Förstå ultraljudsmätare och dess arbetsprincip i vattenflödesmätning

Flödeshastighetsmätning innefattar bestämning av mängden vätska som passerar genom en specifik ytarea av ett kärl vid en viss tidpunkt. Liksom alla former av mätningar har den vardagliga applikationer, allt från användning vid övervakning av vatten- och gasförbrukning för räkningsuppskattning till mer kritiska industriella applikationer (t.ex. storskalig blandning av flera kemikalier) där flödeshastighetsmätningen spelar en nyckelroll för att bibehålla kvaliteten på processen / produkten.

För att bestämma flödeshastigheten används speciella typer av mätare som kallas flödesmätare. Det finns många olika typer av flödesmätare på grund av de olika kraven på flödesmätning (linjär / icke-linjär, massa / volymhastighet osv.). Mätarna varierar från varandra baserat på olika faktorer inklusive; mättekniken de tillämpar, de specifika flödesparametrarna de övervakar, volymen vätska de kan spåra och deras fysiska attribut för att nämna några. YFS201 är en populär vattenflödessensor, som vi tidigare har använt för att mäta vattenflödet med hjälp av Arduino och beräknad flödeshastighet och spridd volym.

Några av typerna / kategorierna av flödesmätare inkluderar; Turbin, virvel, termisk massa, magnetisk, oval växel, skovelhjul, coriolis, massflöde, lågt flöde och ultraljudsmätare som är fokus för denna artikel. Ultraljudsflödesmätare ger ett icke-invasivt, mycket tillförlitligt sätt att bestämma mängden vätska som strömmar genom ett fartyg och de har hittat applikationer i olika branscher från olja och gas till leverantörer av verktyg.

För den här artikeln kommer vi att titta på allt runt Ultrasonic Flow Meter, hur de fungerar, fördelar och nackdelar.

Ultraljudsmätaren

Som namnet antyder är ultraljudsmätaren, en av de allmänt använda flödesmätarna, en icke-påträngande anordning som beräknar volymflödet av vätska genom att mäta dess hastighet med ultraljud. Det kan mäta vätskeflöde i praktiskt taget alla vätskor där ljudvågor kan överföras. Denna typ av flödesmätare betraktas vanligtvis som ”hybrid” eftersom den antingen kan använda Doppler-principen eller transittidsmetoden för att mäta flöde. Vi kommer att diskutera båda principerna senare i den här artikeln. Observera att dessa flödesmätare är även kallade Doppler flödesmätare om de fungerar med hjälp av principen doppler.

Ultraljudsflödesmätarna är mest idealiska för vattenapplikationer där lågtrycksfall, lågt underhåll och kemisk kompatibilitet krävs. De fungerar vanligtvis inte med dricksvatten eller destillerat vatten men är lämpliga för avloppsvatten eller ledande smutsiga vätskor. De används med slipande och frätande vätskor eftersom de inte hindrar vätska som flyter genom rörledningarna.

Arbetsprincip för Ultrasonic Flow Meter

Ultraljudsmätare använder principerna för eko och variation i ljudhastigheten över olika medier för att mäta flöde. Mätarna innehåller vanligtvis två ultraljudsgivare med en som fungerar som sändare och den andra som mottagare. De två omvandlarna kunde antingen monteras sida vid sida eller i en vinkel från varandra på motsatta sidor om kärlet. Den sändande givaren avger ljudpulser från sensorns yta till vätskan och den tas emot av givaren som är mottagare. Tiden det tar för ljudpulsen att resa från sändaren till mottagaren, känd som transittid, uppskattas sedan och används för att bestämma flödeshastighet och andra parametrar.

För den andra konfigurationen, med sändaren och mottagaren placerad sida vid sida, avger sändaren ljudpulsen medan mottagaren övervakar den tid det tar att ta emot ett eko från sändningen.

Oavsett sensorkonfiguration baseras mätningen med transittidsskillnad på det faktum att; ljudvågor som sprider sig i mediumets flödesriktning rör sig snabbare än vågorna som förökar sig mot mediumets flödesriktning. Således är skillnaden i transittid direkt proportionell mot mediets flödeshastighet och denna princip används för att noggrant mäta volymen av gaser och vätskor och även för att härleda densitet och viskositet.

Medan ovanstående två metoder är de mycket vanliga, använder olika ultraljudsmätare en modifierad version av detta, baserat på vätsketyp och mätning som ska göras. Nedanstående ultraljudsvattenmätarbild illustrerar hur uppströms- och nedströmsgivare placeras inuti ett sensorrör tillsammans med några reflektorer för en design av vattenflödesmätare. Den faktiska hårdvaruuppsättningen av densamma visas också med båda givarna markerade.

Beräkning av flödeshastighet med ultraljudssensorer

För att få en tydligare förståelse för tekniken bakom detta, överväga bilden nedan som har den första konfigurationen med sändaren (TA) och mottagaren (TB) omvandlare monterade i en vinkel mittemot varandra;

Låt tiden det tar en akustisk våg att resa från sändaren till mottagaren, det vill säga i mediumets flödesriktning, vara _{TA –B}, och den tid det tar för den att flytta från den mottagande givaren till den sändande givaren, det är mot flödesriktningen T _{B –A}.

Skillnaden i de två överföringstiderna är direkt proportionell mot den genomsnittliga strömningshastigheten, v _m av mediet, dvs;

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

Eftersom signalens transittid är avståndet mellan den sändande givaren och den mottagande sändaren dividerat med den hastighet som den akustiska signalen behöver för att resa från en givare till den andra vi har

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

Och;

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

Ekvationerna 2 och 3 definierar flödeshastigheten mellan givare A uppströms och givare B nedströms. var;

v = mediumets flödeshastighet, L = den akustiska banans längd, c = ljudets hastighet i mediet, och alfa “α” är vinkeln mot röret vid vilket ultraljudet rör sig från sändaren till mottagaren.

Om vi ​​antar att ljudhastigheten i mediet är konstant (dvs. ingen förändring av parametrar som vätskans densitet, temperatur osv.) Har vi;

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

multiplicerar vi medelhastigheten med rörets tvärsnittsarea får vi flödeshastigheten, Q som;

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

Rörets tvärsnittsarea är konstant för en inbyggd ultraljudsmätare med diametern D.

Genomförandet av dessa ekvationer utan variabler som densitet, temperatur, tryck, ljudhastighet och andra media / vätskedefinierade egenskaper, visar orsakerna bakom mångsidigheten och noggrannheten hos ultraljudsmätare.

Fördelar / betydelse av ultraljudsmätare

De största fördelarna med ultraljudsmätare måste vara deras icke-invasiva natur och deras förmåga att arbeta med alla typer av vätska (eftersom densitet och ljudhastighet i vätskorna inte spelar någon roll). Olika ämnen (inklusive kemikalier, lösningsmedel, oljor etc.) med olika egenskaper transporteras och distribueras av rörsystem varje dag med behov av att övervaka deras flöde. Ultraljudsflödesmätarnas icke-invasiva karaktär gör dem till mätare i situationer som denna. Det är därför de hittar applikationer i olika industrisektorer, från kemikalierelaterade industrier till livsmedelsbearbetning, vattenbehandling och olje- och gassektorn.

Nackdelar

Den största nackdelen med ultraljudsmätare måste vara deras pris. På grund av komplexiteten i deras design är ultraljudsmätare vanligtvis dyrare än de mekaniska eller andra typer av mätare, eftersom de kräver mer ansträngningar och komponenter,

Förutom designens komplexitet och kostnad kräver ultraljudsmätare också en expertisnivå vid installation / hantering jämfört med de flesta andra typer av mätare.

De bästa ultraljudsmätarna på marknaden

Medan marknaden för global ultraljudsflödesmätare förväntas nå 2 miljarder USD till 2024, har marknaden sett en stark tillväxt under de senaste åren tack vare dess applikationer i många branscher idag och införandet av några nyligen förbättrade varianter. Många tillverkare har utvecklat ultraljudsmätare med avancerad teknik för att förbättra mätnoggrannheten. Eftersom denna mätare tillgodoser branschspecifika lösningar förväntas den senaste utvecklingen driva marknaden under prognosperioderna. De bästa ultraljudsmätarna på marknaden inkluderar:

Sonic-View Ultrasonic Flow Meters: Sonic-view, en av de bästa lösningarna för mätning av låga vätskeflöden, fungerar på transittidsprincipen. Givarna är inte i kontakt med mediet och det finns inga rörliga delar som används i instrumenten. Oslagbara funktioner som låga ägarkostnader, år av underhållsfri drift, skyddade givare, en livslång cykel med robust mätare och dess okänsliga natur mot trycktoppar och partiklar, allt bidrar till varför ultraljudsmätaren med ultraljud är en av de bästa lösningarna på mätarmarknaden.

Shmeters ultraljudsvattenmätare: Under olika rörflödesförhållanden kan denna ultraljudsvattenmätare för industriella och kommersiella ändamål markera mätningar i konstruktionsavsnitt med högsta möjliga mätnoggrannhet. Mätaren är batteridriven och kan fungera oavbrutet i tio år med bara ett batteri; dess energiförbrukning är mindre än 0,5 mW. Det kan fortsätta arbeta länge utan att påverkas av magnetisk störning. Under tiden är det mycket tillförlitligt och känsligt, en flödeshastighet så låg som 0,002 m / s kan snabbt detekteras.

Sitrans FS Ultrasonic Flow Meters: De levererar imponerande prestanda för en mängd olika gaser och vätskor eftersom de kan arbeta oberoende av temperatur, viskositet, konduktivitet, tryck, densitet och under de tuffaste förhållandena. Sitrans FS220 är stolt över att vara den bästa lösningen för enkla flöden eftersom dess möjligheter verkar vara oändliga.

Speciellt i konsumentkvalitetstillämpningar förbättras ultraljudsmätare med tekniker som LoRa som gör det möjligt för kommuner och närstående myndigheter att övervaka saker som gas- och vattenförbrukning på distans. Kommunikationsmediets låga effekt gör att dessa mätare kan hålla i mer än 5 år på en enda batteriladdning, mycket mer än vad som kan uppnås med mekaniska mätare.