Принцип работы ультразвуковых датчиков расхода воды (расходомеров)


Измерение скорости потока предполагает определение количества жидкости, проходящей через заданную площадь поверхности сосуда в определенное время. Как и все виды измерений, оно находит широкое применение в нашей повседневной жизни, начиная от мониторинга потребления воды и газа для расчета счетов и заканчивая более важными промышленными применениями (например, крупномасштабное смешивание нескольких химикатов), где измерение расхода играет ключевую роль в поддержании качества процесса/продукта.

Конструкция ультразвукового датчика расхода воды

Для определения расхода жидкости используются специальные виды счетчиков, называемые расходомерами. Существует множество различных типов расходомеров из-за различных требований к измерению расхода (линейное/нелинейное, массовое/объемное значение и т. д.). Счетчики различаются друг от друга в зависимости от различных факторов, в том числе; метод измерения, который они применяют, конкретные параметры потока, которые они контролируют, объем жидкости, который они могут отслеживать, и их физические характеристики, и это лишь некоторые из них. YFS201 — популярный датчик расхода воды, который мы ранее использовали для измерения расхода воды с помощью Arduino и расчета скорости потока и рассеиваемого объема.

Наиболее популярные типы расходомеров включают в себя: турбинные, вихревые, термомассовые, магнитные, овальные, лопастные, кориолисовые, массовые, малорасходные и ультразвуковые расходомеры, которым и посвящена эта статья. Ультразвуковые расходомеры обеспечивают неинвазивное и очень надежное средство определения количества жидкости, протекающей через сосуд, и они нашли применение в различных отраслях промышленности, от нефтегазовой отрасли до коммунальных предприятий.

В этой статье мы рассмотрим все, что связано с ультразвуковым датчиком расхода воды (расходомером), как они работают, их преимущества и недостатки.

Ультразвуковой датчик расхода воды (расходомер)

Как следует из названия, ультразвуковой расходомер, один из широко используемых расходомеров, представляет собой неинтрузивное устройство, которое рассчитывает объемный расход жидкости путем измерения ее скорости с помощью ультразвука. Он может измерять расход практически в любой жидкости, в которой могут передаваться звуковые волны. Этот тип расходомера обычно считается «гибридным», поскольку для измерения расхода он может использовать либо принцип Доплера, либо метод времени прохождения. Оба принципа мы обсудим позже в этой статье. Обратите внимание, что эти расходомеры также называются доплеровскими расходомерами, если они работают по принципу Доплера.

Ультразвуковые расходомеры идеально подходят для применения в системах водоснабжения, где требуется низкий перепад давления, низкие эксплуатационные расходы и химическая совместимость. Как правило, они не работают с питьевой или дистиллированной водой, но подходят для сточных вод или проводящих грязных жидкостей. Они используются с абразивными и агрессивными жидкостями, так как не препятствуют прохождению жидкости по трубопроводам.

Принцип работы ультразвукового расходомера

Ультразвуковые расходомеры используют принципы эха и изменения скорости звука в разных средах для измерения расхода. Счетчики обычно содержат два ультразвуковых преобразователя , один из которых действует как передатчик, а другой как приемник. Два преобразователя можно было установить рядом или под углом друг к другу на противоположных сторонах сосуда. Передающий преобразователь излучает звуковые импульсы с поверхности датчика в жидкость, и они принимаются преобразователем-приемником. Время, необходимое звуковому импульсу для прохождения от передатчика к приемнику, известное как время прохождения, затем оценивается и используется при определении скорости потока и других параметров.

Принцип работы ультразвукового расходомера без отражения волны

Во второй конфигурации, когда передатчик и приемник расположены рядом, передатчик излучает звуковой импульс, а приемник отслеживает время, необходимое для приема эха передачи.

Принцип работы ультразвукового расходомера с отражением волны

Независимо от конфигурации датчика, измерение с разницей времени прохождения основано на том факте, что звуковые волны, распространяющиеся по направлению течения среды, движутся быстрее, чем волны, распространяющиеся против направления течения среды. Таким образом, разница во времени прохождения прямо пропорциональна скорости потока среды, и этот принцип используется для точного измерения объема газов и жидкостей, а также для определения их плотности и вязкости.

Хотя два вышеупомянутых метода являются наиболее часто используемыми, в различных ультразвуковых расходомерах используются их модифицированные версии, в зависимости от типа жидкости и проводимых измерений. Например, применяются отражатели ультразвуковой волны, позволяющие увеличить точность проводимых измерений.

Расчет расхода воды с помощью ультразвуковых датчиков расхода

Чтобы получить более четкое представление о технических особенностях этого процесса, рассмотрим изображение ниже, на котором показана первая конфигурация с датчиками передатчика (TA) и приемника (TB), установленными под углом друг к другу.

Принцип установки ультразвуковых датчиков на трубе

Пусть время, необходимое акустической волне для прохождения от передатчика к приемнику, то есть в направлении потока среды, равно TA–B , а время, необходимое ей для перемещения от приемного преобразователя к передающему преобразователю, то есть против направления потока - TB–A .

Разница в двух временах прохождения прямо пропорциональна средней скорости потока vm среды, т. е.

TB–A – TA–B = vm ------------- Уравнение 1

Поскольку время прохождения сигнала равно расстоянию между передающим преобразователем и принимающим передатчиком, деленному на скорость, с которой акустический сигнал должен пройти от одного преобразователя к другому, мы имеем

TA–B = L / (CAB + v*cosα) -------------- Уравнение 2

И:

TB–A = L / (CBA – v*cos α) --------------- Уравнение 3

Уравнения 2 и 3 определяют скорость потока между датчиком A выше по потоку и датчиком B ниже по потоку. где;  

v = скорость потока среды, L = длина акустического пути, c = скорость звука в среде, а альфа «α» — это угол к трубе, под которым ультразвук распространяется от передатчика к приемнику. 

Предполагая, что скорость звука в среде постоянна (т. е. нет изменений в таких параметрах, как плотность жидкости, температура и т. д.), мы имеем;

(L / (2 * cos α)) * (TB–A – TA–B ) / (TB–A x TA–B )

Умножив среднюю скорость на площадь поперечного сечения трубы, получим расход Qас;

Q = (π * D3 ) / (4 * sin 2α) * (TB–A – TA–B) / (TB–A x TA–B)

Площадь поперечного сечения трубы постоянна для линейного ультразвукового расходомера диаметром D.

Реализация этих уравнений без переменных, таких как плотность, температура, давление, скорость звука и других характеристик, определяемых средой/жидкостью, демонстрирует универсальность применения и точность ультразвуковых расходомеров.

Преимущества и недостатки ультразвуковых датчиков расхода

Преимущества

Основными преимуществами ультразвуковых расходомеров являются их неинвазивность и способность работать с любым типом жидкости (поскольку плотность и скорость звука в жидкостях не имеют значения). Различные вещества (в том числе химикаты, растворители, масла и т. д.) с различными свойствами транспортируются и распределяются по системам трубопроводов каждый день - в этих условиях необходимо контролировать их скорость потока. Неинвазивность ультразвуковых расходомеров делает их незаменимыми в подобных ситуациях. Вот почему они находят применение в различных отраслях промышленности: от химической промышленности до пищевой промышленности, водоочистки и нефтегазового сектора.

Недостатки

Основным недостатком ультразвуковых расходомеров является их цена. Из-за сложности конструкции ультразвуковые расходомеры обычно дороже механических или других типов счетчиков, так как более сложны в конструкции. 

Помимо сложности конструкции и стоимости, ультразвуковые расходомеры также требуют определенного уровня знаний при установке и эксплуатации по сравнению с большинством других типов расходомеров.

Лучшие ультразвуковые расходомеры на рынке

Хотя ожидается, что к 2025 году мировой рынок ультразвуковых расходомеров достигнет 2 миллиардов долларов США, за последние несколько лет на рынке наблюдался его сильный рост благодаря применению подобных датчиков во многих отраслях. Многие производители разработали ультразвуковые расходомеры с использованием передовых технологий для повышения точности измерений. Поскольку этот счетчик предназначен для отраслевых решений, ожидается, что последние разработки будут стимулировать рынок в течение следующих прогнозируемых периодов. К лучшим ультразвуковым расходомерам, доступным сейчас на рынке, можно отнести следующие.

Ультразвуковые расходомеры Sonic-View: Sonic-View, одно из лучших решений для измерения малых расходов жидкости, работает по принципу времени прохождения. Датчики не контактируют со средой, и внутри инструментов нет движущихся частей. Непревзойденные характеристики, такие как низкая стоимость владения, годы работы без технического обслуживания, защищенность датчиков к различным воздействиям, надежность на протяжении всего срока службы и его нечувствительность к пикам давления и частицам, способствуют тому, что ультразвуковой расходомер sonic-view является одним из лучших решений на рынке подобных устройств. 

Ультразвуковой расходомер Sonic-View

Ультразвуковые счетчики воды Shmeters: этот ультразвуковой счетчик воды для промышленных и коммерческих целей при различных условиях расхода в трубе способен отмечать измерения проектных сечений с максимально возможной точностью измерения. Счетчик питается от батареи и может работать бесперебойно в течение 10 лет только от одной батареи; его потребляемая мощность составляет менее 0,5 мВт. Он может продолжать работать долгое время, не подвергаясь воздействию магнитных помех. Между тем, он очень надежен и чувствителен: можно быстро обнаружить скорость потока до 0,002 м/с.

Ультразвуковой счетчик воды Shmeters

Ультразвуковые расходомеры Sitrans FS: они обеспечивают впечатляющие характеристики для различных газов и жидкостей, поскольку могут работать независимо от температуры, вязкости, проводимости, давления, плотности жидкости и в самых тяжелых условиях. Sitrans FS220 гордится тем, что является лучшим в своем классе решением для простого измерения расхода, поскольку его возможности кажутся безграничными.

Ультразвуковой расходомер Sitrans FS

В потребительских приложениях ультразвуковые счетчики воды совершенствуются за счет таких технологий, как LoRa, которая позволяет муниципальным и связанным с ними органам власти удаленно контролировать потребление газа и воды. Низкое энергопотребление технологии LoRa позволяет этим счетчикам работать более 5 лет на одном заряде батареи, что намного больше, чем можно достичь с помощью обычных механических счетчиков.

(Проголосуй первым!)
Загрузка...
121 просмотров

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *