Ультразвуковые расходомеры: Полное руководство для промышленных применений |

Ультразвуковые расходомеры, как важная технология в современных промышленных измерениях расхода, демонстрируют значительные преимущества в различных областях благодаря своим уникальным принципам работы и превосходным эксплуатационным характеристикам. Эта технология в основном делится на два типа: доплеровские и времяпролетные, каждая из которых основана на различных физических принципах для измерения расхода.

Расходомеры Доплера используют акустический эффект Доплера, измеряя поток по сдвигу частоты ультразвуковых волн, отраженных взвешенными частицами или пузырьками в жидкости. Эта технология особенно подходит для сред, содержащих определенное количество взвешенных твердых частиц или пузырьков газа, и поэтому она особенно эффективна в промышленных приложениях, таких как очистка сточных вод. Расходомеры времени прохождения, напротив, используют разницу во времени распространения ультразвуковых волн, обеспечивая более высокую точность измерений и применяются в основном для относительно чистых жидких сред.

В области автоматизации очистки сточных вод, ультразвуковые расходомеры обладают несколькими техническими преимуществами. Их бесконтактный метод измерения полностью исключает потери давления в трубопроводах и устраняет проблемы износа, характерные для традиционных механических расходомеров. Бесконтактный характер датчиков обеспечивает химическую совместимость, а также значительно снижает потребность в обслуживании. Кроме того, эта технология хорошо подходит для измерения расхода электропроводных жидкостей и различных водных растворов.

Следует отметить, что ультразвуковые счетчики также имеют определенные ограничения. Для ультрачистых сред, таких как дистиллированная вода, отсутствие достаточного количества акустических отражающих поверхностей может существенно повлиять на точность измерений. Аналогично, в приложениях с крайне высокими санитарными требованиями, такими как питьевая вода, необходимо тщательно оценивать их применимость. Эти особенности делают эту технологию более подходящей для измерения загрязненных жидкостей в промышленных процессах, чем для высокочистых сред.

С исторической точки зрения, технологическая основа ультразвуковых счетчиков восходит к акустическим исследованиям середины XIX века. Научное открытие эффекта Доплера заложило важный теоретический фундамент для последующих инженерных приложений. Это физическое явление не только объясняет суть сдвигов акустических частот, но и предоставляет инновационные решения современным технологиям измерения потока.

Ультразвуковые расходомеры, как передовая технология измерения расхода, работают на основе изменений характеристик распространения звуковых волн в движущейся среде. В зависимости от принципа измерения, они в основном делятся на два типа: доплеровские и времяпролетные.

Этот тип расходомеров использует эффект Доплера для измерения потока. Когда ультразвуковой сигнал сталкивается с взвешенными частицами или пузырьками в движущейся среде, он генерирует отражённые волны. Поскольку отражатели движутся вместе с жидкостью, частота отражённых волн смещается, что известно как доплеровский сдвиг. Величина этого сдвига напрямую связана со скоростью потока жидкости, что позволяет рассчитать скорость потока путём точного измерения сдвига частоты. Для обеспечения эффективного измерения среда должна содержать определённую концентрацию взвешенных частиц, выступающих в роли акустических отражателей.

Расходомеры времени прохождения определяют скорость потока, измеряя разницу во времени распространения ультразвуковой волны в направлениях по течению и против течения. В неподвижной жидкости время распространения в обоих направлениях одинаково. Когда жидкость движется, время распространения по течению сокращается, а против течения — увеличивается. Точно измеряя эту разницу во времени и комбинируя её с геометрическими параметрами трубопровода, можно точно рассчитать среднюю скорость потока. Этот метод особенно подходит для относительно чистых жидких сред.

Типичная система ультразвукового расходомера состоит из следующих основных компонентов:

Рабочий процесс выглядит следующим образом: блок обработки сигналов генерирует высокочастотный электрический сигнал для приведения в действие преобразователя, который преобразует электрический сигнал в ультразвуковую волну и передает ее в жидкость. Преобразователь, принимающий сигнал, преобразует отраженную или переданную ультразвуковую волну обратно в электрический сигнал, который затем обрабатывается для вычисления скорости потока и расхода.

При практических применениях следует учитывать следующие факторы:

Благодаря технологическим достижениям современные ультразвуковые расходомеры разработали более совершенные режимы измерения, такие как адаптивная гибридная технология измерения, которая автоматически выбирает оптимальный режим измерения в зависимости от характеристик среды, что дополнительно повышает точность и надежность измерений.

Ультразвуковые расходомеры представляют собой бесконтактную технологию измерения расхода, основанную на акустических принципах, которая определяет скорость потока путем обнаружения изменений в характеристиках распространения ультразвуковых волн в жидкостях. Устройство имеет конструкцию с зажимом, которое может устанавливаться непосредственно на внешней стенке трубопровода без нарушения его структуры или контакта со средой, что делает его особенно подходящим для коррозионных жидкостей или тяжелых условий, таких как высокое давление и высокая температура. Кроме того, его портативная конструкция обеспечивает высокую гибкость для промышленных инспекций и временных измерений.

Ультразвуковые расходомеры в основном делятся на два типа: доплеровские и времяпролетные, каждый из которых основан на различных физических механизмах измерения расхода:

По сравнению с традиционными механическими расходомерами, ультразвуковые расходомеры обладают преимуществами, такими как отсутствие потерь давления, отсутствие износа и высокая адаптивность, что делает их особенно подходящими для таких отраслей, как очистка сточных вод, химическая промышленность и энергетика. Однако точность их измерений существенно зависит от характеристик среды, поэтому при выборе необходимо комплексно учитывать такие факторы, как свойства жидкости, состояние трубопровода и реальные требования к применению, чтобы обеспечить оптимальные показатели измерения.

Ультразвуковые расходомеры также хорошо подходят для применений, требующих низкого перепада давления и минимального технического обслуживания. Доплеровские ультразвуковые расходомеры представляют собой объемные расходомеры, идеально подходящие для аэрированных жидкостей, таких как сточные воды или суспензии. Расходомеры ультразвука времени прохождения, в свою очередь, отлично подходят для чистых жидкостей, таких как вода или нефть.

Существует три основных типа ультразвуковых расходомеров. Такие факторы, как тип выходного сигнала (аналоговый или цифровой), размер трубы, минимальная и максимальная рабочая температура, давление и скорость потока, будут влиять на выбор ультразвукового расходомера, наиболее подходящего для вашего применения.

Ультразвуковые расходомеры с зажимом бывают с одним и двумя датчиками. В версии с одним датчиком передающий и принимающий кристаллы находятся в одном корпусе датчика, который крепится к одной точке на поверхности трубы. Для акустического соединения датчика с трубой используется специальный контактный состав. В версии с двумя датчиками передающий кристалл находится в одном корпусе, а принимающий — в другом. Ультразвуковые доплеровские расходомеры подвержены помехам, исходящим от самой стенки трубы и любых воздушных зазоров между датчиком и стенкой трубы. Если стенка трубы изготовлена из нержавеющей стали, она может проводить передаваемый сигнал на достаточное расстояние, чтобы вызвать смещение возвращающегося эха, что будет мешать измерению. Внутренние акустические неоднородности также присутствуют в медных трубах, а также в трубах с бетонной, пластиковой или стеклопластиковой внутренней облицовкой. Эти неоднородности могут рассеивать передаваемый сигнал или ослаблять возвращаемый сигнал, что значительно снижает точность расходомера (часто до ±20%). В большинстве случаев, если труба имеет внутреннюю облицовку, зажимные расходомеры могут вообще не работать.

1.1 Оценка и подтверждение системы трубопроводов

Перед установкой необходимо провести комплексную оценку целевой системы трубопроводов, уделяя внимание тому, соответствует ли материал труб основным требованиям для акустической передачи. Металлические трубы, такие как углеродистая и нержавеющая сталь, обычно обладают хорошими акустическими свойствами, тогда как неметаллические трубы или трубы, облицованные специальными материалами, требуют дополнительной проверки. Также необходимо тщательно проверить состояние облицовки труб. Некоторые материалы облицовки (например, резина или полиуретан) могут существенно влиять на эффективность передачи ультразвуковых сигналов. Кроме того, внутренний диаметр труб должен точно соответствовать техническим характеристикам расходомера, поскольку любые отклонения могут вызвать ошибки измерения.

1.2 Критерии выбора места установки

Выбор идеального места установки критически важен для обеспечения точности измерений. Предпочтение следует отдавать горизонтальным участкам трубопровода или вертикальным участкам с восходящим потоком, избегая участков с вертикальным нисходящим потоком. Необходимо обеспечить достаточную длину прямых участков трубопровода, обычно требуется как минимум 10 диаметров трубы до и 5 диаметров трубы после прибора. Следует избегать установки вблизи колен, клапанов, насосов или других фитингов, которые могут вызывать возмущения потока. Место установки также должно находиться вдали от источников сильной вибрации и электромагнитных помех, а также необходимо учитывать влияние колебаний температуры окружающей среды на стабильность измерений.

2.1 Процесс обработки поверхности трубы

Качество обработки внешней поверхности трубы напрямую влияет на эффективность передачи ультразвукового сигнала. Перед установкой поверхность трубы должна быть тщательно очищена от ржавчины, оксидных слоев и старых покрытий. Для грубых поверхностей рекомендуется использовать мелкозернистую наждачную бумагу для полировки до достижения гладкой и ровной контактной поверхности. Обработанная поверхность должна быть свободна от масла, пыли или других загрязнений; при необходимости могут быть использованы специализированные очищающие средства. Область обработки должна превышать область контакта преобразователя в 2–3 раза, чтобы обеспечить достаточный запас при установке.

2.2 Технология точного позиционирования преобразователя

Точность позиционирования преобразователя имеет решающее значение для результатов измерений. Расстояние между преобразователями должно строго определяться в соответствии с руководством производителя, с использованием профессиональных приспособлений для позиционирования, чтобы обеспечить точность. Особое внимание необходимо уделить осевому выравниванию двух преобразователей, поскольку даже незначительные угловые отклонения могут вызывать затухание сигнала. Рекомендуется использовать лазерные инструменты выравнивания для обеспечения идеального относительного позиционирования. Для труб большого диаметра также следует учитывать овальность трубы при установке.

3.1 Процедура испытания системы на работоспособность

После установки обязательна комплексная проверка системы. Сначала проведите тест уровня сигнала, чтобы убедиться, что принимаемый сигнал соответствует рекомендованному значению производителя. Затем проверьте соотношение сигнал/шум для устранения помех окружающей среды. Убедитесь в стабильности измерений при различных условиях потока, наблюдая, является ли форма сигнала четкой и стабильной. Обратите особое внимание на динамические характеристики системы при изменении потока, чтобы обеспечить соответствие динамических измерительных показателей заданным требованиям. В конце проведите долгосрочные испытания на стабильность, осуществляя непрерывный контроль измерительных данных в течение более чем 24 часов.

3.2 Стандарты подтверждения рабочего состояния

Перед вводом системы в эксплуатацию требуется выполнить несколько проверок. Во-первых, убедитесь, что функция обнаружения заполненной трубы работает корректно, поскольку это основа точности измерений. Во-вторых, протестируйте функцию компенсации температуры, чтобы оценить стабильность измерений при изменении температурных условий. Проверьте функцию самодиагностики системы, чтобы обеспечить своевременное обнаружение и сигнализацию о неисправностях. Наконец, определите базовые значения измерений для последующего технического обслуживания и калибровки.

4.1 Технические требования к установке трубопроводов при высокой температуре

Для труб с высокотемпературной средой необходимо принять специальные меры теплоизоляции. Рекомендуется использовать высокотемпературные связывающие агенты и теплозащитные кожухи. Между преобразователями и трубами с высокой температурой следует установить эффективные слои тепловой изоляции, чтобы предотвратить повреждение электронных компонентов из-за теплопроводности. Также следует учитывать влияние температурного градиента на точность измерений, при необходимости использовать дополнительные датчики температурной компенсации.

4.2 Решения для вибрационной среды

В условиях высокой вибрации необходимо реализовать эффективные меры по гашению вибрации. Для крепления преобразователей можно использовать специализированные виброгасящие кронштейны или устанавливать виброгасители на трубах. Следует выбирать преобразователи с лучшей устойчивостью к вибрации и соответствующим образом регулировать параметры фильтрации сигналов. Повышение частоты выборки измерений и усреднение данных могут улучшить стабильность в таких условиях.

5.1 Регулярные работы по техническому обслуживанию

Установите систему регулярного технического осмотра, уделяя особое внимание состоянию контактной среды и стабильности сигнала. Проводите комплексную проверку системы не реже одного раза в месяц, включая проверку механических креплений, электрических соединений и качества сигнала. Содержите поверхности преобразователей в чистоте и периодически заменяйте устаревшую контактную среду. Ведите полные записи технического обслуживания для отслеживания тенденций в работе системы.

5.2 Стандарты периодической калибровки

Разработайте обоснованный цикл калибровки в зависимости от условий эксплуатации, обычно рекомендуется проводить калибровку на месте один раз в 12 месяцев. При калибровке используйте сертифицированные эталонные приборы и соблюдайте стандартные эксплуатационные процедуры. Подробно записывайте и анализируйте данные калибровки, немедленно выявляя и исследуя любые отклонения. Для важных измерительных точек сократите цикл калибровки или внедрите онлайн-калибровку.

Ультразвуковые расходомеры широко используются в различных промышленных приложениях. Поскольку они измеряют расход с использованием звуковых волн и являются бесконтактными, они идеально подходят для многих сценариев. Ультразвуковые расходомеры в основном используются в нефтяной и газовой промышленности. Кроме того, они применяются в химической, фармацевтической, пищевой и напитковой, металлургической, горнодобывающей, целлюлозно-бумажной и водоочистной промышленности.