Ультразвукові лічильники витрат: повний посібник для промислових застосувань |

Ультразвукові лічильники витрат, як важлива технологія в сучасних промислових вимірах витрат, демонструють суттєві переваги в різних галузях завдяки своїм унікальним принципам роботи та відмінним експлуатаційним характеристикам. Ця технологія поділяється на два основні типи: доплерівські та часопрольотні, кожен з яких базується на різних фізичних принципах для вимірювання витрати.

Витратоміри Доплера використовують акустичний ефект Доплера, вимірюючи витрати шляхом виявлення зсуву частоти ультразвукових хвиль, відбитих завислими частинками або бульбашками в рідині. Ця технологія особливо підходить для середовищ, що містять певну кількість завислих твердих частинок або бульбашок, що робить її особливо ефективною в промислових застосуваннях, таких як очищення стічних вод. Витратоміри часу проходження, навпаки, використовують різницю в часі поширення ультразвукових хвиль, забезпечуючи більш високу точність вимірювань, і в основному використовуються для відносно чистих рідких середовищ.

У сфері автоматизації очищення стічних вод, ультразвукові лічильники витрати мають кілька технічних переваг. Їх метод вимірювання, що не потребує втручання, повністю усуває втрати тиску в трубопроводах і виключає проблеми зносу, властиві традиційним механічним лічильникам. Неконтактна природа датчиків забезпечує хімічну сумісність і значно зменшує потребу в обслуговуванні. Крім того, ця технологія добре підходить для роботи з електропровідними рідинами та різноманітними водними розчинами.

Варто зазначити, що ультразвукові лічильники витрати також мають певні обмеження. Для надчистих середовищ, таких як дистильована вода, відсутність достатньої кількості акустичних відбивних поверхонь може суттєво вплинути на точність вимірювань. Аналогічно, у застосуваннях із надвисокими санітарними вимогами, наприклад, для питної води, необхідно ретельно оцінювати їхню придатність. Ці особливості роблять цю технологію більш придатною для вимірювання забруднених рідин у промислових процесах, ніж для середовищ із високою чистотою.

З історичної точки зору, технологічні основи ультразвукових лічильників витрати сягають досліджень акустики середини XIX століття. Наукове відкриття ефекту Доплера стало важливою теоретичною основою для подальших інженерних застосувань. Це фізичне явище не лише пояснює сутність зсуву акустичних частот, але й пропонує інноваційні рішення для сучасних технологій вимірювання витрати.

Ультразвукові витратоміри, як сучасна технологія вимірювання витрат, працюють на основі змін у характеристиках поширення звукових хвиль у рухомому середовищі. Залежно від принципу вимірювання, вони поділяються на два основні типи: доплерівські та часопрольотні.

Цей тип витратоміра використовує ефект Доплера для вимірювання витрати. Коли ультразвуковий сигнал стикається з завислими частинками або бульбашками в рухомому середовищі, він створює відбиті хвилі. Оскільки відбивачі рухаються разом із рідиною, частота відбитих хвиль змінюється, що відомо як доплерівський зсув. Величина цього зсуву безпосередньо пов'язана зі швидкістю рідини, що дозволяє обчислювати швидкість потоку шляхом точного вимірювання зсуву частоти. Для забезпечення ефективного вимірювання середовище має містити певну концентрацію завислих частинок, які виступають у ролі акустичних відбивачів.

Витратоміри часу проходження визначають швидкість потоку, вимірюючи різницю часу поширення ультразвукової хвилі у напрямку за течією та проти течії. У нерухомій рідині час поширення в обох напрямках однаковий. Коли рідина рухається, час поширення за течією скорочується, а проти течії — збільшується. Точно вимірявши цю різницю часу та врахувавши геометричні параметри трубопроводу, можна точно обчислити середню швидкість потоку. Цей метод особливо підходить для відносно чистих рідких середовищ.

Типова система ультразвукового витратоміра складається з таких основних компонентів:

Робочий процес виглядає наступним чином: одиниця обробки сигналів генерує високочастотний електричний сигнал для приведення в рух перетворювача, який перетворює електричний сигнал в ультразвукову хвилю і передає її в рідину. Приймальний перетворювач перетворює відбиту або передану ультразвукову хвилю назад у електричний сигнал, який потім обробляється для розрахунку швидкості потоку та витрати.

Під час практичного застосування слід враховувати наступні фактори:

Завдяки технологічним досягненням, сучасні ультразвукові лічильники витрати розвинули більш просунуті режими вимірювання, такі як адаптивна гібридна технологія вимірювання, яка автоматично вибирає оптимальний режим вимірювання залежно від характеристик середовища, що дозволяє ще більше підвищити точність і надійність вимірювань.

Ультразвукові витратоміри є безконтактною технологією вимірювання потоку, що базується на акустичних принципах, і визначають швидкість потоку шляхом виявлення змін у характеристиках поширення ультразвукових хвиль у рідинах. Пристрій має конструкцію з затискачем, який можна встановлювати безпосередньо на зовнішній стінці трубопроводу без порушення його структури або контакту з середовищем, що робить його особливо придатним для вимірювань у корозійних рідинах або в умовах підвищеного тиску та температури. Крім того, його портативна конструкція забезпечує високу гнучкість для промислових інспектувань та тимчасових вимірювань.

Ультразвукові витратоміри поділяються на два основні типи: доплерівські та часу проходження, кожен з яких базується на різних фізичних механізмах вимірювання потоку:

Порівняно з традиційними механічними витратомірами, ультразвукові витратоміри мають переваги, такі як відсутність втрат тиску, відсутність зносу та висока адаптивність, що робить їх особливо придатними для галузей, таких як очищення стічних вод, хімічна промисловість та енергетика. Однак точність їх вимірювань суттєво залежить від характеристик середовища, тому під час вибору необхідно комплексно враховувати такі фактори, як властивості рідини, стан трубопроводів та реальні вимоги до застосування, щоб забезпечити оптимальну точність вимірювань.

Ультразвукові витратоміри також добре підходять для застосувань, що вимагають низького перепаду тиску та мінімального технічного обслуговування. Доплерівські ультразвукові витратоміри є об'ємними витратомірами, які ідеально підходять для аерованих рідин, таких як стічні води або суспензії. Часопрольотні ультразвукові витратоміри, у свою чергу, ідеальні для чистих рідин, таких як вода або нафта.

Існують три основні типи ультразвукових витратомірів. Такі фактори, як тип виведення (аналоговий або цифровий), розмір труби, мінімальна та максимальна температура процесу, тиск і швидкість потоку, впливатимуть на вибір ультразвукового витратоміра, який найкраще підходить для вашого застосування.

Ультразвукові лічильники витрати типу clamp-on випускаються у варіантах з одним або двома датчиками. У варіанті з одним датчиком передавач і приймач розташовані в одному корпусі датчика, який кріпиться до однієї точки на поверхні труби. Для акустичного з'єднання датчика з трубою використовується зв'язувальний засіб. У варіанті з двома датчиками передавач розташований в одному корпусі датчика, а приймач — в іншому. Лічильники витрати типу clamp-on доплерівського типу схильні до завад від стінки труби та повітряних зазорів між датчиком і стінкою труби. Якщо стінка труби виготовлена з нержавіючої сталі, вона може передавати сигнал на достатню відстань, щоб викликати зсув у поверненому ехосигналі, що заважатиме вимірюванням. Внутрішні акустичні розриви також притаманні трубам із міді, з бетонним або пластиковим покриттям, а також армованим скловолокном. Ці розриви можуть розсіювати переданий сигнал або послаблювати повернений сигнал, суттєво зменшуючи точність лічильника (найчастіше до ±20%). У більшості випадків, якщо труба має внутрішнє покриття, лічильники витрати типу clamp-on можуть взагалі не працювати.

1.1 Оцінка та підтвердження системи трубопроводу

Перед встановленням необхідно провести комплексну оцінку системи трубопроводу, звертаючи увагу на те, чи матеріал труб відповідає базовим вимогам для акустичної передачі. Металеві труби, такі як вуглецева сталь і нержавіюча сталь, зазвичай мають гарні акустичні властивості, тоді як неметалеві труби або труби, обладнані спеціальними покриттями, потребують додаткового підтвердження. Стан внутрішнього покриття труб також необхідно ретельно перевірити, оскільки певні матеріали покриття (наприклад, гума або поліуретан) можуть суттєво впливати на ефективність передачі ультразвукового сигналу. Крім того, внутрішній діаметр труби має точно відповідати технічним характеристикам лічильника витрати, тому що будь-які відхилення можуть призвести до похибок вимірювання.

1.2 Критерії вибору місця встановлення

Вибір оптимального місця встановлення має критичне значення для забезпечення точності вимірювань. Перевагу слід надавати горизонтальним ділянкам трубопроводу або вертикальним ділянкам із напрямком потоку знизу вгору, уникання ділянок із вертикальним напрямком потоку згори вниз. Необхідно забезпечити достатню довжину прямих ділянок трубопроводу, як правило, не менше ніж 10 діаметрів труби до місця встановлення та 5 діаметрів труби після нього. Уникати встановлення поблизу відрізних ковток, клапанів, насосів або інших фітингів, які можуть викликати збурення потоку. Місце встановлення також має бути віддаленим від джерел сильних вібрацій і електромагнітних перешкод, а також слід враховувати вплив коливань температури навколишнього середовища на стабільність вимірювань.

2.1 Процес обробки поверхні труби

Якість обробки зовнішньої поверхні труби безпосередньо впливає на ефективність передачі ультразвукового сигналу. Перед встановленням поверхню труби необхідно ретельно очистити від іржі, шарів окислення та старого покриття. Для шорстких поверхонь рекомендується використовувати дрібнозернистий шліфувальний папір для полірування до досягнення гладкої, рівної контактної поверхні. Оброблена поверхня має бути вільною від олії, пилу та інших забруднень, за необхідності можна застосовувати спеціальні засоби для очищення. Оброблена ділянка має бути у 2–3 рази більшою, ніж площа контакту перетворювача, щоб забезпечити достатній запас для встановлення.

2.2 Технологія точного позиціонування перетворювачів

Точність позиціонування перетворювачів має вирішальне значення для результатів вимірювання. Відстань між перетворювачами має визначатися суворо відповідно до інструкції виробника, використовуючи професійні фіксаційні пристосування для забезпечення точності. Особливу увагу слід звернути на осьове вирівнювання двох перетворювачів, оскільки навіть незначні кутові відхилення можуть призводити до загасання сигналу. Рекомендується використовувати лазерні інструменти для вирівнювання, щоб забезпечити ідеальну взаємну позицію. Для труб великих діаметрів також слід враховувати овальність труби для точності встановлення.

3.1 Процедура тестування продуктивності системи

Після встановлення необхідна комплексна перевірка системи. Спочатку виконайте тест рівня сигналу, щоб переконатися, що отриманий сигнал відповідає рекомендованому значенню виробника. Потім перевірте відношення сигнал/шум, щоб усунути перешкоди зовнішнього середовища. Перевірте стабільність вимірювань за різних умов потоку, спостерігаючи, чи є форма сигналу чіткою та стабільною. Зверніть особливу увагу на характеристики відгуку системи під час зміни потоку, щоб переконатися, що динамічні характеристики вимірювання відповідають вимогам. Нарешті, проведіть тривалі тести стабільності, безперервно спостерігаючи за даними вимірювань протягом понад 24 годин.

3.2 Стандарти підтвердження робочого стану

Перед введенням системи в експлуатацію потрібно виконати кілька перевірок. По-перше, переконайтеся, що функція виявлення заповнення труби працює правильно, адже це є основою точності вимірювань. По-друге, протестуйте функцію температурної компенсації, щоб спостерігати стабільність вимірювань за змінних температурних умов. Перевірте функцію само діагностики системи, щоб забезпечити своєчасне виявлення та сповіщення про відхилення. Нарешті, встановіть базові значення вимірювань для подальшого обслуговування та калібрації.

4.1 Специфікації монтажу трубопроводів при високих температурах

Для трубопроводів з високотемпературними середовищами необхідно застосовувати спеціальні заходи ізоляції. Рекомендується використовувати високотемпературні змащувальні матеріали та теплозахисні ковпаки. Між перетворювачами та трубопроводами з високою температурою необхідно встановлювати ефективні шари теплової ізоляції, щоб запобігти пошкодженню електронних компонентів через теплопровідність. Також слід враховувати вплив градієнта температури на точність вимірювань, за необхідності встановлювати додаткові датчики температурної компенсації.

4.2 Рішення для умов вібрації

У середовищах із високою вібрацією необхідно застосовувати ефективні заходи з демпфування вібрації. Для кріплення перетворювачів можна використовувати спеціальні віброгасильні кронштейни або встановлювати віброгасильні пристрої на трубопроводи. Слід обирати перетворювачі з кращим опором до вібрації та відповідним чином налаштовувати параметри фільтрації сигналу. Підвищення частоти вибірки вимірювань та усереднення даних може покращити стабільність у таких умовах.

5.1 Звичайні елементи технічного обслуговування

Встановити систему регулярного огляду, зосередивши увагу на стані зв'язувального агента та стабільність сигналу. Проводити комплексну перевірку системи не менше одного разу на місяць, включаючи механічне кріплення, електричні з'єднання та оцінку якості сигналу. Тримати поверхні перетворювачів чистими та періодично замінювати старі зв'язувальні агенти. Вести повні записи технічного обслуговування для відстеження тенденцій роботи системи.

5.2 Стандарти періодичної калібрування

Розробити обґрунтований цикл калібрування залежно від умов експлуатації, зазвичай рекомендується проводити калібрування на місці не рідше ніж один раз на 12 місяців. Під час калібрування використовувати сертифіковані стандартні пристрої та дотримуватися стандартних експлуатаційних процедур. Детально записувати та аналізувати дані калібрування, негайно розслідуючи всі аномалії. Для критичних контрольних точок скоротити цикл калібрування або впровадити онлайн-калібрування.

Ультразвукові витратоміри широко використовуються в різних промислових застосуваннях. Оскільки вони вимірюють витрату за допомогою звукових хвиль і є неінвазивними, вони ідеально підходять для багатьох сценаріїв. Ультразвукові витратоміри в основному використовуються в нафтогазовій промисловості. Крім того, їх застосовують у хімічній, фармацевтичній, харчовій та beverage, металургійній, гірничій, целюлозно-паперовій та в промисловості очищення стічних вод.