Ultraäänikaasuvirtausanturit, jotka tunnetaan myös nimellä ultraäänikaasuvirtausmittarit, edustavat edistynyttä mittaustekniikkaa kaasuväliaineille (mukaan lukien maakaasu, paineilma ja prosessikaasut). Nämä ei-invasiiviset laitteet käyttävät ultraääniaaltoja mittaamaan kaasuvirtausta ilman fyysistä kosketusta nestemäiseen väliaineeseen, mikä tarjoaa erinomaisen tarkkuuden ja luotettavuuden erilaisissa teollisissa sovelluksissa. Tämä opas tutkii ultraäänikaasuvirtausanturien toimintaperiaatteita, rakennesuunnittelua ja käytännön sovelluksia.
Ultraäänikaasuvirtausanturin toimintaperiaate:
Ultraäänikaasuvirtausanturien ydin on ääniaaltojen käyttö kaasun nopeuden mittaamiseen. Ensisijainen menetelmä on siirto-aikaperiaate, jossa ultraäänimuuntimet (anturit) lähettävät pulsseja, jotka kulkevat kaasuvirran läpi. Kaksi anturia on sijoitettu siten, että toinen lähettää signaaleja alavirtaan (virtauksen mukana) ja toinen lähettää signaaleja vastavirtaan (virtausta vastaan). Näiden reittien välinen aikaero (Δt) on verrannollinen kaasun nopeuteen (V), joka lasketaan seuraavalla kaavalla:
missä L on polun pituus ja t0 on keskimääräinen siirtoaika. Tilavuusvirtaus lasketaan sitten kertomalla putken poikki-pinta-alalla. Toinen variantti onDoppler-ilmiö, jossa aallot heijastavat kaasussa olevista kuplista tai hiukkasista, ja taajuusmuutos osoittaa nopeutta,{0}}sopii ihanteellisesti epäpuhtauksia sisältäville kaasuille. Edistyneissä malleissa käytetään leikkausaaltoja suoraa lähetystä varten tai Lamb-aaltoja, jotka saavat putken seinämän resonoimaan vahvistaakseen signaaleja matalapaineisissa tai vaimentavissa kaasuissa. Monireittikokoonpanot (kuten 4 tai 6 reittiä) laskevat keskimääräiset mittaukset putken poikki turbulenttien tai epäsymmetristen virtausten käsittelemiseksi, mikä parantaa tarkkuutta. Tämä kaavio havainnollistaakuljetus-ajan määrittäminen, joka näyttää kuinka ylä- ja alavirran signaalit eroavat virtauksen mukaan.
Monikanavainen ultraäänikaasuvirtausanturin rakenne
Monikanavaisten kaasun ultraäänivirtausmittareiden koostumus koostuu pääasiassa neljästä osasta: ultraäänivirtausmittarin runko, painelähetin, älykäs lämpötilalähetin ja virtaustietokone. Ultraäänivirtausmittari koostuu pääasiassa kahdesta pääkomponentista: Toinen on mittausputkiosa, joka on varustettu useilla ultraääniantureiden parilla (tunnetaan myös ensisijaisena instrumenttina); Toinen on signaalinkäsittely-yksikkö (SPU), jossa on mittaus, hetkellisen virtausnopeuden näyttö ja viestintätoiminnot, jota kutsutaan yleisesti toissijaiseksi instrumentiksi. Seuraavassa kaaviossa näkyy monikanavaisen ultraäänilaitteen lohkokaavio.
virtausmittari.
Toissijainen instrumentti voi liittää suoraan putkilinjassa oleviin kaasun paine- ja lämpötila-antureisiin, ja sisäisen signaalin muuntamisen ja kompensointilaskelman avulla täydentää putkilinjan lämpötilan ja paineen kompensointivaikutusta kaasun tilavuusvirtausnopeuteen ja suorittaa itsenäisesti tilavuusvirtausnopeuden mittauksen ilman virtaustietokonetta. Lisäksi älykkään lämpötila- ja painelähettimen kautta putkilinjan lämpötilan ja paineen digitaaliset signaalit voidaan välittää virtaustietokoneeseen kompensoimaan toissijaisen instrumentin mittaamia hetkellisiä virtausnopeus- ja tilavuusvirtausarvoja.
Monikanavaisen kaasu-ultraäänivirtausmittarin anturiosa viittaa pääasiassa mittausputkisto-osaan ja virtausanturin rakenneanalyysi lähinnä mittausputkiston liittämiseen ja kunkin ultraäänianturin asennusjakaumaan. Virtausmittausputkisto on suunniteltu ja valmistettu laippapäätypinnoin, jotka on liitetty suoraan kuljetusputkeen. American Gas Associationin vuonna 1998 laatimassa AGA No. 9 -asiakirjassa "Multi-Channel Ultrasonic Flow Miters for Measuring Natural Gas Flow" tutkimustyö on jo osoittanut, että epäsymmetrinen nopeusjakauma jatkuu esiintymispisteestä 50D:hen asti tai alavirtaan, ja nopeusprofiileja voi esiintyä kaukaisessa 2-vaiheessa. mittausputkesta).
Siksi yleisillä teollisuuskaasuvirtauksen mittauspaikoilla virtausmittarin asennusasennossa on otettava huomioon monimutkaisten virtaustilojen vaikutus virtausnopeuden mittaukseen. Standardin GB/T 18604-2023 mukaan monikanavaisten kaasu-ultraäänivirtausmittareiden asennusasennolle ehdotetaan seuraavia suosituksia: Suoran putken vähimmäispituus ylävirtaan on 10D ja suoran putken vähimmäispituus myötävirtaan on 5D. Tämä suositus voidaan vahvistaa vain, kun ylävirran olosuhteet ovat suhteellisen ihanteelliset (kuten hyvin pieni pyörteen intensiteetti ja hieman epäsymmetrinen nopeusjakauma), ja sitä tulisi pitää vähimmäisvaatimuksena mittaustarpeiden täyttämiseksi. Kuten alla olevasta kuvasta näkyy, monikanavaisten kaasu-ultraäänivirtausmittareiden on otettava huomioon ultraääniaaltojen etenemistehokkuus ja otettava käyttöön ultraäänimuuntimet, jotka on upotettu ja asennettu mittausputkeen.
Alla olevassa kuvassa on kaaviollinen kaavio monikanavaisen ultraäänikaasuvirtausmittarin anturin kanavien asettelusta. Havainnollistaa renkaan-muotoista putkilinjan rakennetta mitattuna nelikanavaisella-ultraäänikaasuvirtausmittarilla.
Nämä 4 kanavaa on järjestetty vastaavasti eri virtauskerroksille, ja kanavat ylittävät toistensa y-suunnassa katsottuna ja ovat keskenään yhdensuuntaisia z-suunnassa katsottuna. Mittausputkisto koostuu 4-kanavaisesta komposiittianturista, jotka muodostuvat ultraääniantureista, joiden toimintataajuus on 200-250 kHz. Putken halkaisija D=300 mm ja kulma φ kunkin kanavan ja aksiaalisuunnan välillä on 60 astetta.
Monikanavaisen{0}}ultraäänikaasuvirtausanturin rakenteen sovellusskenaariot
Monikanavaiset ultraäänikaasuvirtausanturit ovat tärkeitä teollisuudenaloilla, jotka vaativat tarkkoja kaasumittauksia:
Öljy- ja kaasuteollisuus: Varastonsiirto, putkilinjojen valvonta, kompressoriasemat ja maakaasujärjestelmien vuotojen havaitseminen.
Kemia ja petrokemia: Prosessikaasun mittaus ankarissa ympäristöissä.
Sähköntuotanto ja valmistus: Päästöjen seuranta, varastonhallinta ja tehokkuuden optimointi.
LVI ja kunnallistekniikat: Paineilma- ja biokaasuvirta rakennuksissa tai jätevesien käsittelyssä.
FAQ
K: Kuinka usein ultraäänikaasuvirtausanturit tarvitsevat kalibroinnin?
V: Ultraäänikaasuvirtausanturit vaativat alustavan kalibroinnin käyttöönoton yhteydessä, ja uudelleenkalibrointia suositellaan tyypillisesti 2–5 vuoden välein sovelluksen kriittisyydestä riippuen. Säilytyssiirtosovelluksissa AGA-9 suosittelee kalibrointia seitsemällä virtausnopeudella: 100 %, 75 %, 50 %, 25 %, 10 %, 5 % ja 2,5 % maksimivirtauksesta, kunkin testipisteen keskiarvon ollessa 90-300 sekuntia. Valmistusvaihtelut ja putkien asennuserot voivat vaikuttaa tarkkuuteen, jolloin kalibrointi on välttämätöntä optimaalisen suorituskyvyn kannalta. Toisin kuin mekaaniset mittarit, jotka ajautuvat merkittävästi, ultraäänimittarit säilyttävät vakaan tarkkuuden ajan kuluessa, koska niissä ei ole liikkuvia osia, mikä mahdollistaa harvemmat uudelleenkalibrointivälit.
K: Mikä on alkuperäinen hinta verrattuna{0}}pitkän aikavälin kokonaisomistuskustannuksiin?
V: Vaikka alkuinvestoinnit ultraäänivirtausmittareihin voivat ylittää perinteisiä mittareita, omistamisen kokonaiskustannukset osoittautuvat usein alhaisemmiksi, koska ylläpito on vähäistä, seisokit ovat vähäisiä ja käyttöikä pitenee. Yksi ultraäänikaasumittari voi korvata kaksi rinnakkaista turbiinimittaria (pienet ja pääkuormakiskot), mikä vähentää infrastruktuurikustannuksia. Ultraäänimittareiden alkukustannukset ovat kalliita, mutta asennuskustannukset ovat alhaisemmat kuin jotkin vaihtoehdot, ja huolto on vähäistä, koska liikkuvia osia ei ole. Optimoitu signaalintunnistus eliminoi kalliin kohinanvaimennusinfrastruktuurin, ja pienemmät huolto- ja korjauskustannukset mittauspisteissä kompensoivat suuremmat ennakkoinvestoinnit. Suuren-halkaisijan sovelluksissa versioiden kiinnitys- tarjoaa huomattavia säästöjä asennuskustannuksissa.
K: Mitä rutiinihuoltoa tarvitaan ja kuinka usein?
V: Ultraäänikaasuvirtausanturit on suunniteltu vähän{0}}huoltoa vaativaan käyttöön. Tyypillinen huolto sisältää anturin pinnan puhdistamisen 1-6 kuukauden välein paikan olosuhteista riippuen, tyhjennysjärjestelmän ja ilmansuodattimien tarkastuksen ja satunnaisen uudelleenkalibroinnin tarvittaessa. Pölyisissä ympäristöissä, kuten savukaasusovelluksissa, automaattiset tyhjennysjärjestelmät, jotka käyttävät 0,1-0,6 MPa puhdasta instrumenttiilmaa nopeudella 3-6 l/min, pitävät anturipinnat puhtaina ja estävät mittausten siirtymisen. Anturit voidaan vaihtaa paikan päällä ja paineen alaisena käyttämällä plug-and-play-kokoonpanoa, eivätkä putken seinämien epäpuhtaudet vaikuta suoraan mittarin toimintaan.
K: Mitkä ovat ultraäänikaasuvirtausantureiden käyttölämpötila- ja painerajat?
V: Anturit on kehitetty kestämään lämpötiloja -260 astetta F LNG-mittauksessa 500 asteeseen F voimalaitossovelluksissa. Nykyaikaiset anturit käsittelevät tyypillisesti -40 astetta +170 astetta (-40 astetta F - +338 astetta F) tavallisissa sovelluksissa, ja erikoistuneet korkean lämpötilan versiot pystyvät 150 - 550 astetta (+302 astetta F - +1022 astetta F). Painealueet ulottuvat 1 bar - 300 bar (14,5 - 4350 psi), ja anturit toimivat 120 tai 200 kHz:n vakiotaajuuksilla. Matalapainesovelluksissa äänensiirto vaatii vähimmäiskaasutiheyden, ja Lamb-aaltotekniikka mahdollistaa mittauksen lähes ilmakehän paineeseen asti.
