Ultrazvučni senzori protoka plina, poznati i kao ultrazvučni mjerači protoka plina, predstavljaju naprednu mjernu tehnologiju plinskih medija (uključujući prirodni plin, komprimirani zrak i procesne plinove). Ovi ne-invazivni uređaji koriste ultrazvučne valove za mjerenje protoka plina bez fizičkog kontakta s tekućim medijem, pružajući izvrsnu točnost i pouzdanost u raznim industrijskim primjenama. Ovaj vodič istražuje principe rada, konstrukcijski dizajn i praktične primjene ultrazvučnih senzora protoka plina.
Princip rada ultrazvučnog senzora protoka plina:
Srž ultrazvučnih senzora protoka plina je korištenje zvučnih valova za mjerenje brzine plina. Primarna metoda je princip tranzitnog-vremena, gdje ultrazvučni pretvornici (senzori) emitiraju impulse koji putuju kroz struju plina. Dva pretvarača postavljena su tako da jedan šalje signale nizvodno (s protokom), a drugi šalje signale uzvodno (suprotno protoku). Vremenska razlika (Δt) između ovih putanja proporcionalna je brzini plina (V), izračunatoj pomoću sljedeće formule:
gdje je L duljina puta, a t0 prosječno vrijeme prolaska. Volumetrijski protok se zatim izračunava množenjem s-površinom presjeka cijevi. Druga varijanta jeDoppler efekt, gdje se valovi odbijaju od mjehurića ili čestica u plinu, a pomak frekvencije ukazuje na brzinu-idealnu za plinove koji sadrže nečistoće. Napredni modeli koriste smične valove za izravan prijenos ili Lambove valove, koji uzrokuju rezonanciju stijenke cijevi kako bi se pojačali signali pri niskom{2}}tlaku ili prigušujućim plinovima. Konfiguracije s više-staza (kao što su 4 ili 6 staza) prosječna mjerenja duž cijevi za rukovanje turbulentnim ili asimetričnim protokom, poboljšavajući točnost. Ovaj dijagram ilustrirapostavljanje-vremena prijevoza, pokazujući kako se uzvodni i nizvodni signali razlikuju ovisno o protoku.
Više{0}}struktura ultrazvučnog senzora protoka plina
Sastav više-kanalnih ultrazvučnih mjerača protoka plina uglavnom uključuje četiri dijela: glavno tijelo ultrazvučnog mjerača protoka, transmiter tlaka, inteligentni transmiter temperature i računalo protoka. Ultrazvučni mjerač protoka uglavnom se sastoji od dvije glavne komponente: jedna je dio cijevi za mjerenje opremljen s više parova ultrazvučnih sondi (također poznat kao primarni instrument); Druga je jedinica za obradu signala (SPU) s funkcijama mjerenja, trenutnog prikaza protoka i komunikacijskih funkcija, koja se obično naziva sekundarni instrument. Sljedeći dijagram prikazuje blok dijagram više-kanalnog ultrazvučnog
mjerač protoka.
Sekundarni instrument može se izravno spojiti na senzore tlaka plina i temperature u cjevovodu, te kroz internu konverziju signala i izračun kompenzacije, dovršiti kompenzacijski učinak temperature i tlaka u cjevovodu na volumetrijski protok plina, neovisno dovršavajući mjerenje volumetrijskog protoka bez oslanjanja na računalo protoka. Osim toga, putem inteligentnog transmitera temperature i transmitera tlaka, digitalni signali temperature i tlaka u cjevovodu također se mogu prenijeti na računalo protoka radi kompenzacije trenutne brzine protoka i volumetrijskih vrijednosti protoka koje mjeri sekundarni instrument.
Senzorski dio više{0}}kanalnog ultrazvučnog mjerača protoka plina uglavnom se odnosi na dio mjernog cjevovoda, a strukturna analiza senzora protoka uglavnom se odnosi na spoj mjernog cjevovoda i distribucijske položaje instalacije svakog ultrazvučnog pretvarača. Cjevovod za mjerenje protoka projektiran je i proizveden s prirubničkim krajevima, spojenim u ravni transportni cjevovod. U dokumentu AGA br. 9 "Više-ultrazvučni mjerači protoka za mjerenje protoka prirodnog plina" koji je formuliralo American Gas Association 1998., istraživački rad je već istaknuo da asimetrična distribucija brzine postoji od točke pojavljivanja do 50D ili nizvodno, a profili brzine s vrtlozima mogu postojati na 200D ili dalje (D je unutarnji promjer mjernog cjevovoda).
Stoga, na općim mjestima za mjerenje protoka industrijskog plina, položaj ugradnje mjerača protoka mora uzeti u obzir utjecaj složenih stanja protoka na mjerenje brzine protoka. U skladu sa standardom GB/T 18604-2023, predlažu se sljedeće preporuke za položaj ugradnje više-kanalnih ultrazvučnih mjerača protoka plina: minimalna duljina ravne cijevi uzvodno je 10D, a minimalna duljina ravne cijevi nizvodno je 5D. Ova se preporuka može uspostaviti samo kada su uzvodni uvjeti relativno idealni (kao što je vrlo mali intenzitet vrtloga i blago asimetrična raspodjela brzine), i treba je smatrati minimalnim zahtjevom za ispunjavanje potreba mjerenja. Kao što je prikazano na donjoj slici, višekanalni ultrazvučni mjerači protoka plina moraju uzeti u obzir učinkovitost širenja ultrazvučnih valova, usvajajući ultrazvučne sonde ugrađene i instalirane na mjernom cjevovodu.
Slika u nastavku prikazuje shematski dijagram rasporeda kanala za više-kanalni ultrazvučni senzor protoka plina, koji ilustrira strukturu cjevovoda u-obliku prstena koju mjeri četvero-kanalni ultrazvučni mjerač protoka plina.
4 kanala redom su raspoređena na različitim slojevima protoka, a kanali se međusobno križaju kada se gleda u smjeru y i paralelni su jedan s drugim kada se gleda u smjeru z. Mjerni cjevovod sastoji se od kompozitnog senzora s 4 kanala koji čine parovi ultrazvučnih pretvarača s radnom frekvencijom od 200-250 kHz. Promjer cijevi D=300 mm, a kut φ između svakog kanala i aksijalnog smjera je 60 stupnjeva.
Scenariji primjene strukture više-kanalnog ultrazvučnog senzora protoka plina
Više{0}}kanalni ultrazvučni senzori protoka plina ključni su u industrijama koje zahtijevaju precizno mjerenje plina:
Industrija nafte i plina: prijenos skrbništva, nadzor cjevovoda, kompresorske stanice i otkrivanje curenja u sustavima prirodnog plina.
Kemija i petrokemija: Mjerenje procesnih plinova u teškim okruženjima.
Proizvodnja električne energije i proizvodnja: praćenje emisija, kontrola inventara i optimizacija učinkovitosti.
HVAC i komunalije: protok komprimiranog zraka i bioplina u zgradama ili obrada otpadnih voda.
FAQ
P: Koliko često treba kalibrirati ultrazvučne senzore protoka plina?
O: Ultrazvučni senzori protoka plina zahtijevaju početnu kalibraciju pri puštanju u pogon, a ponovna kalibracija obično se preporučuje svakih 2-5 godina, ovisno o kritičnosti aplikacije. Za aplikacije skrbničkog prijenosa, AGA-9 preporučuje kalibraciju na sedam brzina protoka: 100%, 75%, 50%, 25%, 10%, 5% i 2,5% maksimalnog protoka, s prosjekom svake ispitne točke tijekom 90-300 sekundi. Varijacije u proizvodnji i razlike u instalaciji cjevovoda mogu utjecati na točnost, zbog čega je kalibracija neophodna za optimalnu izvedbu. Za razliku od mehaničkih mjerača koji se znatno pomjeraju, ultrazvučni mjerači održavaju stabilnu točnost tijekom vremena jer nemaju pokretnih dijelova, što omogućuje rjeđe intervale rekalibracije.
P: Koliki je početni trošak u odnosu na -dugoročni ukupni trošak vlasništva?
O: Dok početno ulaganje u ultrazvučne mjerače protoka može premašiti tradicionalne mjerače, ukupni trošak vlasništva često se pokaže nižim zbog smanjenog održavanja, minimalnog zastoja i produženog vijeka trajanja. Jedan ultrazvučni plinomjer može zamijeniti dva paralelna turbinska mjerača (tračnice za malo i glavno opterećenje), smanjujući troškove infrastrukture. Ultrazvučni mjerači imaju skupe početne troškove, ali niže troškove postavljanja od nekih alternativa, s minimalnim održavanjem zbog nepokretnih dijelova. Optimizirana detekcija signala eliminira skupu infrastrukturu za prigušivanje buke, a smanjeni troškovi održavanja i popravka na mjernim točkama nadoknađuju veća početna ulaganja. Za aplikacije velikog-promjera, stezaljke-na verzijama omogućuju značajne uštede troškova instalacije.
P: Koje je rutinsko održavanje potrebno i koliko često?
O: Ultrazvučni senzori protoka plina dizajnirani su za-nisko održavanje, s tipičnim održavanjem koje uključuje čišćenje prednje strane sonde u intervalima od 1-6 mjeseci, ovisno o uvjetima na mjestu, provjeru sustava za pročišćavanje i zračnih filtara te povremenu ponovnu kalibraciju ako je potrebno. U prašnjavim okruženjima kao što su aplikacije dimnih plinova, automatizirani sustavi pročišćavanja koji koriste 0,1-0,6 MPa čisti instrumentalni zrak pri 3-6 L/min održavaju površine senzora čistima i sprječavaju odstupanje mjerenja. Senzori se mogu zamijeniti na licu mjesta i pod pritiskom korištenjem plug-and-play konfiguracije, a na rad mjerača ne utječu izravno nečistoće na stijenkama cijevi.
P: Koja su ograničenja radne temperature i tlaka za ultrazvučne senzore protoka plina?
O: Pretvornici su razvijeni da izdrže temperature od -260 stupnjeva F za mjerenje LNG-a do 500 stupnjeva F za aplikacije u elektranama. Moderni senzori obično podnose -40 stupnjeva do +170 stupnjeva (-40 stupnjeva F do +338 stupnjeva F) za standardne primjene, sa specijaliziranim visokotemperaturnim verzijama sposobnim od 150 stupnjeva do 550 stupnjeva (+302 stupnjeva F do +1022 stupnjeva F). Rasponi tlaka protežu se od 1 bara do 300 bara (14,5 do 4350 psi), sa senzorima koji rade na standardnim frekvencijama od 120 ili 200 kHz. Za primjene niskog tlaka, prijenos zvuka zahtijeva minimalnu gustoću plina, a tehnologija Lambovih valova omogućuje mjerenje do tlaka blizu atmosferskog.
