Înțelegerea debitmetrelor cu ultrasunete și principiul său de funcționare în măsurarea debitului de apă

Măsurarea debitului implică determinarea cantității de fluid care trece printr-o suprafață specifică a unei nave la un anumit moment. La fel ca orice formă de măsurare, are aplicații în viața de zi cu zi, de la utilizarea sa în monitorizarea consumului de apă și gaz pentru estimarea facturilor până la aplicații industriale mai critice (de exemplu, amestecarea pe scară largă a mai multor substanțe chimice) în care măsurarea debitului joacă un rol cheie în menținerea calitatea procesului / produsului.

Pentru a determina debitul, sunt utilizate tipuri speciale de contoare denumite debitmetre. Există multe tipuri diferite de debitmetre, datorită diverselor cerințe în măsurarea debitului (liniar / neliniar, masă / debit volumetric etc.). Contoarele variază între ele pe baza diferiților factori, inclusiv; tehnica de măsurare pe care o aplică, parametrii de debit specific pe care îi monitorizează, volumul de fluid pe care îl pot urmări și atributele lor fizice pentru a menționa câțiva. YFS201 este un senzor popular pentru debitul de apă, pe care l-am folosit anterior pentru a măsura debitul de apă folosind Arduino și rata calculată a debitului și a volumului dispersat.

Unele dintre tipurile / categoriile de debitmetre includ; Turbină, Vortex, Masă termică, Magnetic, Unelte ovale, Paletă, Coriolis, Debit masic, Debit redus și Debitmetre cu ultrasunete care sunt în centrul acestui articol. Debitmetrele cu ultrasunete oferă un mijloc neinvaziv, foarte fiabil de a determina cantitatea de fluid care curge printr-o navă și au găsit aplicații în diferite industrii, de la petrol și gaze până la furnizorii de utilități.

Pentru acest articol, vom analiza toate aspectele din jurul debitmetrului cu ultrasunete, modul în care funcționează, avantajele și dezavantajele.

Debitmetrul cu ultrasunete

După cum sugerează și numele, debitmetrul cu ultrasunete, unul dintre debitmetrele utilizate pe scară largă, este un dispozitiv neintruziv care calculează debitul volumic al fluidului măsurând viteza acestuia cu ultrasunete. Poate măsura fluxul fluidului în practic orice fluid unde undele sonore pot transmite. Acest tip de debitmetru este de obicei considerat „hibrid”, deoarece poate folosi principiul Doppler sau metoda timpului de tranzit pentru a măsura debitul, vom discuta ambele principii mai târziu în acest articol. Rețineți că acești debitmetri sunt numiți și ca debitmetru Doppler dacă funcționează folosind principiul doppler.

Debitmetrele cu ultrasunete sunt cele mai ideale pentru aplicații de apă în care sunt necesare căderi de presiune reduse, întreținere redusă și compatibilitate chimică. În general, acestea nu vor funcționa cu apă potabilă sau distilată, dar sunt potrivite pentru aplicații de apă uzată sau lichide murdare conductive. Sunt utilizate cu lichide abrazive și corozive, deoarece nu împiedică lichidul să curgă prin conducte.

Principiul de funcționare al debitmetrului cu ultrasunete

Debitmetrele cu ultrasunete utilizează principiile ecoului și variația vitezei sunetului pe diferite medii pentru a măsura debitul. Contoarele conțin de obicei doi traductori cu ultrasunete, unul acționând ca emițător și celălalt ca receptor. Cei doi traductori ar putea fi montați unul lângă altul sau la un unghi unul de celălalt pe laturile opuse ale navei. Traductorul care transmite emite impulsuri sonore de la suprafața senzorului către fluid și este recepționat de traductorul desemnat ca receptor. Timpul necesar pentru ca impulsul sonor să se deplaseze de la transmițător la receptor, cunoscut sub numele de timp de tranzit, este apoi estimat și utilizat pentru determinarea debitului și a altor parametri.

Pentru a doua configurație, cu emițătorul și receptorul plasate unul lângă altul, emițătorul emite impulsul de sunet în timp ce receptorul monitorizează timpul necesar pentru a primi un ecou al transmisiei.

Indiferent de configurația senzorului, măsurarea cu diferența de timp de tranzit se bazează pe faptul că; undele sonore care se propagă în direcția de curgere a mediului se mișcă mai repede decât undele care se propagă împotriva direcției de curgere a mediului. Astfel, diferența de timp de tranzit este direct proporțională cu viteza de curgere a mediului și acest principiu este utilizat pentru a măsura cu precizie volumul de gaze și lichide și, de asemenea, pentru a obține densitatea și vâscozitatea.

În timp ce cele două metode de mai sus sunt cele foarte utilizate în mod obișnuit, debitmetrele cu ultrasunete diferite folosesc o versiune modificată a acestei, pe baza tipului de lichid și a măsurătorilor care trebuie efectuate. Imaginea de mai jos a contorului de apă cu ultrasunete ilustrează modul în care traductoarele din amonte și din aval sunt plasate în interiorul unei conducte de senzori împreună cu niște reflectoare pentru un design al debitmetrului de apă. Configurarea hardware reală a aceluiași lucru este, de asemenea, afișată cu ambele traductoare marcate.

Calculul debitului utilizând senzori de debit ultrasonici

Pentru a obține o înțelegere mai clară a tehnicităților din spatele acestui lucru, luați în considerare imaginea de mai jos care prezintă prima configurație cu traductoarele transmițător (TA) și receptor (TB) montate la un unghi unul față de celălalt;

Lăsați timpul necesar unei unde acustice să se deplaseze de la transmițător la receptor, adică în direcția de curgere a mediului să fie T _{A –B} și timpul necesar pentru a se deplasa de la traductorul de recepție la traductorul de transmisie., adică împotriva direcției de curgere T _{B –A}.

Diferența dintre cele două perioade de tranzit este direct proporțională cu viteza medie a curgerii, v _m a mediului adică;

T _{B –A} - T _{A –B} = v _m ------------- Ecuația 1

Deoarece timpul de tranzit al semnalului este distanța dintre traductorul de transmisie și emițătorul de recepție împărțit la viteza de care are nevoie semnalul acustic pentru a călători de la un traductor la altul

T _{A –B} = L / (C _AB + v * cosα) -------------- Ecuația 2

Și;

T _{B –A} = L / (C _BA - v * cos α) --------------- Ecuația 3

Ecuațiile 2 și 3 definesc debitul dintre traductorul A în amonte și traductorul B în aval. Unde;

v = viteza de curgere a mediului, L = lungimea căii acustice, c = viteza sunetului în mediu și alfa „α” este unghiul față de țeavă la care sunetul ultrasonic se deplasează de la transmițător la receptor.

Presupunând că viteza sunetului în mediu este constantă (adică nu se modifică parametrii precum densitatea fluidului, temperatura etc.) pe care o avem;

(L / (2 * cos)) * (T _{B – A} - T _{A – B}) / (T _{B – A} x T _{A – B})

înmulțind viteza medie cu aria secțiunii transversale a țevii, obținem debitul, Q as;

Q = (π * D ³) / (4 * sin 2α) * (T _{B – A} - T _{A – B}) / (T _{B – A} x T _{A – B})

Aria secțiunii transversale a țevii este constantă pentru un debitmetru cu ultrasunete în linie cu diametrul D.

Implementarea acestor ecuații fără variabile precum densitatea, temperatura, presiunea, viteza sunetului și alte caracteristici media / fluid definite, prezintă motivele în spatele versatilității și preciziei debitmetrelor cu ultrasunete.

Avantaje / Semnificația contoarelor cu ultrasunete

Avantajele majore ale debitmetrelor cu ultrasunete trebuie să fie natura lor neinvazivă și capacitatea lor de a lucra cu orice tip de fluid (deoarece densitatea și viteza sunetului din fluide nu contează). Substanțe diverse (inclusiv substanțe chimice, solvenți, uleiuri etc.) cu proprietăți diferite sunt transportate și distribuite prin sisteme de conducte în fiecare zi, cu necesitatea de a monitoriza fluxul lor. Natura neinvazivă a debitmetrelor cu ultrasunete le face să devină contoare în situații ca aceasta. Acesta este motivul pentru care găsesc aplicații în diferite sectoare industriale, de la industriile chimice la prelucrarea alimentelor, tratarea apei și sectorul petrolului și gazelor.

Dezavantaje

Dezavantajul major al debitmetrelor cu ultrasunete trebuie să fie prețul acestora. Datorită complexității proiectării lor, debitmetrele cu ultrasunete sunt de obicei mai scumpe decât cele de măsurare mecanice sau de altă natură, deoarece necesită mai multe eforturi și componente,

În afară de complexitatea și costul proiectării, debitmetrele cu ultrasunete necesită, de asemenea, un nivel de expertiză la instalare / manipulare, comparativ cu majoritatea celorlalte tipuri de contoare.

Debitmetre ultrasonice de top de pe piață

În timp ce piața debitmetrelor ultrasonice globale este de așteptat să ajungă la 2 miliarde USD până în 2024, piața a cunoscut o creștere puternică în ultimii ani, datorită aplicațiilor sale în numeroase industrii de astăzi și introducerii unor variante nou îmbunătățite. Mulți producători au dezvoltat debitmetre cu ultrasunete cu tehnologie avansată pentru a îmbunătăți precizia măsurătorii. Deoarece acest contor se adresează soluțiilor specifice industriei, se așteaptă ca ultimele evoluții să conducă piața în perioadele prognozate. Debitmetrele cu ultrasunete de top de pe piață includ:

Debitmetre ultrasonice Sonic-View: Sonic-view, una dintre cele mai bune soluții pentru măsurarea debitelor mici de lichid funcționează pe principiul timpului de tranzit. Traductoarele nu sunt în contact cu mediul și nu există piese în mișcare utilizate în instrument. Funcții imbatabile, cum ar fi costuri de proprietate reduse, ani de funcționare fără întreținere, traductoare protejate, un ciclu de viață de contor robust și natura sa insensibilă împotriva vârfurilor de presiune și a particulelor, toate contribuie la motivul pentru care debitmetrul ultrasonic cu vedere sonică este unul dintre cele mai bune soluții pe piața contoarelor.

Contoare de apă cu ultrasunete Shmeters: în diferite condiții de curgere a țevii, acest contor cu apă cu ultrasunete în scopuri industriale și comerciale este capabil să marcheze măsurători ale secțiunii de proiectare cu cea mai mare precizie posibilă de măsurare. Contorul este alimentat cu baterie și poate funcționa neîntrerupt timp de 10 ani cu o singură baterie; consumul său de energie este mai mic de 0,5mW. Poate continua să funcționeze mult timp fără a fi afectat de interferențele magnetice. Între timp, este extrem de fiabil și sensibil, o viteză de curgere de până la 0,002m / s poate fi detectată rapid.

Debitmetrele cu ultrasunete Sitrans FS: oferă performanțe impresionante pentru o varietate de gaze și lichide, deoarece pot funcționa independent de temperatură, vâscozitate, conductivitate, presiune, densitate și în cele mai dificile condiții. Sitrans FS220 se mândrește cu cea mai bună soluție din clasă pentru măsurători simple de debit, deoarece posibilitățile sale par a fi nesfârșite.

În special în aplicațiile destinate consumatorilor, contoarele cu ultrasunete sunt din ce în ce mai îmbunătățite de tehnologii precum LoRa, care permite autorităților municipale și conexe să monitorizeze lucruri precum consumurile de gaze și apă de la distanță. Natura puterii reduse a mediului de comunicație permite acestor contoare să dureze peste 5 ani cu o singură încărcare a bateriei, mult mai mult decât ceea ce se poate realiza folosind contoare mecanice.