Przepływomierz ultradźwiekowy

Czym są ultradźwięki
Dźwięk odnosi się do fal mechanicznych lub akustycznych, które rozszerzają się tylko w ośrodkach elastycznych. W związku z tym fale dźwiękowe wymagają gazów, cieczy lub ciał stałych, aby mogły się rozchodzić. Fale dźwiękowe znacznie różnią się od fal elektromagnetycznych, które również mogą bez przeszkód przechodzić przez próżnię. W zależności od ośrodka i insonizacji propagacja fal dźwiękowych może być poprzeczna lub podłużna, co z kolei odgrywa rolę w różnych metodach badawczych. Zasadniczo dźwięk dzieli się na cztery różne klasy. Klasyfikacja jest zależna od częstotliwości, przy czym najbardziej wyraźny zakres częstotliwości wynosi od 16 Hz do 20 kHz. Słyszalny dźwięk leży w tym paśmie częstotliwości, czyli takich falach dźwiękowych, które są odbierane przez ludzkie ucho. Drgania poniżej 16 Hz nazywane są infradźwiękami, wibracje powyżej 20 kHz ultradźwiękami. Infradźwięki i ultradźwięki nie są słyszalne dla człowieka. To samo dotyczy hipersonicznego, który rozchodzi się na częstotliwościach powyżej 1 GHz.

Co to jest przepływomierz ultradźwiękowy?
Rodzaj przepływomierza, który do pomiaru prędkości przepływu płynu wykorzystuje ultradźwięki. Przepływające medium przez system rurociągów, daje możliwość zainstalowania przepływomierza w linii, tj. oddzielenia systemu rurociągów i zintegrowania przepływomierza z systemem rurociągów w celu pomiaru natężenia przepływu. Alternatywnie, natężenie przepływu w systemie rurociągów można również mierzyć z zewnątrz za pomocą przepływomierza ultradźwiękowego, który wysyła fale dźwiękowe z zewnątrz przez medium. W tym procesie dwa czujniki ultradźwiękowe, które działają jako nadajnik i odbiornik, są mocowane w określonej odległości od siebie na rurze przenoszącej media. Ultradźwięki są emitowane do ośrodka pod kątem ukośnym i przyspieszane lub zwalniane w zależności od prędkości medium. Pozwala to na określenie prędkości medium w systemie rurociągów za pomocą metody różnicy czasu przejścia. W połączeniu z powierzchnią przekroju poprzecznego rury można w ten sposób określić również przepływ objętościowy lub natężenie przepływu. Przepływomierz ultradźwiękowy składa się z dwóch podstawowych elementów: czujników ultradźwiękowych, które są przymocowane do systemu rurociągów, oraz jednostki analizującej, która przetwarza sygnały na rzeczywiste wartości pomiarowe.

Z jakiej zasady pomiaru korzysta przepływomierz ultradźwiękowy?
Za pomocą pomiaru różnicy czasu przejścia przepływomierz ultradźwiękowy określa prędkość przepływu w ośrodku. Dwa czujniki ultradźwiękowe są przymocowane do rury, przez którą przepływa w obliczonej wcześniej odległości i pełnią rolę nadajnika i odbiornika. Czujniki są akustycznie połączone z powierzchnią rury za pomocą żelu sprzęgającego i emitują fale dźwiękowe do medium pod określonym kątem. Fale dźwiękowe są przyspieszane w kierunku przepływu medium i hamowane przeciwnie do kierunku przepływu. Mierząc te różnice czasowe, przepływomierz ultradźwiękowy określa prędkość przepływu, gdy znana jest prędkość dźwięku charakterystyczna dla danego medium.

Jakie media można mierzyć za pomocą przepływomierza ultradźwiękowego?
Wszystkie płynne, jednorodne media o niskiej zawartości ciał stałych można mierzyć za pomocą przepływomierza ultradźwiękowego. Należą do nich na przykład woda, oleje, alkohole itp. Temperatura mediów może wynosić od -30°C do +160°C, w zależności od wybranej technologii czujnika. Gazy i ciecze zawierające ciała stałe, media lepkie lub pasty nie mogą być mierzone za pomocą przepływomierza ultradźwiękowego. Ze względu na niejednorodność tych mediów fale ultradźwiękowe są rozpraszane i łamane przez cząstki i ciała stałe w takim stopniu, że siła sygnału maleje i nie można uzyskać dokładnych wyników pomiarów.

Jakie są zalety przepływomierza ultradźwiękowego?
Za pomocą przepływomierza ultradźwiękowego można wykonywać mobilne, szybkie i elastyczne pomiary. Mobilny, ponieważ można go używać w dowolnym miejscu dzięki poręcznym rozmiarom i samowystarczalnemu zasilaniu z akumulatora. Szybko, bo pomiar można rozpocząć natychmiast po skonfigurowaniu przepływomierza i zamontowaniu czujnika na instalacji rurowej. Elastyczny, ponieważ ultradźwiękowy przepływomierz z różnymi czujnikami może być instalowany na rurach o różnych średnicach i materiałach, a jednocześnie może mierzyć szeroką gamę mediów w szerokim zakresie temperatur. Niektóre właściwości mediów, takie jak przewodność, która jest obowiązkowym wymogiem w innych metodach pomiarowych, są również nieistotne w tej metodzie pomiarowej.

Kolejna zaleta wynika z pośredniego pomiaru za pomocą ultradźwięków. Nie ma bezpośredniego kontaktu między medium a urządzeniem pomiarowym, jak ma to miejsce na przykład w przypadku przepływomierzy liniowych. Dzięki temu przepływ w systemie rur nie jest zakłócony, nie jest również konieczna przerwa w procesie, a jednocześnie możliwe są higienicznie czyste pomiary bez ryzyka zanieczyszczenia systemu rur z wpływów zewnętrznych.

Kolejną zaletą jest to, że w zależności od modelu za pomocą przepływomierza ultradźwiękowego można zmierzyć kilka ważnych parametrów. Oprócz prędkości przepływu obejmuje to przepływ objętościowy, całkowite natężenie przepływu, moc cieplną lub ilość ciepła .

Przepływomierz ultradźwiękowy - Kalibracja
Kalibracja przepływomierza ultradźwiękowego odbywa się zwykle poprzez porównanie odczytów z odczytami innego niezawodnego urządzenia. W nowym procesie, opatentowanym w 2020 roku, przepływomierze ultradźwiękowe są kalibrowane z wykorzystaniem procesu różnicy czasu przejścia poprzez systematyczną zmianę odległości między czujnikami. Podobnie jak ruch przepływającego medium, ta zmiana położenia czujników prowadzi do dających się ocenić różnic czasu przejścia w sygnałach dźwiękowych generowanych przez przepływomierz ultradźwiękowy. Ponieważ w tym procesie mierzony jest tylko czas i odległość, przepływomierz ultradźwiękowy można skalibrować z dużą precyzją dla procesu różnicy czasu przejścia, całkowicie niezależnie od przepływającego medium i geometrii rury.

Firma PCE Instruments używa w swoim laboratorium kalibracyjnym przepływowego stanowiska kalibracyjnego, w którym podczas kalibracji woda jest pompowana przez zamknięty system miedzianych rurek. Natężenie przepływu można regulować za pomocą zaworów i zmiany prędkości pompy na panelu sterowania pompy. Do tej pory przeprowadzono jednak tylko kalibrację jednopunktową z natężeniem przepływu, a system pozostaje ustawiony na ciśnienie około 4 bar. Cztery odcinki pomiarowe są ułożone jeden nad drugim jako długie odcinki poziome. Referencyjne urządzenie pomiarowe jest instalowane w górnej rurze. Czujniki kalibrowanego przepływomierza ultradźwiękowego są przymocowane do jednej z trzech dolnych rurek za pomocą rzepów. Wymiary rurek miedzianych to 28,0 x 1,0 mm dla dwóch górnych linii, 54,0 x 1,5 mm dla trzeciego od góry i 88,9 x 2,0 mm dla dolnego.

Jako referencyjne urządzenie pomiarowe zintegrowano w systemie przepływomierz magnetoindukcyjny, łatwy w obsłudze i odczycie. Podczas pomiaru w rurze pomiarowej referencyjnego urządzenia pomiarowego generowane jest pole magnetyczne o stałym natężeniu. Pole magnetyczne indukuje w przepływającej wodzie przewodzącej napięcie, którego poziom jest proporcjonalny do natężenia przepływu. To napięcie jest mierzone, z którego określane jest natężenie przepływu i wyświetlane w metrach na sekundę. Zmierzona wartość wyświetlana przez kalibrowany przepływomierz ultradźwiękowy jest porównywana z tą wartością. Oczywiście bezpośrednie porównanie zmierzonych wartości działa tylko wtedy, gdy oba punkty pomiarowe mają ten sam przekrój rury i te same warunki przepływu. Tak więc na stanowisku do kalibracji przepływu w PCE Instruments, gdy przepływomierz ultradźwiękowy jest kalibrowany na przekroju poprzecznym rury 28,0 x 1,0 mm, można porównać bezpośrednio z wartością magnetyczno-indukcyjnego miernika referencyjnego. Dla pozostałych dwóch przekrojów skorygowane wartości docelowe prędkości przepływu można odczytać na oddzielnym urządzeniu oceniającym.

Przy określaniu natężenia przepływu za pomocą czujników ultradźwiękowych kluczową rolę odgrywa prędkość dźwięku przepływającego medium. Jednak prędkość dźwięku zależy nie tylko od składu materiału, ale także od jego temperatury. Dlatego przy określaniu natężenia przepływu za pomocą przepływomierza ultradźwiękowego należy zawsze brać pod uwagę temperaturę medium. Jednostka oceniająca umieszczona na stanowisku do kalibracji natężenia przepływu nad liniami testowymi pokazuje nie tylko prędkość przepływu, ale także temperaturę wody zarejestrowaną za pomocą wbudowanego czujnika, a także aktualne wartości temperatury i wilgotności powietrza.

Warunki środowiskowe, urządzenie kalibracyjne, metoda kalibracji, warunki pomiaru lub wyniki porównania wartości docelowej/rzeczywistej są zapisane w świadectwie kalibracji fabrycznej przepływomierza ultradźwiękowego. Jeżeli rzeczywista wartość wskazywana przez przepływomierz ultradźwiękowy odbiega bardziej od wartości docelowej urządzenia wzorcowego niż podano w specyfikacji urządzenia, należy urządzenie zresetować, czyli wyregulować. W przypadku wielu urządzeń można to stosunkowo łatwo wdrożyć za pomocą współczynnika skalowania.

Przepływomierze ultradźwiękowe mogą być również wykorzystywane do wyznaczania ilości ciepła, jeżeli temperatura nośnika ciepła przed i po emisji ciepła jest określana przez dodatkowe czujniki. Do tymczasowych pomiarów kontrolnych szczególnie nadają się mobilne zestawy urządzeń, które można szybko i szczelnie zamontować na rurociągu i ponownie zdemontować przy niewielkim wysiłku. Przepływomierze ultradźwiękowe mogą mierzyć natężenie przepływu bez ingerencji w system rur i bez bezpośredniego kontaktu z nośnikiem ciepła lub chłodziwem. Szczególnie praktyczne są zestawy do pomiaru ilości ciepła z poręcznymi przyrządami, w których zarówno czujniki ultradźwiękowe, jak i czujniki temperatury mocowane są za pomocą rzepów.

Taki mobilny ultradźwiękowy zestaw ciepłomierzy składa się zwykle z trzech elementów: przepływomierza ultradźwiękowego, dwukanałowego rejestratora temperatury oraz oprogramowania do oceny danych. Przepływomierz ultradźwiękowy określa natężenie przepływu na podstawie czasu przejścia ultradźwięków w przepływającym medium. Z tego natężenia przepływu i wcześniej wprowadzonego przekroju rurociągu określa objętość, która przepływa przez układ. Rejestrator danych temperatury rejestruje temperatury na zasilaniu i powrocie systemu rurociągów. W tym celu czujnik temperatury jest zamocowany na zewnątrz rury zasilającej i jeden na rurze powrotnej. Dane pomiarowe i obliczeniowe z obu urządzeń można zapisać lub przesłać do komputera podczas pomiaru.

Oprogramowanie ewaluacyjne, które jest specjalnie dostosowane do takich zestawów urządzeń, oblicza moc cieplną w kW lub kJ/h oraz ilość ciepła w kJ lub kWh w okresie pomiarowym na podstawie przesłanych danych dotyczących przepływu objętościowego i różnicy temperatur między przepływem i powrót. Może natychmiast wyświetlać zarejestrowane i obliczone dane w formie tabelarycznej i graficznej, umożliwiając bezpośrednią ocenę pomiarów na miejscu za pomocą laptopa. Jeśli natychmiastowa ocena w punkcie pomiarowym nie jest możliwa, dane pomiarowe zapisane w przepływomierzu ultradźwiękowym i rejestratorze danych temperatury można później przesłać do biura i poddać ocenie.

Przepływomierze ultradźwiękowe do wyznaczania ilości ciepła umożliwiają szybkie i nieskomplikowane pomiary w klimatyzacji i przemyśle, zarówno do czasowych pomiarów kontrolnych w różnych lokalizacjach, jak i do stałego monitoringu systemów grzewczych lub chłodniczych. Dzięki temu, że czujniki nie stykają się z nośnikiem ciepła, przepływomierze ultradźwiękowe mogą być bezproblemowo stosowane z mediami agresywnymi, ale także w obszarach o wysokich wymaganiach higienicznych, takich jak przemysł farmaceutyczny czy produkcja żywności. Proces pomiaru z zewnątrz jest generalnie również preferowany, ponieważ żadne procesy nie muszą być zatrzymywane w celu pomiaru i ponieważ czujniki kontaktowe w punktach pomiarowych nie wpływają na przepływ płynu.

Dokładność pomiaru przepływomierzy ultradźwiękowych i termometrów można regularnie sprawdzać w odpowiednich laboratoriach kalibracyjnych i potwierdzać certyfikatem kalibracji ISO. W tym celu laboratorium kalibracyjne musi być wyposażone w odpowiednie stanowisko do kalibracji przepływu.

W przypadku słyszalnego dźwięku codziennie widzimy przykłady, że jego propagacja zależy od materiału, w który uderza. W przypadku ultradźwięków prędkość dźwięku zależy również od ośrodka, który jest wzbudzany przez fale dźwiękowe. Jednak na fale dźwiękowe ma wpływ nie tylko rodzaj ośrodka i jego gęstość, ale także temperatura i ciśnienie, a także przenoszone pęcherzyki gazu i ciała stałe. Niektóre ograniczenia, o których należy pamiętać podczas używania przepływomierzy ultradźwiękowych do wyznaczania prędkości i objętości, obejmują:

• nie nadaje się do materiałów niejednorodnych, materiałów sypkich, szlamów
• dopuszczalna tylko niewielka ilość ciał obcych, takich jak pęcherzyki gazu i cząstki stałe w medium
• przy metodzie Dopplera na wynik pomiaru wpływa gęstość, temperatura i ciśnienie medium
• wymagany jest odcinek stabilizujący lub pomiar wielodrogowy dla równomiernych warunków przepływu
• ograniczona jest mierzalna prędkość przepływu
• osady fałszują wynik pomiaru

W przypadku przepływomierzy ultradźwiękowych można stosować różne zasady pomiaru. Spośród nich metoda różnicy czasu przejścia i, w przypadku niektórych zastosowań, metoda Dopplera również się przyjęły. W metodzie czasu przejścia medium powinno być jak najczystsze i nie może zawierać pęcherzyków gazu, aby emitowane ultradźwięki mogły przenikać przez przekrój pomiarowy bez załamywania się.

Z drugiej strony, w przypadku metody Dopplera wymagana jest niewielka ilość domieszek, ponieważ w tej metodzie rejestrowana i oceniana jest część emitowanego ultradźwięku odbijanego przez cząstki. Jeżeli ze względu na obecność ciał obcych w płynie mają być stosowane przepływomierze ultradźwiękowe z zasadą Dopplera, należy zadbać o to, aby zmiany temperatury, gęstości i ciśnienia medium miały wpływ na wynik pomiaru. W celu uzyskania precyzyjnych pomiarów zmienne te muszą być utrzymywane na stałym poziomie lub rejestrowane i uwzględniane osobno.

W przypadku obu metod prędkość przepływu jest określana jedynie na podstawie oceny wąskiego zakresu mierzonej ścieżki dźwięku. Aby zarejestrować reprezentatywny profil przepływu, przepływomierz ultradźwiękowy potrzebuje miejsca montażu, w którym przepływ jest możliwie najbardziej równomierny. W instrukcji montażu podano, jak długo odcinki niezakłóconego przepływu muszą znajdować się przed i za czujnikiem ultradźwiękowym, gdy przekroje przewodów są całkowicie wypełnione. Tam, gdzie te odcinki uspokojenia nie są możliwe lub poziom waha się, jak w częściowo wypełnionych rurach i otwartych kanałach, profil przepływu można zarejestrować, mierząc kilka ścieżek dźwiękowych.

Prędkości przepływu, które można wykryć, są zwykle ograniczone zarówno poniżej, jak i powyżej za pomocą przepływomierza ultradźwiękowego. Istotne jest zwrócenie uwagi na natężenia przepływu, które mogą wystąpić, tak aby niskie i wysokie natężenia przepływu były również prawidłowo rejestrowane. Osady w okolicy punktu pomiarowego wpływają na wynik pomiaru. Jednak ze względu na liczne zalety zasady pomiaru stale rozwijane są nowe typy urządzeń, dzięki czemu są one wykorzystywane w coraz większej liczbie obszarów zastosowań.

Przepływomierze ultradźwiękowe podbijają coraz więcej technicznych obszarów zastosowań, ponieważ mierzą bez wpływu na zachowanie przepływu i mogą być optymalizowane dla wielu różnych warunków pomiarowych. Użytkownik może wybierać spośród szerokiej gamy modeli do użytku stacjonarnego lub mobilnego. Najwyższe wymagania higieniczne mogą być spełnione zarówno w przypadku urządzeń montowanych na stałe w linii, jak i wariantów urządzeń, w których czujnik nie ma bezpośredniego kontaktu z przepływającym medium. Dzięki możliwości pomiaru z zewnątrz prędkości przepływu w istniejących systemach rurowych mogą być rejestrowane bez konieczności rozdzielania rur. Również do zastosowań podlegających kontroli prawnej, takich jak pomiary do rozliczeń zużycia wody, innych cieczy, gazów.

Technika medyczna i laboratoryjna
W medycynie oraz analizie cieczy i gazów przepływomierze ultradźwiękowe są wykorzystywane do precyzyjnego monitorowania małych przepływów. Niezależnie od tego, czy na intensywnej terapii, podczas operacji, podczas dializy czy podczas badania gazów oddechowych, opracowano specjalne czujniki do kontrolowania natężenia przepływu, które obejmują zwykłe węże i mierzą natężenie przepływu na zewnątrz z dużą dokładnością.

Przemysł farmaceutyczny i biotechnologia
Również w produkcji leków i w biotechnologii ważny jest wysoki stopień czystości substancji i dokładne przestrzeganie określonych proporcji. Przepływomierze ultradźwiękowe mogą być używane zarówno do dozowania płynnych składników aktywnych zgodnie z wymaganiami, jak i do monitorowania określonych procesów czyszczenia.

Produkcja półprzewodników
W produkcji półprzewodników istnieją specjalne wymagania dotyczące środowiska produkcyjnego, ponieważ najmniejsze ciała obce mogą sprawić, że komponenty staną się bezużyteczne. W procesie produkcyjnym stosowane są różne ciecze ścierne, klejące lub żrące o wysokiej czystości. Aby poszczególne procesy przebiegały bezpiecznie i efektywnie, podczas procesów można w sposób ciągły i nieinwazyjny monitorować przepływ substancji za pomocą przepływomierzy ultradźwiękowych.

Przemysł chemiczny i petrochemiczny
W przemyśle chemicznym i petrochemicznym przepływomierze ultradźwiękowe umożliwiają bezpieczny pomiar substancji agresywnych lub toksycznych. Czy to do monitorowania procesu, dozowania dodatków, czy do ciągłego monitorowania linii - przepływomierze ultradźwiękowe nadają się do najróżniejszych zadań. Dla obszarów zagrożonych wybuchem dostępne są warianty urządzeń z dopuszczeniem ATEX.

Ropa naftowa, gaz, dalekosiężne ogrzewanie, chłodzenie
W dziedzinie zaopatrzenia w energię cieplną przepływomierze ultradźwiękowe nadają się nie tylko do ciągłego pomiaru zużycia podlegającego kontroli prawnej lub do użytku wewnętrznego. Urządzenia mobilne mogą być również bezproblemowo wykorzystywane do krótkookresowych pomiarów kontrolnych bez ingerencji w istniejące systemy. Nadają się na przykład do audytów energetycznych, do koordynacji elementów systemu i do optymalizacji procesów. Jednak zainstalowane na stałe liczniki zużycia można również sprawdzić za pomocą odpowiedniego mobilnego przepływomierza ultradźwiękowego.

Gospodarki Wodnej i Ściekowej
Do pomiarów zużycia w sieciach wodociągowych wymagany jest legalizowany przepływomierz ultradźwiękowy który montuje się na stałe w instalacji. Skumulowana wartość zużycia jest nie tylko wyświetlana, ale może być również odczytywana zdalnie bezprzewodowo. Dzięki temu nie trzeba już schodzić do piwnicy lub wchodzić do domu, aby odczytać dane. Ponadto dane pomiarowe z tych wodomierzy mogą być wykorzystane do wykrywania nieszczelności w instalacji domowej lub lokalizacji miejsca i zasięgu nieszczelności w przypadku awarii sieci wody pitnej. Te przepływomierze ultradźwiękowe nie muszą już być wymieniane co 6 lat, jak stare liczniki mechaniczne, ale dopiero po 15 latach. Jako wodomierz ultradźwiękowy przepływomierz oferuje znaczące korzyści zarówno dla dostawcy wody, jak i dla klienta końcowego. Również dla sektora ścieków oraz do monitorowania poziomu i natężenia przepływu cieków wodnych, np. B. w ulewnych deszczach są specjalne przepływomierze ultradźwiękowe które oszczegają pszy krytycznyh pomiarah.