Ultradźwiękowe przepływometry

Ultradźwiękowe przepływomierze: przegląd, zasady i zastosowania

Przegląd

Ultrasonic flowmeter mierzy prędkość płynu poprzez analizę sposobu rozprzestrzeniania się fal ultradźwiękowych przez płynące media.

Metody czasu lotu (TOF) (bezpośrednia różnica czasu, różnica fazy, różnica częstotliwości)

Metoda Dopplera

Metoda odchylenia wiązki

Metoda korelacji hałasu

Wraz z postępami w dziedzinie układów scalonych ultradźwiękowe przepływomierze zostały powszechnie stosowane w przemyśle w ciągu ostatnich kilku dekad.

Zalety

Pomiar bez inwazyjności

Brak ruchomych części → brak spadku ciśnienia lub zakłóceń przepływu

Odpowiednie do dużych rur, otwartych kanałów i trudnych do dostępu płynów

Może mierzyć żrące, nieprzewodzące, radioaktywne i łatwopalne płynów

Szeroki zakres zastosowania

Zakres średnicy rury: od 2 cm do 5 m

Może mierzyć cieczy i gazów

Przenośne modele dostępne do pomiarów tymczasowych (np. wchłanianie wody w turbinie w elektrowniach)

Kosztowo korzystne dla dużych rur

Instalacja nie zmienia wielkości rur (w przeciwieństwie do mechanicznych przepływometrów)

Brak odchylenia kalibracji z powodu zmian temperatury, ciśnienia lub lepkości

Różnorodność w trudnych mediach

Metoda Dopplera może mierzyć osady, ścieki i przepływy dwufazowe

Metody obliczania czasu lotu zapewniają wysoką dokładność w przypadku czystego płynu

Wady

Ograniczenia temperatury

Ograniczona przez materiał przetwornika i kleje sprzęgające (zwykle < 200 °C)

Brak danych o prędkości akustycznej w wysokiej temperaturze wpływa na dokładność

Złożone przetwarzanie sygnałów

Prędkość płynu (~ m/s) jest niewielka w porównaniu z prędkością dźwięku (~ 1500 m/s)

Wymaga elektroniki o wysokiej precyzji (dokładność od 10−5 do 10−6)

Uzależnienie od płynów

Metoda Dopplera wymaga odblasków (np. bąbelki, cząstki)

Metody czasu lotu wymagają czystych, jednorodnych płynów

Wymogi dotyczące instalacji

Prostota rur potrzebna do uniknięcia zniekształceń profilu przepływu

Problemy z połączeniem w korozowanych lub wyłożonych rurach

Podstawowe zasady

Ultradźwiękowy przepływomierz składa się z:

Przetworniki: Przetwarzają energię elektryczną w fale ultradźwiękowe (i odwrotnie) przy użyciu elementów piezoelektrycznych (np. PZT).

Obwody przetwarzania sygnału

Wyświetlacz/jednostka wyjściowa Wskazuje natychmiastowy i kumulacyjny przepływ.

Kluczowe technologie

Przewodniki piezoelektryczne: Cienkie dyski (10:1 stosunek średnicy do grubości) wykonane z titanatu cyrkonatu ołowiu (PZT).

Kłodziki akustyczne: wykonane z PMMA (akrylu) lub gumy, aby skutecznie kierować fale do płynu.

Moduły pomiaru:

Konfiguracje Z/V/X: optymalizacja ścieżki sygnału pod kątem wielkości rury.

Clamp-On vs. Wetted Sensors: Kompromis między wygodą a dokładnością.

Użycie przemysłowe

Woda i ścieki: przepływ rzek, oczyszczanie ścieków.

Ropa i gaz: woda wytworzona, wtrysk chemiczny.

Energia: woda chłodząca, systemy parowe.

HVAC: ochłodzona woda, monitorowanie środków chłodniczych.

Przyszłe trendy

Czujniki o wyższej temperaturze: rozszerzające się powyżej granicy 200°C.

Przetwarzanie sygnałów z pomocą AI: Kompensacja błędów profilu przepływu.

Systemy hybrydowe: połączenie dopplera i TOF dla szerszej kompatybilności płynów.

Ultradźwiękowe przepływomierze są idealne do energooszczędnych, nieinwazyjnych pomiarów, ale odpowiedni wybór (Doppler vs. TOF) i instalacja są kluczowe dla optymalnej wydajności.