherzyki i osady mogą zmienić sygnał akustyczny.

Informacje na temat wydajności na poziomie modelu- można znaleźć w przewodnikudokładność przepływomierza ultradźwiękowego. Jeżeli wymagany jest identyfikowalny wynik, należy odróżnić weryfikację instalacji od formalnejkalibracja przepływomierza. NIST opisuje kalibracje-przepływu cieczyoparte na pierwotnych wzorcach wolumetrycznych i grawimetrycznych, co ilustruje, dlaczego kalibracja musi być powiązana z określonym odniesieniem i niepewnością. :contentReference[oaicite:10]{indeks=10}

Zalety i ograniczenia

Główne zalety

• Brak obrotowego lub posuwisto-zwrotnego elementu pomiarowego.
• Pomiar dwukierunkowy na podstawie znaku różnicy czasu-w tranzycie.
• Brak dodatkowych przeszkód lub spadku ciśnienia-w korpusie w przypadku zacisku zewnętrznego-podczas instalacji.
• Pomiar modernizacyjny bez kontaktu z procesem w odpowiednich zastosowaniach.
• Przydatna diagnostyka akustyczna, obejmująca pomiar prędkości dźwięku i jakości sygnału.
• Potencjał przenośnych pomiarów, stałego monitorowania i pomiarów wielościeżkowych.

Główne ograniczenia

• Nadmierna ilość pęcherzyków, ciał stałych lub tłumienie dźwięku może uniemożliwić-przenoszenie.
• Wyniki zaciskania- zależą od dokładnych danych dotyczących rur i wykładzin.
• Nieprawidłowe odstępy, wyrównanie lub sprzężenie mogą powodować duże błędy.
• Pojedyncza ścieżka może być wrażliwa na wirowanie i przepływ asymetryczny.
• Pomiary niektórych rur wielowarstwowych, betonowych, z dużą ilością zgorzeliny lub silnie skorodowanych są trudne.
• Konwencjonalne mierniki-rur zamkniętych nie są przeznaczone do rur częściowo napełnionych, chyba że zostały specjalnie zaprojektowane do tego celu.

Typowe zastosowania

Wspólnyzastosowania przepływomierzy ultradźwiękowychwłączać:

• woda pitna, surowa i technologiczna;
• systemy-wody lodowej i ciepłej-wody;
• ciepłownictwo i chłodzenie miejskie;
• obwody wodne-elektrowni;
• oczyszczone ścieki z ograniczonym napowietrzeniem i zawartością substancji stałych;
• oleje, węglowodory i kompatybilne ciecze procesowe;
• płynne chemikalia;
• równoważenie systemów, testowanie pomp i audyty energetyczne;
• tymczasowe ankiety weryfikacyjne i rozwiązujące problemy.

A przenośny przepływomierz ultradźwiękowyjest często przydatny do pomiarów tymczasowych, ale przydatność zastosowania powinna opierać się na rzeczywistych warunkach rurowych i akustycznych, a nie na samej nazwie płynu. Zastosowania w przemyśle spożywczym, farmaceutycznym i{1}}o wysokiej czystości również wymagają przeglądu wymagań dotyczących projektu sanitarnego, kompatybilności materiałów i walidacji; zewnętrzny czujnik bezdotykowy- sam w sobie nie kwalifikuje instalacji do każdego regulowanego procesu.

Jak wybrać przepływomierz ultradźwiękowy czasu przejścia

Przed wyborem miernika należy udokumentować następujące informacje:

Czy płyn jest wystarczająco przepuszczalny akustycznie we wszystkich warunkach pracy?

Czy podczas pracy mogą zwiększać się pęcherzyki gazu, ciała stałe lub zmiany składu?

Czy rura pozostanie całkowicie pełna?

Czy preferowana jest instalacja cęgowa-, czy też dopuszczalny jest miernik wbudowany?

Jaka jest rzeczywista średnica zewnętrzna, grubość ścianki, materiał i wykładzina?

Jakie są prędkości minimalne, normalne i maksymalne?

Czy możliwy jest przepływ wsteczny?

Czy wystarczy jedna ścieżka akustyczna, czy potrzebne jest uśrednianie wielościeżkowe?

Jaka temperatura,{0}}obszar niebezpieczny i jakie pozwolenia środowiskowe są wymagane?

Jakie wyjścia i komunikacja są potrzebne?

Czy wynik zostanie wykorzystany do wskazań, kontroli, monitorowania energii, weryfikacji lub rozliczeń?

Jakie rodzaje diagnostyki są dostępne w celu sprawdzenia, czy sygnał akustyczny jest ważny?

Nie należy wybierać wyłącznie spośród nominalnej średnicy rury lub wartości dokładności nadproża. Licznik, częstotliwość przetwornika, ścieżkę montażową, warunki procesu, geometrię instalacji i wymaganą niepewność należy rozpatrywać łącznie.

Wniosek

Przepływomierz ultradźwiękowy czasu przejścia potrafi więcej niż tylko porównanie dwóch czasów impulsów. Oddziela czas przepływu płynu od stałych opóźnień akustycznych, oblicza prędkość ścieżki, koryguje profil prędkości rury i przekształca skorygowaną prędkość na przepływ objętościowy.

Zasada jest niezawodna, gdy rura pozostaje pełna, sygnał może przejść przez rurę i płyn, znana jest geometria, czujniki są prawidłowo zamontowane, a profil przepływu jest reprezentatywny. Przed wyborem modelu należy zapisać stan płynu, konstrukcję rury, zakres przepływu, układ instalacji, wymagania diagnostyczne i zamierzone zastosowanie pomiaru. Informacje te są cenniejsze niż wybieranie na podstawie rozmiaru rury lub samej specyfikacji głównej.