Tranzito laikas Ultragarsinis srauto matuoklis: veikimo principas, formulė, montavimas ir pasirinkimas

Šis metodas naudojamas daugelyje tipųultragarsiniai srauto matuokliai, nuo išorinio prietaisų gnybto{0}} iki integruotų kelių skaitiklių. Fizika yra nesudėtinga, tačiau patikimas matavimas priklauso nuo tikslių vamzdžių duomenų, tinkamo akustinio kelio, tinkamų skysčio sąlygų, teisingo jutiklio išdėstymo ir reprezentatyvaus srauto profilio.

Kas yra tranzito laiko ultragarsinis srauto matuoklis?

A tranzito laiko ultragarsinis srauto matuoklisyra greičiu{0}}pagrįstas instrumentas. Pirmiausia jis matuoja vidutinį skysčio greitį viename ar daugiau ultragarso takų. Tada jis įvertina vidutinį greitį per vamzdį ir apskaičiuoja tūrinį srautą pagal vamzdžio vidinio skerspjūvio plotą.

Matavimo grandinė yra tokia:

Siųskite ultragarso impulsą pasroviui.

Išmatuokite kelionės laiką.

Siųskite kitą impulsą prieš srovę tuo pačiu akustiniu keliu.

Išmatuokite antrą kelionės laiką.

Apskaičiuokite skirtumą tarp dviejų kartų.

Paverskite šį skirtumą srauto greičiu.

Taikyti srauto{0}}profilio taisymą.

Padauginkite pataisytą greitį iš vidinio vamzdžio ploto.

Pagrindinis diferencinio tranzito{0}}laiko metodas taip pat aprašytas Endress+Hauser'soficiali ultragarsinio srauto matavimo apžvalga. :contentReference[oaicite:5]{indeksas=5}

Kaip veikia tranzito laiko darbo principas

1. Du keitikliai pakaitomis siunčia ir priima

Įprastoje sistemoje naudojami du ultragarsiniai keitikliai A ir B. Keitiklis A siunčia impulsą B, o matuoklis įrašo kelionės laiką. Tada vaidmenys pasikeičia: B perduoda, o A priima. Keičiant kryptį, prietaisas gali palyginti du matavimus, atliktus beveik tuo pačiu akustiniu keliu ir beveik tomis pačiomis proceso sąlygomis.

Kai skystis yra nejudantis, pataisytas laikas prieš srovę ir pasroviui yra idealus. Kai skystis juda, impulsą, einantį su srautu, padeda skysčio judėjimas, o impulsui, sklindančiam prieš srautą, jis priešinasi.

• Tranzito pasroviui laikas sutrumpėja.
• Tranzito prieš srovę laikas ilgėja.
• Laiko skirtumo ženklas rodo srauto kryptį.
• Laiko skirtumo dydis didėja didėjant greičiui.

• 

2. Tranzito laikai konvertuojami į kelio greitį

Dėl supaprastinto ilgio akustinio kelioLkampuθprie vamzdžio ašies:

t_d= L / (c + v cos θ)

t_u= L / (c − v cos θ)

kur:

• t_dyra tranzito pasroviui laikas;
• t_uyra tranzito prieš srovę laikas;
• cyra garso greitis skystyje;
• vyra atitinkamas ašinio srauto{0}}greičio komponentas;
• Lyra akustinio kelio ilgis per skystį;
• θyra kampas tarp akustinio kelio ir vamzdžio ašies.

Sujungus dvi lygtis, gaunamas idealizuotas greičio santykis:

v=[L / (2 cos θ)] × [(1 / t_d) − (1 / t_u)]

Ši forma naudinga, nes skaičiuojant diferencialą, įprastas garso{0}}greičio terminas iš esmės pašalinamas. Komerciniai skaitikliai vis dar taiko laiko kalibravimą, signalų filtravimą, akustines-geometrijos korekcijas ir skysčių-mechanikos kompensavimą, todėl supaprastinta lygtis turėtų būti traktuojama kaip fizikos paaiškinimas, o ne gamintojo algoritmo pakaitalas.

3. Supaprastintas skaitinis pavyzdys

Tarkime iliustracinį skysčio kelią su:

• L = 0.30 m
• θ=45 laipsnis
• c = 1,480 m/s
• v = 1.0 m/s

Apskaičiuotas laikas pasroviui yra apytikslis202,606 mikrosekundės, o prieš srovę laikas yra apytikslis202 800 mikrosekundžių. Skirtumas yra tik apie0,194 mikrosekundės. Šis pavyzdys parodo, kodėl laiko skyra, signalo atpažinimas, nulinis stabilumas ir triukšmo atmetimas yra svarbūs, ypač esant mažam greičiui.

Pavyzdys sąmoningai supaprastintas. Prieš izoliuojant akustinio kelio skysčio dalį, skaitiklis taip pat turi atsižvelgti į montavimo gnybtą, jungiamąjį sluoksnį, vamzdžio sienelę ir bet kokį įdėklą.

4. Kelio greitis paverčiamas tūriniu srautu

Vienas garso pluoštas matuoja vidutinį greitį išilgai to pluošto. Jis automatiškai nėra lygus vidutiniam greičiui visame vamzdyje, nes šalia sienos esantis skystis juda lėčiau nei skystis arčiau centro, o prieš srovę esantys trikdžiai gali sukelti sūkurius arba asimetriją.

Todėl siųstuvas taiko profilio pataisą, kad įvertintų skerspjūvio vidutinį greitį,v̄. Tada jis apskaičiuoja vidinį vamzdžio plotą:

A = πD_i² / 4

ir tūrinis srautas:

Q = v̄A

kurD_iyra vidinis skersmuo. Kadangi plotas yra proporcingas skersmens kvadratui, nedidelė vidinio skersmens paklaida gali sukelti maždaug dvigubai didesnę apskaičiuoto ploto procentinę paklaidą. Tai yra viena iš priežasčių, kodėl vardinis vamzdžio dydis neturėtų būti aklai pakeistas išmatuotais arba patikrintais vamzdžių matmenimis.

5. Kodėl garso greitis ir fiksuotos delsos vis dar svarbūs

Kartais sakoma, kad tranzito laiko matavimas nepriklauso nuo garso greičio. Tai tik iš dalies tiesa. Garso greitis iš esmės skiriasi nuo idealios diferencialinio greičio lygties, tačiau jis vis tiek turi įtakos lūžio kampui, numatomam perdavimo laikui, jutiklių atstumui, signalo identifikavimui ir diagnostikai.

Prispaudus sistemą, spindulys keičia kryptį, kai praeina per medžiagas, kurių akustinis greitis skiriasi.Oficialus „Siemens“{0}}užspaudimas dokumentamsrodo, kad skysčio lūžio kampas atitinka Snell dėsnį ir kad skaitiklis atima fiksuotus jutiklių ir vamzdžio sienelės laikus iš išmatuoto vidutinio praėjimo laiko. :contentReference[oaicite:6]{indeksas=6}

Emerson naudojimo instrukcijostaip pat nurodoma, kad skysčio garso greitis naudojamas keitiklio atstumui apskaičiuoti, o klampumas atsižvelgiama į profilio korekciją, o tankis naudojamas apskaičiuojant masės srautą. :contentReference[oaicite:7]{indeksas=7}

6. Vieno-kelio ir kelių takų matavimas

Vienas{0}}kelio matuoklis atrenka vieną akustinį akordą. Daugiatakis dizainas matuoja keletą stygų skirtingose ​​padėtyse arba kampuose ir sujungia juos, kad atspindėtų daugiau greičio profilio. Tai gali pagerinti profilio vidurkį ir, kai palaikoma matuoklio patvirtinimo algoritmu, gali užtikrinti diagnostinį dubliavimą.

A dviejų{0}}kanalų ultragarso srauto matuoklisgali būti naudinga, kai vienas kelias nepakankamai atspindi procesą arba kai reikia stebėti dvi matavimo vietas. Tiksli nauda priklauso nuo instrumento kanalo architektūros, svorio metodo ir programos konfigūracijos; kanalų pridėjimas automatiškai nepašalina prastų diegimo sąlygų.

Įjungtas{0}} ir tiesioginis tranzito laiko matuoklis

Priveržkite{0}}prie skaitiklių

A priveržkite{0}}ultragarsinį srauto matuoklįdeda abu keitiklius už esamo vamzdžio. Signalas praeina per vamzdžio sienelę ir skystį be jutiklio, kuris patenka į procesą. Taine{0}}įkyrus ultragarsinis matavimasTaikant šį metodą galima išvengti vamzdžių pjovimo, proceso prasiskverbimo ir matuoklio{0}}sukeltų kliūčių.

Skaitiklių apkabos{0}}ypač naudingos atliekant modernizavimo darbus, atliekant laikinus tyrimus, atliekant energijos vartojimo auditą, atliekant didelius esamus vamzdžius ir tais atvejais, kai proceso sąlytis yra nepageidautinas. Tačiau jų veikimas labai priklauso nuo vamzdžio medžiagos, sienos būklės, įdėklo, dangos, atstumo tarp jutiklių, akustinės jungties ir montavimo vietos.

Eilutiniai arba ritės{0}}gabalų matuokliai

Įtaisyti skaitikliai įdeda akustinę geometriją į tam skirtą{0}}skaitiklio korpusą. Keitiklio padėtis, vidinis skersmuo ir kelio kampai yra valdomi pagal konstrukciją, taip pat gali būti įtrauktos kelios akustinės stygos. Diegiant reikia modifikuoti dujotiekį, tačiau kontroliuojama geometrija gali būti naudinga, kai reikalingas nuolatinis matavimas, didesnis metrologinis našumas arba specifinis -programos sertifikatas.

V, Z ir W keitiklių montavimo konfigūracijos

V-Montuoti

Abu jutikliai sumontuoti toje pačioje vamzdžio pusėje. Spindulys kerta skystį, atsispindi nuo priešingos sienos ir grįžta į imtuvą. V-prijungimas yra patogus, nes abu jutikliai pasiekiami iš vienos pusės ir dažnai užtikrina naudingą balansą tarp signalo stiprumo ir tranzito laiko jautrumo.

Z-Montuoti

Jutikliai sumontuoti priešingose ​​vamzdžio pusėse, o spindulys vieną kartą kerta skystį neatsispindėdamas nuo tolimosios sienos. Z-mount sutrumpina akustinį kelią ir sumažina sienų kirtimus. Dažnai manoma, kad V-kelis yra per daug susilpnėjęs, kai vamzdis didelis arba kai nuosėdos, įdėklas ar skysčio sąlygos susilpnina signalą.

W-Mont

Abu jutikliai lieka toje pačioje pusėje, tačiau spindulys kelis kartus praeina per skystį. Ilgesnis kelias gali padidinti išmatuojamą{1}}praėjimo laiko skirtumą mažame vamzdyje esant palankioms akustinėms sąlygoms. Jis taip pat prideda atspindžių ir slopinimo, todėl jo nereikėtų pasirinkti vien todėl, kad ilgesnis kelias atrodo jautresnis. Sukurtas tikslas-mažas-vamzdžio gnybtas-prie tirpalogali užtikrinti patikimesnę geometriją, nei priverčiant įvesti bendrą jutiklio išdėstymą ant labai mažo skersmens.

Kaip pasirinkti montavimo kelią

Įveskite patikrintą vamzdžio išorinį skersmenį, sienelės storį, medžiagą ir įdėklo informaciją.

Pasirinkite tinkamą keitiklio tipą ir skystį.

Norėdami gauti rekomenduojamą kelią ir tarpą, naudokite skaitiklio sąrankos skaičiavimus.

Sumontuokite jutiklius apskaičiuotuose atskaitos taškuose.

Patikrinkite signalo amplitudę, signalo kokybę ir išmatuotą garso greitį.

Jei signalas silpnas, pirmiausia patikrinkite parametrus, sujungimą ir išlygiavimą; tada apsvarstykite trumpesnį ar tiesesnį kelią.

Perskaičiuokite tarpus ir kartokite diagnostinius patikrinimus, kai pasikeičia tvirtinimo būdas.

Nėra universalios skersmens ribos, dėl kurios V, Z arba W būtų tinkami kiekvienam instrumentui. Svarbus jutiklio dažnis, vamzdžio sienelė, įdėklas, skysčio slopinimas ir gamintojo akustinis modelis.

Tranzito laikas ir Doplerio ultragarso srauto matavimas

„Siemens“ palyginimas paaiškina, kad perdavimo laikas priklauso nuo{0}}perdavimo, o „Dopleris“ – nuo ​​atspindėto garso iš burbuliukų arba suspenduotų kietųjų dalelių. :contentReference[oaicite:8]{index=8} Atskiras vadovasDoplerio ultragarsinis srauto matuoklisyra naudinga, kai procese yra pakankamai atšvaitų, kad perdavimas taptų nepatikimas.

Būtinos sąlygos patikimam matavimui

Vamzdis turi likti pilnas

Daugumoje uždarų{0}}vamzdžių tranzito laiko matuoklių daroma prielaida, kad akustinis kelias eina per visiškai užpildytą vamzdį ir yra žinomas vidinis srauto plotas. Iš dalies užpildytas vamzdis keičia ir garso kelią, ir efektyvų plotą. Jei prietaisas nėra skirtas iš dalies užpildytam vamzdžiui matuoti, rezultatas gali tapti nestabilus arba neteisingas.

Skystis ir vamzdis turi perduoti ultragarsą

Impulsas turi kirsti vamzdžio sienelę ir skystį, turintį pakankamai energijos, kad jį būtų galima atpažinti imtuve. Dujų burbuliukai, skendinčios kietosios medžiagos, vidinės nuosėdos, stipri korozija, storos arba akustiškai sudėtingos sienos, kai kurie įdėklai ir blogas sujungimas gali sumažinti naudojamą signalą. Praktinis klausimas nėra tas, ar skystis yra visiškai švarus; tai ar stabilus, teisingai identifikuotas perduodamas impulsas yra prieinamas visomis proceso sąlygomis.

Srauto profilis turi būti reprezentatyvus

Alkūnės, siurbliai, valdymo vožtuvai, trišakiai ir reduktoriai gali sukurti sūkurinius arba asimetrinius greičio profilius. Matuoklis turi būti pastatytas pakankamai toli nuo trikdžių, kad profilis atsigautų pagal taikomo modelio vadovą. 2025 m. „Emerson“ nešiojamojo-skaitiklio vadove pateikiami konkretūs modelio- 10D prieš srovę ir 5D pasroviui pavyzdžiai po vienos 90 laipsnių alkūnės ir 40D prieš srovę po dviejų 90 laipsnių alkūnių skirtingose ​​plokštumose. Šie skaičiai yra pavyzdžiai, o ne universalios taisyklės. :contentReference[oaicite:9]{indeksas=9}

Jei norite gilesnės diskusijos, peržiūrėkite, kaip tai padarytinepakankamas tiesus vamzdis turi įtakos ultragarso srauto matavimui.

Vamzdžio duomenys turi būti tikslūs

Norėdami suspausti{0}}sąranką, patikrinkite:

• tikrasis išorinis skersmuo arba išmatuota apimtis;
• sienelės storis;
• vamzdžių medžiaga;
• pamušalo medžiaga ir storis;
• paviršiaus padengimas;
• skysčio tapatybę ir numatomą temperatūros diapazoną.

Stabilus signalas neįrodo, kad įvesta geometrija yra teisinga. Matuoklis gali užfiksuoti signalą ir vis tiek apskaičiuoja neteisingą vidinį plotą arba akustinį kampą.

Montavimo ir paleidimo procedūra

Toliau pateikta seka sutraukia svarbiausius dalykusultragarsinio srauto matuoklio montavimo pastabosį praktinę darbo eigą.

Patvirtinkite programos tinkamumą.Patikrinkite skysčio, numatomą dujų ir kietųjų medžiagų kiekį, srauto diapazoną, vamzdžio medžiagą, temperatūrą, slėgį ir reikiamą matavimo tikslą.

Pasirinkite viso{0}}vamzdžio vietą.Venkite vietų, kur gali kauptis dujos arba nuosėdos uždengti akustinį kelią. Ant horizontalaus vamzdžio šoninis tvirtinimas dažnai yra geresnis nei pačiame viršuje arba apačioje.

Peržiūrėkite prieš srovę kylančius trikdžius.Vadovaukitės matuoklio vadovu, o ne kiekvienam įrenginiui taikykite{0}}vieną tiesioginę taisyklę.

Patikrinkite vamzdžių matmenis.Išmatuokite sienelės storį, kai įrašai neaiškūs. Nedarykite išvados apie tikrąjį vidinį skersmenį vien iš vardinio dydžio.

Paruoškite paviršių.Pašalinkite rūdis, apnašas, nešvarumus ir nestabilią dangą be reikalo nepažeisdami vamzdžio.

Taikykite tinkamą jungtį.Oro tarpai blokuoja ultragarso perdavimą. Naudokite anakustinis sujungimo agentassuderinamas su vamzdžio temperatūra, medžiaga ir montavimo trukme.

Sumontuokite ir sureguliuokite jutiklius.Nustatykite nurodytus tarpus ir atskaitos taškus, abu jutiklius laikykite toje pačioje akustinėje plokštumoje ir apsaugokite juos nuo vibracijos ar judėjimo.

Prieš priimdami rezultatą, peržiūrėkite diagnostiką.Įsitikinkite, kad signalo amplitudė, signalo kokybė ir išmatuotas garso greitis yra stabilūs ir patikimi.

Patvirtinkite srauto vertę.Palyginkite su siurblio veikimu, bako lygio keitimu, šilumos balansu, atskaitos matuokliu ar kitu nepriklausomu proceso indikatoriumi.

Diagnostika ir trikčių šalinimas

Diagnostikos slenksčiai priklauso nuo gamintojo{0}}. „Gera“ skaitmeninio signalo reikšmė viename matuoklyje gali nereikšti to paties kitame. Naudokite prietaiso vadovą ir kartu įvertinkite kelis rodiklius, o ne priimkite tikėtiną srauto skaičių. Svetainėsultragarsinio srauto matuoklio trikčių šalinimasvadovas gali padėti toliau atskirti gedimus.

Tikslumas ir matavimo neapibrėžtis

Kiekvienam tranzito laiko ultragarso matuokliui nėra vienos tikslumo vertės. Veikimas priklauso nuo konkretaus modelio, kalibravimo, vamzdžio geometrijos, srauto profilio, greičio diapazono, signalo kokybės ir įrengimo. Gaminio duomenų lape gali būti nurodytas veikimas nustatytomis sąlygomis, o lauko neapibrėžtumas apima papildomus efektus.

Svarbūs neapibrėžtumo veiksniai:

• Vidinis skersmuo:paveikia ir akustinę geometriją, ir plotą, naudojamą Q=v̄A.
• Sienų ir pamušalo duomenys:įtakos refrakcijai, fiksuotam perėjimo laikui ir jutiklių atstumui.
• Jutiklio išdėstymas:tarpų ir derinimo klaidos pakeičia numatytą akustinį kelią.
• Nulinis poslinkis:tampa vis svarbesnis srauto greičiui artėjant prie nulio.
• Srauto profilis:sūkurys ir asimetrija gali paversti vieną kelią nereprezentatyviu.
• Laikas ir signalo apdorojimas:paveikti labai mažo{0}}transliavimo laiko skirtumo skyrą.
• Proceso variacija:temperatūra, sudėtis, burbuliukai ir nuosėdos gali pakeisti akustinį signalą.

Modelio{0}}lygio našumo aspektus rasite vadoveultragarso srauto matuoklio tikslumas. Kai reikia atsekamo rezultato, atskirkite įrengimo patikrinimą nuo formalaussrauto matuoklio kalibravimas. NIST aprašo skysčio{0}}srauto kalibravimąremiantis tūriniais ir gravimetriniais pirminiais standartais, iliustruojančiais, kodėl kalibravimas turi būti susietas su apibrėžta atskaita ir neapibrėžtumu. :contentReference[oaicite:10]{index=10}

Privalumai ir apribojimai

Pagrindiniai privalumai

• Nėra besisukančio ar atgal judančio matavimo elemento.
• Dviejų krypčių matavimas pagal tranzito{0}}laiko skirtumo ženklą.
• Jokių papildomų kliūčių ar matuoklio{0}}kūno slėgio kritimo išoriniam spaustukui-montuojant.
• Atnaujinkite matavimus be kontakto su procesu tinkamose srityse.
• Naudinga akustinė diagnostika, įskaitant išmatuotą garso greitį ir signalo kokybę.
• Galimybė atlikti nešiojamus tyrimus, nuolatinį stebėjimą ir kelių krypčių matavimus.

Pagrindiniai apribojimai

• Pernelyg didelis burbuliukų, kietųjų dalelių arba akustinis slopinimas gali trukdyti perduoti{0}}.
• Rezultatai{0}} priklauso nuo tikslių vamzdžių ir įdėklų duomenų.
• Neteisingas tarpas, išlygiavimas arba sujungimas gali sukelti didelių klaidų.
• Vienas kelias gali būti jautrus sūkuriams ir asimetriniam srautui.
• Sunku išmatuoti kai kuriuos daugiasluoksnius, betoninius, stipriai suplokštėjusius ar stipriai korozijos pažeistus vamzdžius.
• Įprasti uždarų

Tipinės programos

Dažnasultragarso srauto matuoklio programosapima:

• geriamasis, žalias ir perdirbtas vanduo;
• šalto{0}}vandens ir karšto{1} vandens sistemos;
• centralizuotas šildymas ir vėsinimas;
• elektrinių{0}} vandens grandinės;
• išvalytos nuotekos su ribotu aeravimu ir kietosiomis medžiagomis;
• alyvos, angliavandeniliai ir suderinami proceso skysčiai;
• skystos cheminės medžiagos;
• sistemos balansavimas, siurblių testavimas ir energetinis auditas;
• laikinos patikros ir trikčių šalinimo apklausos.

A nešiojamas ultragarsinis srauto matuoklisdažnai naudinga atliekant laikinus matavimus, tačiau tinkamumas naudoti turėtų būti pagrįstas faktinėmis vamzdžio ir akustinėmis sąlygomis, o ne vien skysčio pavadinimu. Maisto, farmacijos ir didelio{1}}grynumo programose taip pat reikia peržiūrėti sanitarinį dizainą, medžiagų suderinamumą ir patvirtinimo reikalavimus; išorinis nekontaktinis jutiklis savaime nėra tinkamas kiekvienam reguliuojamam procesui.

Kaip pasirinkti tranzito laiko ultragarsinį srauto matuoklį

Prieš rinkdamiesi skaitiklį, dokumentuokite šiuos dokumentus:

Ar skystis pakankamai pralaidus akustiškai visomis darbo sąlygomis?

Ar eksploatacijos metu gali padidėti dujų burbuliukų, kietųjų dalelių arba sudėties pokyčių?

Ar vamzdis liks visiškai pilnas?

Ar geriau montuoti spaustuką-, ar priimtinas įtaisytas matuoklis?

Koks tikrasis išorinis skersmuo, sienelės storis, medžiaga ir pamušalas?

Kokie yra minimalūs, normalūs ir didžiausi greičiai?

Ar įmanomas atvirkštinis srautas?

Ar pakanka vieno akustinio kelio, ar reikia kelių kelių vidurkio?

Kokios temperatūros,{0}}pavojingos zonos ir aplinkos patvirtinimai reikalingi?

Kokie išėjimai ir ryšiai reikalingi?

Ar rezultatas bus naudojamas indikacijai, kontrolei, energijos stebėjimui, tikrinimui ar atsiskaitymui?

Kokios diagnostikos priemonės gali įrodyti, kad garso signalas galioja?

Nesirinkite tik iš vardinio vamzdžio skersmens arba antraštės tikslumo skaičiaus. Matuoklis, keitiklio dažnis, montavimo kelias, proceso sąlygos, įrengimo geometrija ir reikalinga neapibrėžtis turi būti vertinami kartu.

Išvada

Tranzito laiko ultragarsinis srauto matuoklis veikia daugiau nei palygina du impulsų laikus. Jis atskiria skysčio tekėjimo laiką nuo fiksuotų akustinių vėlavimų, nustato kelio greitį, koreguoja vamzdžio greičio profilį ir paverčia pataisytą greitį į tūrinį srautą.

Principas yra tvirtas, kai vamzdis lieka pilnas, signalas gali kirsti vamzdį ir skystį, žinoma geometrija, tinkamai sumontuoti jutikliai ir reprezentatyvus srauto profilis. Prieš rinkdamiesi modelį, užrašykite skysčio būklę, vamzdžio konstrukciją, srauto diapazoną, įrengimo išdėstymą, diagnostikos reikalavimus ir numatomą matavimo paskirtį. Ši informacija yra vertingesnė nei vien tik vamzdžio dydžio ar antraštės specifikacijos pasirinkimas.