Υπερηχητικά Παχύμετρα Ροής

Υπερήχθονες μετρητές ροής: Επισκόπηση, αρχές και εφαρμογές

Σύνοψη

Τα υπερηχητικά μετρητές ροής μετρούν την ταχύτητα του υγρού αναλύοντας πώς τα υπερηχητικά κύματα εξαπλώνονται μέσω ρευστών μέσων.

Μέθοδοι χρόνου πτήσης (TOF) (άμεση διαφορά χρόνου, διαφορά φάσης, διαφορά συχνότητας)

Μέθοδος Ντόπλερ

Μέθοδος εκτροπής δέσμης

Μέθοδος συσχέτισης θορύβου

Με τις εξελίξεις στα ολοκληρωμένα κυκλώματα, τα υπερηχητικά μετρητές ροής έχουν γίνει ευρέως αποδεκτά σε βιομηχανικές εφαρμογές τις τελευταίες δεκαετίες.

Πλεονεκτήματα

Μη επεμβατική μέτρηση

Χωρίς κινούμενα μέρη → χωρίς πτώση πίεσης ή διαταραχή ροής

Κατάλληλο για μεγάλους σωλήνες, ανοιχτά κανάλια και δυσπρόσιτα υγρά

Μπορεί να μετρήσει διαβρωτικά, μη αγωγικά, ραδιενεργά και εύφλεκτα υγρά

Ευρεία εφαρμογή

Περιοχή διαμέτρου σωλήνα: 2 cm έως 5 m

Μπορεί να μετρήσει υγρά και αέρια

Φορητά μοντέλα που είναι διαθέσιμα για προσωρινές μετρήσεις (π.χ. εισροή νερού από τουρμπίνες σε σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας)

Οικονομικά αποδοτικό για μεγάλους σωλήνες

Η εγκατάσταση δεν κλιμακώνεται με το μέγεθος του σωλήνα (σε αντίθεση με τα μηχανικά μετρητά ροής)

Καμία μετατόπιση βαθμονόμησης λόγω αλλαγών θερμοκρασίας, πίεσης ή ιξώδους

Πολλαπλομορφία στα προκλητικά μέσα ενημέρωσης

Η μέθοδος Ντόπλερ μπορεί να μετρήσει τα λιπάσματα, τα λύματα και τις ροές δύο φάσεων

Οι μέθοδοι χρόνου πτήσης προσφέρουν υψηλή ακρίβεια για καθαρά υγρά

Μειονεκτήματα

Περιορισμοί θερμοκρασίας

Περιορίζεται από υλικό μετατροπέα και κόλλες ζεύξης (συνήθως < 200 °C)

Η έλλειψη δεδομένων ακουστικής ταχύτητας υψηλής θερμοκρασίας επηρεάζει την ακρίβεια

Σύνθετη επεξεργασία σήματος

Η ταχύτητα του υγρού (~ m/s) είναι μικρή σε σύγκριση με την ταχύτητα του ήχου (~ 1500 m/s)

Απαιτεί ηλεκτρονική υψηλής ακρίβειας (10-5 έως 10-6 ακρίβεια)

Εξαρτησία από υγρά

Η μέθοδος Doppler απαιτεί ανακλαστήρες (π.χ. φυσαλίδες, σωματίδια)

Οι μέθοδοι χρόνου πτήσης απαιτούν καθαρά, ομοιογενή υγρά

Απαιτήσεις εγκατάστασης

Απαιτούνται ευθείες διαδρομές σωλήνων για την αποφυγή στρεβλώσεων του προφίλ ροής

Προβλήματα σύνδεσης σε διαβρωμένα ή επενδυμένα σωλήνες

Βασικές Αρχές

Ένα υπερηχητικό μετρητή ροής αποτελείται από:

Μετασχηματιστές Μετατρέπουν την ηλεκτρική ενέργεια σε υπερηχητικά κύματα (και αντίστροφα) χρησιμοποιώντας πιεζοηλεκτρικά στοιχεία (π.χ. PZT).

Σύνδρομο επεξεργασίας σήματος μετρά τις διαφορές χρόνου (TOF) ή τις μετατοπίσεις συχνότητας (Doppler).

Η μονάδα εμφάνισης/έκδοσης δείχνει στιγμιαία και σωρευτική ροή.

Βασικές τεχνολογίες

Πιεζοηλεκτρικοί μεταγωγείς: λεπτοί δίσκοι (σύνθεση διαμέτρου προς πάχους 10: 1) κατασκευασμένοι από τιτανικό ζιρκονικό μόλυβδο (PZT).

Ακουστικές σφήκες: Κατασκευασμένες από PMMA (ακρυλικό) ή καουτσούκ για να κατευθύνουν τα κύματα στο υγρό αποτελεσματικά.

Τρόποι μέτρησης:

Διαμορφώσεις Z/V/X: Βελτιστοποίηση της διαδρομής σήματος για το μέγεθος του σωλήνα.

Κράτημα-On vs. Ενυδατωμένοι αισθητήρες: Ανταλλαγές μεταξύ ευκολίας και ακρίβειας.

Βιομηχανικές χρήσεις

Νερό και λυμάτων: ροή ποταμών, επεξεργασία λυμάτων.

Πετρέλαιο και φυσικό αέριο: παραγόμενο νερό, χημική ένεση.

Ενέργεια: νερό ψύξης, συστήματα ατμού.

Ηλιακό σύστημα: ψυγμένο νερό, παρακολούθηση ψυκτικού.

Μελλοντικές τάσεις

Αισθητήρες υψηλότερης θερμοκρασίας: επεκτείνονται πέρα από τα όρια των 200 °C.

Επεξεργασία σήματος με υποστήριξη τεχνητής νοημοσύνης: Αποζημίωση για σφάλματα προφίλ ροής.

Υβριδικά συστήματα: συνδυασμός Doppler και TOF για ευρύτερη συμβατότητα υγρών.

Τα υπερηχητικά μετρητές ροής είναι ιδανικά για ενεργειακά αποδοτικές, μη επεμβατικές μετρήσεις, αλλά η σωστή επιλογή (Doppler έναντι TOF) και η εγκατάσταση είναι κρίσιμες για βέλτιστες επιδόσεις.