Ултразвукови измерватели на поток: Пълно ръководство за промишлени приложения |

Ултразвуковите измерватели на поток, като важна технология в съвременните промишлени измервания на поток, демонстрират значителни предимства в различни области благодарение на уникалния си принцип на действие и отличните си експлоатационни характеристики. Тази технология се разделя основно на два типа: Доплер и време на преминаване (time-of-flight), като всеки се основава на различни физически принципи за измерване на потока.

Флуидметри с ефект на Доплер използват акустичния ефект на Доплер, като измерват потока чрез регистриране на промените в честотата на ултразвуковите вълни, отразени от въвежданите частици или въздушни мехурчета в течността. Тази технология е особено подходяща за среди, съдържащи определено количество твърди вещества или въздушни мехурчета, което я прави изключително ефективна в индустриални приложения като пречистване на отпадъчни води. Флуидметри с временен метод (time-of-flight), от друга страна, използват разликата във времето на разпространение на ултразвуковите вълни и осигуряват по-висока точност на измерване, като се прилагат предимно за сравнително чисти течни среди.

В областта на автоматизацията при пречистване на отпадъчни води, ултразвуковите разходомери притежават множество технически предимства. Немуващият метод на измерване напълно избягва загубата на налягане в тръбопроводите и елиминира проблемите с износването, характерни за традиционните механични разходомери. Несъприкасващата се природа на сензорите гарантира химическа съвместимост, докато значително намалява нуждата от поддръжка. Освен това, тази технология е подходяща за провеждащи течности и различни водни разтвори.

Важно е да се отбележи, че ултразвуковите разходомери също имат специфични ограничения. За ултрапълни среди като дестилирана вода, липсата на достатъчно акустични отразяващи повърхности може значително да повлияе на измервателната им точност. По същия начин, в приложения с изключително високи хигиенни изисквания, като питейна вода, е необходима внимателна оценка на тяхната пригодност. Тези характеристики правят технологията по-подходяща за измерване на замърсени течности в индустриални процеси, вместо за високопълни среди.

От историческа гледна точка, технологичните основи на ултразвуковите разходомери могат да бъдат проследени до акустични изследвания от средата на 19-ти век. Научното откритие на ефекта на Доплер е положила важна теоретична основа за последващи инженерни приложения. Това физично явление не само обяснява същността на акустичните промени в честотата, но и осигурява иновативни решения за съвременните технологии за измерване на разход.

Ултразвуковите разходомери, като напреднала технология за измерване на разход, работят въз основа на промените в разпространителните характеристики на звуковите вълни в движещи се среди. В зависимост от принципа на измерване, те се делят предимно на два типа: доплерови и време-импулсни (time-of-flight).

Този тип разходомер използва ефекта на Доплер за измерване на потока. Когато ултразвуков сигнал срещне възвишените частици или въздушни включвания в движещата се среда, той генерира отразени вълни. Тъй като отразителите се движат заедно с флуида, честотата на отразените вълни се променя, което е известно като доплеровото отместване. Величината на това отместване е директно свързана със скоростта на флуида, което позволява скоростта на потока да бъде изчислена чрез прецизно измерване на промяната в честотата. За да се осигури ефективно измерване, средата трябва да съдържа определена концентрация на възвишените частици, които да действат като акустични отразители.

Разходомерите с времево измерване определят скоростта на потока, като измерват разликата във времето на разпространение на ултразвуковата вълна по посока надолу и нагоре по течението. В неподвижна течност времето на разпространение в двете посоки е равно. Когато течността се движи, времето на разпространение по посока надолу се съкращава, докато времето на разпространение нагоре по течението се удължава. Чрез прецизно измерване на тази времева разлика и комбиниране с геометричните параметри на тръбопровода може точно да се изчисли средната скорост на потока. Този метод е особено подходящ за сравнително чисти течни среди.

Типична система за ултразвуково измерване на поток се състои от следните основни компоненти:

Процесът е както следва: единицата за обработка на сигнала генерира високочестотен електрически сигнал, който задвижва преобразувателя, преобразувайки електрическия сигнал в ултразвукова вълна и я предава в течността. Приемният преобразувател преобразува отразената или предадена ултразвукова вълна обратно в електрически сигнал, който след това се обработва за изчисляване на скоростта на потока и дебита.

При практическото прилагане трябва да се вземат предвид следните фактори:

Благодарение на технологичните постижения, модерните ултразвукови разходомери са развили по-усъвършенствани режими на измерване, като адаптивна хибридна измервателна технология, която автоматично избира най-добрия режим на измерване въз основа на характеристиките на средата, което допълнително подобрява точността и надеждността на измерванията.

Ултразвуковите разходомери са ненавлазива технология за измерване на разход, базирана на акустични принципи, като определят скоростта на потока чрез измерване на промените в разпространението на ултразвуковите вълни в течности. Устройството има конструкция тип захващане, което може да се монтира директно на външната стена на тръбопровод без нарушаване на конструкцията на тръбопровода или контакт със средата, което го прави особено подходящо за измерване на корозивни течности и в тежки условия като високо налягане и висока температура. Освен това, неговият преносим дизайн осигурява голяма гъвкавост при индустриални инспекции и временни измервания.

Ултразвуковите разходомери се разделят основно на два типа: доплерови и с измерване на времето на преминаване, всеки от които се основава на различни физически механизми за измерване на разхода:

В сравнение с традиционните механични разходомери, ултразвуковите разходомери предлагат предимства като липса на загуба на налягане, липса на износване и добра адаптивност, което ги прави особено подходящи за индустрии като пречистване на отпадъчни води, химическата промишленост и енергетиката. Въпреки това, точността им при измерване се влияе значително от характеристиките на измерваната среда, затова при избора трябва да се вземат предвид фактори като свойствата на течността, състоянието на тръбопровода и реалните изисквания на приложението, за да се осигури оптимална измервателна производителност.

Ултразвуковите разходомери също са добре подходящи за приложения, изискващи ниска загуба на налягане и ниско поддръжане. Разходомери за Доплеров ефект са обемни разходомери, които са идеални за аерирани течности, като отпадъчни води или суспензии. Ултразвуковите разходомери с принцип на измерване по време на преминаване, от друга страна, са перфектни за чисти течности като вода или петрол.

Има три основни типа ултразвукови разходомери. Фактори като тип изход (аналогов или цифров), размер на тръбопровода, минимална и максимална процесова температура, налягане и дебит ще определят кой ултразвуков разходомер най-добре отговаря на вашето приложение.

Клипс-он ултразвуковите разходомери се предлагат в единичен и двоен сензорен вариант. При единичния сензорен вариант, предавателният и приемният кристал са разположени в един и същ сензорен корпус, който се зажима към една точка на повърхността на тръбата. Използва се съединителен компаунд, за да осигури акустична връзка между сензора и тръбата. При двойния сензорен вариант, предавателният кристал се намира в един сензорен корпус, докато приемният кристал е в другия. Клипс-он Доплер разходомерите са податливи на смущения от самата тръбна стена и евентуални въздушни джобове между сензора и стената на тръбата. Ако тръбната стена е изработена от неръждаема стомана, тя може да предаде сигнала на достатъчно голямо разстояние, така че да се получи отместване на връщащото се ехо, което води до смущения в измерването. Вградени акустични прекъсвания съществуват и при медни тръби, бетонни с подплънка, пластмасови с подплънка и тръби с подсилена фибростъкла. Тези прекъсвания могат да разсейват предадения сигнал или да заглушават връщания сигнал, което значително намалява точността на разходомера (често до ±20%). В повечето случаи, ако тръбата има подплънка, клипс-он разходомерите може изобщо да не работят.

1.1 Оценка и потвърждение на системата от тръбопроводи

Преди инсталацията трябва да се проведе изчерпателна оценка на целевата система от тръбопроводи, като се обърне внимание дали материала на тръбите отговаря на основните изисквания за акустичен пренос. Металните тръби, като въглеродна стомана и неръждаема стомана, обикновено имат добри акустични свойства, докато неметалните тръби или тръбите с покритие от специални материали изискват допълнителна проверка. Състоянието на вътрешното покритие на тръбите също трябва да се провери внимателно, тъй като определени материали за покритие (например гума или полиуретан) могат значително да повлияят на ефективността на предаване на ултразвуковия сигнал. Освен това вътрешният диаметър на тръбата трябва точно да съответства на спецификациите на измервателя на поток, тъй като всяко отклонение може да доведе до грешки в измерването.

1.2 Критерии за избор на мястото за инсталация

Изборът на идеално място за монтаж е от решаващо значение за осигуряване на точност на измерванията. Приоритет трябва да се дава на хоризонтални участъци от тръбопровода или вертикални участъци с възходящо течение, като се избягват вертикални участъци с низходящо течение. Трябва да се осигури достатъчна дължина на правите участъци от тръби, като обикновено се изисква минимум 10 диаметра тръба преди измервателното устройство и поне 5 диаметра тръба след него. Избягвайте монтаж в близост до колена, вентили, помпи или други фитинги, които могат да предизвикат нарушения в потока. Мястото за монтаж също трябва да е на разстояние от източници на силни вибрации и електромагнитни смущения, като се вземе предвид и влиянието на температурните колебания в околната среда върху стабилността на измерванията.

2.1 Процес на обработка на повърхността на тръбата

Качеството на обработката на външната повърхност на тръбата директно влияе на ефективността на предаването на ултразвуковия сигнал. Преди монтажа, повърхността на тръбата трябва да бъде напълно почистена от ръжда, оксидни слоеве и стари покрития. За грапави повърхности се препоръчва полирване с фин пясък, докато се постигне гладка и равна контактна повърхност. Обработената повърхност трябва да бъде без мазнина, прах или други замърсители, а ако е необходимо, могат да се използват специализирани почистващи средства. Обработената зона трябва да бъде 2-3 пъти по-голяма от контактната зона на преобразувателя, за да се осигури достатъчен монтажен допуск.

2.2 Технология за прецизно позициониране на преобразувателя

Точността на позиционирането на преобразувателя е решаваща за резултатите от измерванията. Разстоянието между преобразувателите трябва да се определя строго според инструкциите на производителя, като се използват професионални позиционни фиксатори, за да се осигури точност. Особено внимание трябва да се обърне на осевото подреждане на двата преобразувателя, тъй като дори малки ъглови отклонения могат да предизвикат затихване на сигнала. Препоръчват се лазерни инструменти за подреждане, за да се осигури перфектно относително позициониране. За тръби с голям диаметър трябва да се вземе предвид и овалността на тръбата при инсталирането.

3.1 Процедура за тестване на системните производителности

След монтажа е задължително цялостно изпитване на системата. Първо проведете изпитване на силата на сигнала, за да се уверите, че полученият сигнал отговаря на препоръчителната стойност на производителя. След това проверете съотношението сигнал-шум, за да се избегне смущаване от околната среда. Проверяват се стабилността на измерването при различни условия на поток, като се наблюдава дали сигналът е с ясна и стабилна форма на вълната. Особено внимание трябва да се обърне на характеристиките на реакцията на системата при промени в потока, за да се гарантира, че динамичните показатели на измерване отговарят на изискванията. Накрая, провеждат се дългосрочни изпитвания за стабилност, като се наблюдават непрекъснато данните от измерването в продължение на повече от 24 часа.

3.2 Стандарти за потвърждение на оперативното състояние

Преди пускането на системата в експлоатация са необходими няколко оперативни проверки. Първо, проверете дали функцията за детекция на пълна тръба работи коректно, тъй като това е основно за точността на измерването. След това тествайте функцията за температурна компенсация, за да наблюдавате стабилността на измерването при различни температури. Проверете функцията за само-диагностика на системата, за да се осигури своевременно откриване и сигнализация при аномалии. Накрая, установете базови стойности на измерванията за бъдещото поддръжка и калибрация.

4.1 Спецификации за монтаж на тръби при висока температура

За тръбопроводи с високотемпературни среди трябва да се предприемат специални мерки за топлинна изолация. Препоръчват се високотемпературни свързващи агенти и термозащитни покривала. Трябва да се монтират ефективни топлинни изолационни слоеве между преобразувателите и високотемпературните тръби, за да се предотврати повреждането на електронните компоненти от топлопроводност. Също така трябва да се отчита влиянието на температурния градиент върху точността на измерванията, като при необходимост се използват допълнителни сензори за температурна компенсация.

4.2 Решения за вибрационна среда

В среди с висока вибрация трябва да се прилагат ефективни мерки за виброизолация. Може да се използват специализирани виброгасители за монтиране на преобразуватели или да се инсталират виброгасители на тръбите. Трябва да се избират преобразуватели с по-добра устойчивост на вибрации и съответно да се настройват параметрите на сигналното филтриране. Увеличаването на честотата на измервания и осредняването на данните могат да подобрят стабилността в такива среди.

5.1 Ежедневни поддръжни дейности

Въведете система за редовни проверки, като обърнете особено внимание на състоянието на свързващия агент и стабилността на сигнала. Провеждайте пълна система за проверка поне веднъж месечно, включваща оглед на механичните фиксации, електрическите връзки и оценка на качеството на сигнала. Поддържайте чисти повърхности на преобразувателите и периодично заменяйте остарелите свързващи агенти. Водете пълни записи от поддръжката, за да проследявате тенденциите в работата на системата.

5.2 Стандарти за периодична калибрация

Разработете подходящ цикъл на калибрация въз основа на работната среда, като обикновено се препоръчва калибрация на място на всяка 12 месеца. Използвайте сертифицирани стандартни устройства и спазвайте стандартните оперативни процедури при калибрацията. Записвайте и анализирайте подробно данните от калибрацията, като незабавно разследвате евентуални аномалии. При критични измервателни точки, намалете цикъла на калибрация или прилагайте онлайн калибрация.

Ултразвуковите разходомери се използват широко в различни индустриални приложения. Тъй като измерват разхода чрез звукови вълни и са неинвазивни, те са идеални за много ситуации. Ултразвуковите разходомери предимно се използват в петроло- и газовата индустрия. Освен това, те се прилагат в химическата, фармацевтичната, хранително-въздушната, металургичната, минната, целулозно-хартиената и в индустрията за пречистване на отпадъчни води.