Ультразвукові датчики потоку газу, також відомі як ультразвукові газові витратоміри, являють собою передову технологію вимірювання газових середовищ (включаючи природний газ, стиснене повітря та технологічні гази). Ці не-інвазивні пристрої використовують ультразвукові хвилі для вимірювання потоку газу без фізичного контакту з рідким середовищем, забезпечуючи чудову точність і надійність у різноманітних промислових застосуваннях. У цьому посібнику розглядаються принципи роботи, структурний дизайн і практичне застосування ультразвукових датчиків потоку газу.
Принцип роботи ультразвукового датчика потоку газу:
Основою ультразвукових датчиків потоку газу є використання звукових хвиль для вимірювання швидкості газу. Основним методом є принцип-часу проходження, коли ультразвукові перетворювачі (сенсори) випромінюють імпульси, що проходять через потік газу. Два перетворювачі розташовані так, що один посилає сигнали за течією (з потоком), а інший посилає сигнали проти течії (проти потоку). Різниця в часі (Δt) між цими шляхами пропорційна швидкості газу (V), обчисленій за такою формулою:
де L – довжина шляху, а t0 – середній час проходження. Потім об’ємна швидкість потоку обчислюється множенням на площу-поперечного перерізу труби. Інший варіант - цеефект Доплера, де хвилі відбиваються від бульбашок або частинок у газі, а зсув частоти вказує на швидкість-ідеальну для газів, що містять домішки. Просунуті моделі використовують хвилі зсуву для прямої передачі або хвилі Лемба, які змушують стінку труби резонувати, посилюючи сигнали під низьким{2}}тиском або послаблюючими газами. Багато{4}}канфігурації (наприклад, 4 або 6 шляхів) усереднюють вимірювання по всій трубі для обробки турбулентних або асиметричних потоків, покращуючи точність. Ця діаграма ілюструєналаштування-часу проїзду, що показує, як сигнали вгору та вниз по течії відрізняються залежно від потоку.
Багато{0}}канальна структура датчика потоку газу
До складу багато{0}}канальних ультразвукових газових витратомірів в основному входять чотири частини: основний корпус ультразвукового витратоміра, датчик тиску, інтелектуальний датчик температури та обчислювальний прилад. Ультразвуковий витратомір в основному складається з двох основних компонентів: один - це секція вимірювальної труби, оснащена кількома парами ультразвукових перетворювачів (також відомих як основний інструмент); Інший — це блок обробки сигналів (SPU) із вимірюванням, відображенням миттєвої швидкості потоку та функціями зв’язку, який зазвичай називають вторинним приладом. На наступній діаграмі показано блок-схему багато-канального ультразвуку
витратомір.
Вторинний прилад може безпосередньо підключатися до датчиків тиску газу та температури в трубопроводі та за допомогою внутрішнього перетворення сигналу та розрахунку компенсації завершити компенсаційний вплив температури та тиску в трубопроводі на об’ємну швидкість потоку газу, незалежно завершивши вимірювання об’ємної витрати, не покладаючись на комп’ютер витрати. Крім того, за допомогою інтелектуального датчика температури та датчика тиску цифрові сигнали температури та тиску в трубопроводі також можуть передаватися на комп’ютер витрати для компенсації миттєвої швидкості потоку та значень об’ємної витрати, виміряних вторинним приладом.
Сенсорна частина багато-канального ультразвукового витратоміра газу в основному відноситься до частини вимірювального трубопроводу, а структурний аналіз датчика потоку в основному стосується з’єднання вимірювального трубопроводу та положень розподілу установки кожного ультразвукового перетворювача. Витратомірний трубопровід розроблений і виготовлений з фланцевими торцями, з'єднаними в прямий транспортний трубопровід. У документі AGA № . 9 «Багатоканальні ультразвукові витратоміри для вимірювання потоку природного газу», розробленому Американською газовою асоціацією в 1998 році, дослідницька робота вже вказувала на те, що асиметричний розподіл швидкості зберігається від точки виникнення до 50D або вниз за течією, а профілі швидкості з вихорами можуть існувати на 200D або далі (D є внутрішній діаметр вимірювального трубопроводу).
Таким чином, у загальних промислових місцях вимірювання потоку газу положення встановлення витратоміра має враховувати вплив складних станів потоку на вимірювання швидкості потоку. Відповідно до стандарту GB/T 18604-2023 пропонуються наступні рекомендації щодо положення встановлення багато-канальних газових ультразвукових витратомірів: мінімальна довжина прямої труби перед потіком становить 10D, а мінімальна довжина прямого трубопроводу за потоком – 5D. Ця рекомендація може бути встановлена лише тоді, коли умови вище за течією є відносно ідеальними (наприклад, дуже мала інтенсивність вихору та злегка асиметричний розподіл швидкості), і її слід розглядати як мінімальну вимогу для задоволення потреб вимірювання. Як показано на малюнку нижче, багатоканальні газові ультразвукові витратоміри повинні враховувати ефективність розповсюдження ультразвукових хвиль, приймаючи ультразвукові перетворювачі, вбудовані та встановлені на вимірювальному трубопроводі.
На малюнку нижче показано схематичне розташування каналу для багато-канального ультразвукового датчика витрати газу, що ілюструє структуру трубопроводу-у формі кільця, виміряну чотири-канальним перехресним ультразвуковим витратоміром газу.
4 канали відповідно розташовані на різних шарах потоку, і канали перетинають один одного, якщо дивитися в напрямку y, і паралельні один одному, якщо дивитися в напрямку z. Вимірювальний трубопровід складається з композитного датчика з 4-ма каналами, утвореними парами ультразвукових перетворювачів з робочою частотою 200-250 кГц. Діаметр труби D=300 мм, а кут φ між кожним каналом і осьовим напрямком становить 60 градусів.
Сценарії застосування конструкції багато-канального ультразвукового датчика потоку газу
Багато{0}}канальні ультразвукові датчики потоку газу мають вирішальне значення в галузях, де потрібне точне вимірювання газу:
Нафтова та газова промисловість: передача на зберігання, моніторинг трубопроводів, компресорних станцій та виявлення витоків у системах природного газу.
Хімічна та нафтохімічна промисловість: вимірювання технологічного газу в суворих умовах.
Генерація та виробництво електроенергії: моніторинг викидів, контроль запасів та оптимізація ефективності.
HVAC та комунальні послуги: стиснене повітря та потік біогазу в будівлях або очищення стічних вод.
FAQ
З: Як часто ультразвукові датчики потоку газу потребують калібрування?
A: Ультразвукові датчики потоку газу вимагають початкового калібрування під час введення в експлуатацію; повторне калібрування зазвичай рекомендується кожні 2-5 років залежно від критичності застосування. Для додатків передачі на зберігання AGA-9 рекомендує калібрування на семи рівнях потоку: 100%, 75%, 50%, 25%, 10%, 5% і 2,5% максимального потоку, з усередненням кожної контрольної точки протягом 90-300 секунд. Виробничі варіації та відмінності в установці трубопроводів можуть вплинути на точність, що робить калібрування необхідним для оптимальної продуктивності. На відміну від механічних лічильників, які значно дрейфують, ультразвукові лічильники зберігають стабільну точність протягом тривалого часу завдяки відсутності рухомих частин, що дозволяє проводити менш часті інтервали повторного калібрування.
З: Яка початкова вартість порівняно з-довгостроковою загальною вартістю володіння?
Відповідь: Хоча початкові інвестиції в ультразвукові витратоміри можуть перевищувати традиційні лічильники, загальна вартість володіння часто виявляється нижчою через скорочення технічного обслуговування, мінімальний час простою та подовжений термін служби. Один ультразвуковий газовий лічильник може замінити два паралельні турбінні лічильники (малу та основну рейки), зменшуючи витрати на інфраструктуру. Ультразвукові лічильники мають дорогу початкову вартість, але менші витрати на налаштування, ніж деякі альтернативи, з мінімальним обслуговуванням через відсутність рухомих частин. Оптимізоване виявлення сигналу усуває дорогу інфраструктуру шумозаглушення, а зниження витрат на технічне обслуговування та ремонт у точках вимірювання компенсує більші початкові інвестиції. Для застосувань великого-діаметра затискні-версії забезпечують значну економію витрат на встановлення.
З: Яке планове технічне обслуговування потрібне і як часто?
A: Ультразвукові датчики потоку газу розроблені для роботи з низьким-обслуговуванням, із типовим техобслуговуванням, включаючи очищення поверхні зонда з інтервалом в 1-6 місяців залежно від умов на місці, перевірку системи продувки та повітряних фільтрів, а також періодичне повторне калібрування, якщо потрібно. У запиленому середовищі, наприклад у системах димових газів, автоматизовані системи продувки, що використовують чисте приладове повітря під тиском 0,1-0,6 МПа при 3-6 л/хв, підтримують поверхню датчика в чистоті та запобігають дрейфу вимірювань. Датчики можна замінити на місці та під тиском за допомогою конфігурації plug-and-play, а на роботу лічильника безпосередньо не впливають забруднення на стінках труб.
З: Які межі робочої температури та тиску для ультразвукових датчиків потоку газу?
A: Перетворювачі були розроблені, щоб витримувати температури від -260 градусів F для вимірювання СПГ до 500 градусів F для електростанцій. Сучасні датчики зазвичай працюють від -40 градусів до +170 градусів (-40 градусів F до +338 градусів F) для стандартних застосувань, а спеціалізовані високотемпературні версії здатні працювати від 150 градусів до 550 градусів (+302 градусів F до +1022 градусів F). Діапазон тиску варіюється від 1 бар до 300 бар (від 14,5 до 4350 фунтів на квадратний дюйм), датчики працюють на стандартних частотах 120 або 200 кГц. Для застосувань із низьким тиском передача звуку вимагає мінімальної щільності газу, а технологія хвиль Лемба дозволяє вимірювати тиск до майже атмосферного.
