Ультразвуковые потокометры

Ультразвуковые расходомеры: Обзор, принципы и применение

Обзор

Ультразвуковые расходомеры измеряют скорость потока жидкости, анализируя распространение ультразвуковых волн через движущуюся среду. В зависимости от метода обнаружения они классифицируются на:

Методы времени пролёта (TOF) (прямая разница во времени, разница фаз, разница частот)

Доплеровский метод

Метод отклонения луча

Метод корреляции шума

Благодаря достижениям в области интегральных схем, ультразвуковые расходомеры получили широкое распространение в промышленных приложениях за последние несколько десятилетий.

Преимущества

Неинтрузивное измерение

Отсутствие движущихся частей → отсутствие падения давления или возмущений потока

Подходят для больших труб, открытых каналов и труднодоступных жидкостей

Могут измерять коррозионные, непроводящие, радиоактивные и легковоспламеняющиеся жидкости

Широкая применимость

Диапазон диаметров труб: от 2 см до 5 м

Могут измерять жидкости и газы

Доступны портативные модели для временных измерений (например, водозабор турбины на электростанциях)

Экономически эффективны для больших труб

Установка не масштабируется с размером трубы (в отличие от механических расходомеров)

Отсутствие дрейфа калибровки из-за изменений температуры, давления или вязкости

Универсальность в сложных средах

Доплеровский метод может измерять суспензии, сточные воды и двухфазные потоки

Методы времени пролёта обеспечивают высокую точность для чистых жидкостей

 

Недостатки

Температурные ограничения

Ограничены материалом преобразователя и клеящими веществами (обычно <200°C)

Отсутствие данных о скорости звука при высоких температурах влияет на точность

Сложная обработка сигнала

Скорость жидкости (~м/с) ничтожна по сравнению со скоростью звука (~1500 м/с)

Требуется высокоточная электроника (точность от 10⁻⁵ до 10⁻⁶)

Зависимость от жидкости

Доплеровский метод требует отражателей (например, пузырьков, частиц)

Методы времени пролёта нуждаются в чистых, однородных жидкостях

Требования к установке

Необходимы прямые участки трубы, чтобы избежать искажений профиля потока

Проблемы с соединением в корродированных или футерованных трубах

 

Основные принципы

Ультразвуковой расходомер состоит из:

Преобразователи – Преобразуют электрическую энергию в ультразвуковые волны (и наоборот), используя пьезоэлектрические элементы (например, PZT).

Схема обработки сигнала – Измеряет разницу во времени (TOF) или сдвиги частоты (Доплер).

Блок отображения/вывода – Отображает мгновенный и суммарный расход.

Ключевые технологии

Пьезоэлектрические преобразователи: Тонкие диски (соотношение диаметра к толщине 10:1), изготовленные из титаната-цирконата свинца (PZT).

Акустические клинья: Изготовлены из PMMA (акрила) или резины для эффективного направления волн в жидкость.

Режимы измерения:

Конфигурации Z/V/X: Оптимизируют путь сигнала для размера трубы.

Зажимные и смачиваемые датчики: Компромисс между удобством и точностью.

 

Промышленное применение

Вода и сточные воды: Поток в реке, очистка сточных вод.

Нефть и газ: Добытая вода, химическая инъекция.

Энергетика: Охлаждающая вода, паровые системы.

ОВиК: Охлажденная вода, мониторинг хладагента.

 

Тенденции будущего

Датчики для более высоких температур: Расширение за пределы 200°C.

Обработка сигнала с помощью ИИ: Компенсация ошибок профиля потока.

Гибридные системы: Сочетание доплеровского и TOF для более широкой совместимости с жидкостями.

Ультразвуковые расходомеры идеально подходят для энергоэффективных, неинвазивных измерений, но правильный выбор (Доплер против TOF) и установка имеют решающее значение для оптимальной производительности.