Ультразвуковые датчики расхода газа, также известные как ультразвуковые расходомеры газа, представляют собой передовую технологию измерения газовых сред (включая природный газ, сжатый воздух и технологические газы). Эти не-инвазионные устройства используют ультразвуковые волны для измерения расхода газа без физического контакта с жидкой средой, обеспечивая превосходную точность и надежность в различных промышленных применениях. В этом руководстве рассматриваются принципы работы, структурная конструкция и практическое применение ультразвуковых датчиков расхода газа.
Принцип работы ультразвукового датчика расхода газа:
В основе ультразвуковых датчиков расхода газа лежит использование звуковых волн для измерения скорости газа. Основным методом является принцип транзитного-времени, при котором ультразвуковые преобразователи (датчики) излучают импульсы, которые проходят через газовый поток. Два преобразователя расположены таким образом, что один передает сигналы вниз по течению (по потоку), а другой передает сигналы вверх по течению (против потока). Разница во времени (Δt) между этими путями пропорциональна скорости газа (V), рассчитанной по следующей формуле:
где L — длина пути, а t0 — среднее время прохождения. Затем объемный расход рассчитывается путем умножения на площадь поперечного сечения трубы. Другой вариант – этоЭффект Доплера, где волны отражаются от пузырьков или частиц в газе, а сдвиг частоты указывает на скорость,-идеальную для газов, содержащих примеси. В усовершенствованных моделях используются поперечные волны для прямой передачи или волны Лэмба, которые вызывают резонанс стенки трубы, усиливая сигналы при низком-давлении или ослабляющие газы. Конфигурации с несколькими-путями (например, с 4 или 6 путями) усредняют измерения по трубе для обработки турбулентных или асимметричных потоков, повышая точность. Эта диаграмма иллюстрируетнастройка транзитного-времени, показывающий, как сигналы восходящего и нисходящего потока различаются в зависимости от потока.
Конструкция многоканального ультразвукового датчика расхода газа-
В состав многоканальных ультразвуковых расходомеров газа-в основном входят четыре части: основной корпус ультразвукового расходомера, датчик давления, интеллектуальный датчик температуры и компьютер расхода. Ультразвуковой расходомер в основном состоит из двух основных компонентов: один — это секция измерительной трубы, оснащенная несколькими парами ультразвуковых преобразователей (также известных как основной прибор); Другой — это блок обработки сигналов (SPU) с измерением, отображением мгновенного расхода и функциями связи, обычно называемый вторичным прибором. На следующей схеме показана блок-схема много-канального ультразвукового прибора.
расходомер.
Вторичный прибор может напрямую подключаться к датчикам давления и температуры газа в трубопроводе и посредством внутреннего преобразования сигналов и расчета компенсации выполнять компенсационное влияние температуры и давления в трубопроводе на объемный расход газа, самостоятельно выполняя измерение объемного расхода, не полагаясь на компьютер расхода. Кроме того, через интеллектуальный датчик температуры и давления цифровые сигналы температуры и давления в трубопроводе также могут передаваться на компьютер расхода для компенсации мгновенных значений скорости потока и объемного расхода, измеренных вторичным прибором.
Сенсорная часть многоканального ультразвукового расходомера газа в основном относится к части измерительного трубопровода, а структурный анализ датчика расхода в основном относится к соединению измерительного трубопровода и положениям распределения установки каждого ультразвукового преобразователя. Расходомерный трубопровод спроектирован и изготовлен с фланцевыми торцами, соединенными в прямой транспортирующий трубопровод. В документе AGA №. 9 «Много-канальные ультразвуковые расходомеры для измерения расхода природного газа», сформулированном Американской газовой ассоциацией в 1998 году, исследовательская работа уже указывала, что асимметричное распределение скорости сохраняется от точки возникновения до 50D или ниже по потоку, а профили скорости с вихрями могут существовать на расстоянии 200D или дальше (D — внутренний диаметр измерительного трубопровода).
Таким образом, на обычных объектах измерения расхода промышленного газа место установки расходомера должно учитывать влияние сложных состояний потока на измерение скорости потока. В соответствии со стандартом GB/T 18604-2023 предлагаются следующие рекомендации по положению установки многоканальных ультразвуковых расходомеров газа: минимальная длина прямой трубы на входе составляет 10D, а минимальная длина прямой трубы на выходе — 5D. Эту рекомендацию можно применять только в том случае, если условия на входе относительно идеальны (например, очень малая интенсивность вихря и слегка асимметричное распределение скорости), и ее следует рассматривать как минимальное требование для удовлетворения потребностей в измерениях. Как показано на рисунке ниже, в многоканальных газовых ультразвуковых расходомерах необходимо учитывать эффективность распространения ультразвуковых волн, используя ультразвуковые преобразователи, встроенные и установленные на измерительном трубопроводе.
На рисунке ниже показана схема расположения каналов для много-канального ультразвукового расходомера газа, иллюстрирующая кольцеобразную-структуру трубопровода, измеренную четырех-канальным перекрестным ультразвуковым расходомером газа.
Четыре канала соответственно расположены в разных слоях потока, и каналы пересекают друг друга, если смотреть в направлении y, и параллельны друг другу, если смотреть в направлении z. Измерительный конвейер состоит из составного датчика с четырьмя каналами, образованными парами ультразвуковых преобразователей с рабочей частотой 200-250 кГц. Диаметр трубы D= 300 мм, а угол φ между каждым каналом и осевым направлением составляет 60 градусов.
Сценарии применения конструкции многоканального ультразвукового датчика расхода газа
Многоканальные ультразвуковые датчики расхода газа-имеют решающее значение в отраслях, где требуется точное измерение газа:
Нефтяная и газовая промышленность: Коммерческий учет, мониторинг трубопроводов, компрессорных станций и обнаружение утечек в системах природного газа.
Химическая и нефтехимическая промышленность: измерение технологического газа в суровых условиях.
Производство электроэнергии и производство: мониторинг выбросов, контроль запасов и оптимизация эффективности.
ОВиК и коммунальные услуги: потоки сжатого воздуха и биогаза в зданиях или очистка сточных вод.
Часто задаваемые вопросы
Вопрос: Как часто ультразвуковые датчики расхода газа нуждаются в калибровке?
О: Ультразвуковые датчики расхода газа требуют первоначальной калибровки при вводе в эксплуатацию, повторную калибровку обычно рекомендуется проводить каждые 2–5 лет в зависимости от критичности применения. Для применений коммерческого учета AGA-9 рекомендует калибровку при семи скоростях потока: 100 %, 75 %, 50 %, 25 %, 10 %, 5 % и 2,5 % от максимального потока, при этом каждая контрольная точка усредняется в течение 90–300 секунд. Производственные различия и различия в установке трубопроводов могут повлиять на точность, поэтому калибровка необходима для оптимальной производительности. В отличие от механических счетчиков, которые значительно дрейфуют, ультразвуковые счетчики сохраняют стабильную точность с течением времени благодаря отсутствию движущихся частей, что позволяет сократить интервалы повторной калибровки.
Вопрос. Какова первоначальная стоимость по сравнению с общей-стоимостью владения в долгосрочной перспективе?
О: Хотя первоначальные инвестиции в ультразвуковые расходомеры могут превышать стоимость традиционных расходомеров, общая стоимость владения часто оказывается ниже из-за меньшего обслуживания, минимального времени простоя и увеличенного срока службы. Один ультразвуковой счетчик газа может заменить два параллельных турбинных счетчика (малый и основной нагрузочные рельсы), снижая затраты на инфраструктуру. Ультразвуковые счетчики имеют высокие первоначальные затраты, но меньшие затраты на установку, чем некоторые альтернативы, с минимальным обслуживанием из-за отсутствия движущихся частей. Оптимизированное обнаружение сигнала исключает дорогостоящую инфраструктуру подавления шума, а снижение затрат на техническое обслуживание и ремонт в точках измерения компенсирует более высокие первоначальные инвестиции. Для применений с большим-диаметром версии с зажимами-обеспечивают значительную экономию затрат на установку.
Вопрос: Какое плановое техническое обслуживание требуется и как часто?
О: Ультразвуковые датчики расхода газа предназначены для работы с минимальным-техническим обслуживанием. Типичное обслуживание включает очистку поверхности зонда с интервалом в 1-6 месяцев в зависимости от условий на объекте, проверку системы продувки и воздушных фильтров, а также периодическую повторную калибровку, если это необходимо. В пыльных средах, например в системах с дымовыми газами, автоматизированные системы продувки, использующие чистый приборный воздух с давлением 0,1-0,6 МПа и расходом 3-6 л/мин, сохраняют поверхности датчика чистыми и предотвращают дрейф результатов измерений. Датчики можно заменить на месте и под давлением с использованием конфигурации «подключи и работай», при этом на работу счетчика напрямую не влияют загрязнения на стенках труб.
Вопрос: Каковы пределы рабочей температуры и давления для ультразвуковых датчиков расхода газа?
О: Датчики были разработаны так, чтобы выдерживать температуры от -260 градусов по Фаренгейту для измерения СПГ до 500 градусов по Фаренгейту для применения на электростанциях. Современные датчики обычно выдерживают температуру от -40 до +170 градусов (-от 40 до +338 градусов F) для стандартных применений, а специализированные высокотемпературные версии способны работать от 150 до 550 градусов (от +302 до +1022 градусов F). Диапазоны давления простираются от 1 до 300 бар (от 14,5 до 4350 фунтов на квадратный дюйм), при этом датчики работают на стандартных частотах 120 или 200 кГц. Для применений с низким давлением передача звука требует минимальной плотности газа, а технология волн Лэмба позволяет проводить измерения при давлениях, близких к атмосферному.
