Ultradźwiękowe czujniki przepływu gazu, zwane również ultradźwiękowymi przepływomierzami gazu, stanowią zaawansowaną technologię pomiaru mediów gazowych (w tym gazu ziemnego, sprężonego powietrza i gazów procesowych). Te nieinwazyjne urządzenia wykorzystują fale ultradźwiękowe do pomiaru przepływu gazu bez fizycznego kontaktu z płynnym medium, zapewniając doskonałą dokładność i niezawodność w różnych zastosowaniach przemysłowych. W tym przewodniku omówiono zasady działania, konstrukcję konstrukcyjną i praktyczne zastosowania ultradźwiękowych czujników przepływu gazu.
Zasada działania ultradźwiękowego czujnika przepływu gazu:
Podstawą ultradźwiękowych czujników przepływu gazu jest wykorzystanie fal dźwiękowych do pomiaru prędkości gazu. Podstawową metodą jest zasada-czasu przejścia, zgodnie z którą przetworniki ultradźwiękowe (czujniki) emitują impulsy przemieszczające się przez strumień gazu. Dwa przetworniki są ustawione w taki sposób, że jeden wysyła sygnały w dół (z przepływem), a drugi wysyła sygnały w górę (pod prąd). Różnica czasu (Δt) pomiędzy tymi drogami jest proporcjonalna do prędkości gazu (V), obliczonej ze wzoru:
gdzie L jest długością ścieżki, a t0 jest średnim czasem przejścia. Następnie oblicza się objętościowe natężenie przepływu, mnożąc-pole przekroju poprzecznego rury. Innym wariantem jestEfekt Dopplera, gdzie fale odbijają się od pęcherzyków lub cząstek w gazie, a przesunięcie częstotliwości wskazuje prędkość-idealną dla gazów zawierających zanieczyszczenia. Zaawansowane modele wykorzystują fale poprzeczne do bezpośredniej transmisji lub fale Lamba, które powodują rezonację ścianki rury w celu wzmocnienia sygnałów w-niskim ciśnieniu lub gazach tłumiących. Konfiguracje wielo-ścieżkowe (takie jak 4 lub 6 ścieżek) uśredniają pomiary w rurze, aby poradzić sobie z przepływami turbulentnymi lub asymetrycznymi, co poprawia dokładność. Ten diagram ilustrujekonfiguracja-czasu przejazdu, pokazujący, jak sygnały przesyłane w górę i w dół różnią się w zależności od przepływu.
Struktura wielo-kanałowego ultradźwiękowego czujnika przepływu gazu
Wielokanałowy-przepływomierz ultradźwiękowy gazu składa się głównie z czterech części: korpusu głównego przepływomierza ultradźwiękowego, przetwornika ciśnienia, inteligentnego przetwornika temperatury i komputera przepływu. Przepływomierz ultradźwiękowy składa się głównie z dwóch głównych elementów: jeden to odcinek rury pomiarowej wyposażony w wiele par przetworników ultradźwiękowych (zwany również instrumentem głównym); Drugi to jednostka przetwarzania sygnału (SPU) z pomiarem, wyświetlaniem chwilowego natężenia przepływu i funkcjami komunikacyjnymi, powszechnie nazywana instrumentem wtórnym. Poniższy diagram przedstawia schemat blokowy wielo-kanałowego urządzenia ultradźwiękowego
przepływomierz.
Przyrząd wtórny można bezpośrednio podłączyć do czujników ciśnienia i temperatury gazu w rurociągu, a poprzez wewnętrzną konwersję sygnału i obliczenie kompensacji uzupełnić efekt kompensacji temperatury i ciśnienia w rurociągu na objętościowe natężenie przepływu gazu, niezależnie dokonując pomiaru objętościowego natężenia przepływu bez polegania na komputerze przepływu. Ponadto, za pomocą inteligentnego przetwornika temperatury i przetwornika ciśnienia, cyfrowe sygnały temperatury i ciśnienia w rurociągu mogą być przesyłane do komputera przepływu w celu kompensacji chwilowych wartości prędkości przepływu i objętościowego natężenia przepływu mierzonych przez przyrząd wtórny.
Część czujnikowa wielo-kanałowego ultradźwiękowego przepływomierza gazu odnosi się głównie do części rurociągu pomiarowego, a analiza strukturalna czujnika przepływu odnosi się głównie do podłączenia rurociągu pomiarowego i pozycji dystrybucji instalacji każdego przetwornika ultradźwiękowego. Rurociąg do pomiaru przepływu jest zaprojektowany i wykonany z czołowymi kołnierzami, połączonymi w prosty rurociąg transportowy. W dokumencie AGA nr. 9 „Wielokanałowe ultradźwiękowe przepływomierze do pomiaru przepływu gazu ziemnego” opracowanym przez American Gas Association w 1998 r. prace badawcze wykazały już, że asymetryczny rozkład prędkości utrzymuje się od punktu wystąpienia do 50 D lub dalej, a profile prędkości z wirami mogą istnieć przy 200 D lub dalej (D to wewnętrzna średnica rurociągu pomiarowego).
Dlatego też, w ogólnych miejscach pomiaru przepływu gazów przemysłowych, miejsce montażu przepływomierza musi uwzględniać wpływ złożonych stanów przepływu na pomiar prędkości przepływu. Zgodnie z normą GB/T 18604-2023 proponuje się następujące zalecenia dotyczące pozycji montażowej wielokanałowych ultradźwiękowych przepływomierzy gazu: Minimalna długość prostej rury przed przepływem wynosi 10D, a minimalna długość prostej rury za nim wynosi 5D. To zalecenie można ustalić tylko wtedy, gdy warunki przed przepływem są stosunkowo idealne (takie jak bardzo mała intensywność wirów i nieco asymetryczny rozkład prędkości) i należy je uważać za minimalne wymaganie spełniające potrzeby pomiarowe. Jak pokazano na poniższym rysunku, wielokanałowe ultradźwiękowe przepływomierze gazu muszą uwzględniać efektywność propagacji fal ultradźwiękowych, stosując przetworniki ultradźwiękowe osadzone i zainstalowane na rurociągu pomiarowym.
Poniższy rysunek przedstawia schemat układu kanałów dla wielo-kanałowego ultradźwiękowego czujnika przepływu gazu, ilustrujący pierścieniową-strukturę rurociągu mierzoną za pomocą cztero-kanałowego krzyżowego ultradźwiękowego przepływomierza gazu.
4 kanały są odpowiednio rozmieszczone na różnych warstwach przepływu, przy czym kanały przecinają się, patrząc w kierunku y, i są do siebie równoległe, patrząc w kierunku z. Rurociąg pomiarowy składa się z czujnika kompozytowego z 4 kanałami utworzonymi przez pary przetworników ultradźwiękowych o częstotliwości roboczej 200-250 kHz. Średnica rury D=300 mm i kąt φ między każdym kanałem a kierunkiem osiowym wynoszą 60 stopni.
Scenariusze zastosowań wielo-kanałowej struktury ultradźwiękowego czujnika przepływu gazu
Wielo-kanałowe ultradźwiękowe czujniki przepływu gazu mają kluczowe znaczenie w branżach wymagających precyzyjnego pomiaru gazu:
Przemysł naftowy i gazowniczy: przekazywanie rozliczeń, monitorowanie rurociągów, tłocznie i wykrywanie wycieków w systemach gazu ziemnego.
Chemia i petrochemia: Pomiar gazów procesowych w trudnych warunkach.
Wytwarzanie i produkcja energii: monitorowanie emisji, kontrola zapasów i optymalizacja wydajności.
HVAC i media: Przepływ sprężonego powietrza i biogazu w budynkach lub oczyszczanie ścieków.
Często zadawane pytania
P: Jak często ultradźwiękowe czujniki przepływu gazu wymagają kalibracji?
Odp.: Ultradźwiękowe czujniki przepływu gazu wymagają wstępnej kalibracji przy uruchomieniu, a ponowna kalibracja jest zwykle zalecana co 2–5 lat, w zależności od krytyczności zastosowania. W przypadku zastosowań związanych z transferem rozliczeniowym AGA-9 zaleca kalibrację przy siedmiu natężeniach przepływu: 100%, 75%, 50%, 25%, 10%, 5% i 2,5% maksymalnego przepływu, przy czym każdy punkt testowy jest uśredniany w ciągu 90–300 sekund. Różnice produkcyjne i różnice w montażu rurociągów mogą mieć wpływ na dokładność, co sprawia, że kalibracja jest niezbędna dla uzyskania optymalnej wydajności. W przeciwieństwie do mierników mechanicznych, które znacznie dryfują, mierniki ultradźwiękowe zachowują stabilną dokładność w czasie ze względu na brak ruchomych części, co pozwala na rzadsze okresy ponownej kalibracji.
P: Jaki jest koszt początkowy w porównaniu z-długoterminowym całkowitym kosztem posiadania?
Odp.: Chociaż początkowa inwestycja w przepływomierze ultradźwiękowe może przekraczać tradycyjne przepływomierze, całkowity koszt posiadania często okazuje się niższy ze względu na krótszą konserwację, minimalne przestoje i wydłużoną żywotność. Pojedynczy gazomierz ultradźwiękowy może zastąpić dwa równoległe gazomierze turbinowe (małą i główną szynę obciążeniową), redukując koszty infrastruktury. Mierniki ultradźwiękowe mają wysokie koszty początkowe, ale niższe koszty konfiguracji niż niektóre alternatywy, przy minimalnej konserwacji ze względu na brak ruchomych części. Zoptymalizowana detekcja sygnału eliminuje kosztowną infrastrukturę tłumiącą hałas, a obniżone koszty konserwacji i napraw w punktach pomiarowych rekompensują wyższe inwestycje początkowe. W przypadku zastosowań o dużych-średnicach wersje zaciskowe-zapewniają znaczne oszczędności w kosztach instalacji.
P: Jaka rutynowa konserwacja jest wymagana i jak często?
Odp.: Ultradźwiękowe czujniki przepływu gazu zaprojektowano z myślą o pracy- wymagającej niewielkiej konserwacji, typowej konserwacji obejmującej czyszczenie powierzchni sondy w odstępach 1-6 miesięcy w zależności od warunków w miejscu, sprawdzanie systemu oczyszczania i filtrów powietrza oraz okazjonalną ponowną kalibrację, jeśli jest to wymagane. W zapylonych środowiskach, np. w instalacjach ze spalinami, zautomatyzowane systemy oczyszczania wykorzystujące czyste powietrze przyrządowe o ciśnieniu 0,1-0,6 MPa przy przepływie 3-6 l/min utrzymują powierzchnie czujników w czystości i zapobiegają dryftowi pomiaru. Czujniki można wymieniać na miejscu i pod ciśnieniem, korzystając z konfiguracji typu „plug and play”, a na działanie miernika nie wpływają bezpośrednio zanieczyszczenia na ściankach rur.
P: Jakie są ograniczenia temperatury i ciśnienia roboczego dla ultradźwiękowych czujników przepływu gazu?
Odp.: Przetworniki zostały zaprojektowane tak, aby wytrzymywały temperatury od -260 stopni F w przypadku pomiaru LNG do 500 stopni F w zastosowaniach w elektrowniach. Nowoczesne czujniki zazwyczaj wytrzymują od -40 stopni do +170 stopni (-40 stopni F do +338 stopni F) w standardowych zastosowaniach, a wyspecjalizowane wersje wysokotemperaturowe mogą pracować w temperaturach od 150 stopni do 550 stopni (+302 stopni F do +1022 stopni F). Zakresy ciśnień rozciągają się od 1 bara do 300 barów (14,5 do 4350 psi), przy czujnikach pracujących przy standardowych częstotliwościach 120 lub 200 kHz. W zastosowaniach niskociśnieniowych transmisja dźwięku wymaga minimalnej gęstości gazu, a technologia fali Lamba umożliwia pomiar aż do ciśnienia bliskiego atmosferycznemu.
