Els sensors de flux de gas ultrasònics, també coneguts com a mesuradors de flux de gas ultrasònics, representen una tecnologia de mesura avançada per a medis de gas (incloent gas natural, aire comprimit i gasos de procés). Aquests dispositius no-invasius utilitzen ones ultrasòniques per mesurar el flux de gas sense contacte físic amb el medi fluid, proporcionant una precisió i fiabilitat excel·lents en diverses aplicacions industrials. Aquesta guia explora els principis de funcionament, el disseny estructural i les aplicacions pràctiques dels sensors de flux de gas ultrasònics.
Principi de funcionament del sensor de flux de gas ultrasònic:
El nucli dels sensors de flux de gas ultrasònics és l'ús d'ones sonores per mesurar la velocitat del gas. El mètode principal és el principi del-temps de trànsit, on els transductors ultrasònics (sensors) emeten polsos que viatgen a través del corrent de gas. Dos transductors es col·loquen de manera que un envia senyals aigües avall (amb el flux) i l'altre envia senyals aigües amunt (en contra del flux). La diferència de temps (Δt) entre aquests camins és proporcional a la velocitat del gas (V), calculada mitjançant la fórmula següent:
on L és la longitud del camí i t0 és el temps de trànsit mitjà. Aleshores, el cabal volumètric es calcula multiplicant per l'àrea de la secció transversal-de la canonada. Una altra variant és laEfecte Doppler, on les ones es reflecteixen en bombolles o partícules del gas, i el canvi de freqüència indica la velocitat-ideal per als gasos que contenen impureses. Els models avançats utilitzen ones de cisalla per a la transmissió directa o ones Lamb, que fan que la paret de la canonada ressoni per amplificar els senyals a baixa-pressió o gasos atenuants. Configuracions de múltiples-camís (com ara 4 o 6 camins) mesures mitjanes a través de la canonada per gestionar fluxos turbulents o asimètrics, millorant la precisió. Aquest diagrama il·lustra elConfiguració-del temps de trànsit, mostrant com els senyals aigües amunt i aigües avall difereixen en funció del flux.
Estructura del sensor de flux de gas ultrasònic multi-canal
La composició dels mesuradors de cabal ultrasònic de gas multicanal -inclou principalment quatre parts: cos principal del mesurador de cabal ultrasònic, transmissor de pressió, transmissor de temperatura intel·ligent i ordinador de flux. El mesurador de cabal ultrasònic es compon principalment de dos components principals: un és la secció de la canonada de mesura equipada amb diversos parells de transductors ultrasònics (també conegut com l'instrument principal); L'altra és la unitat de processament de senyal (SPU) amb funcions de mesura, visualització de cabal instantani i comunicació, comunament anomenada instrument secundari. El diagrama següent mostra el diagrama de blocs d'un ultrasons multi-canal.
cabalímetre.
L'instrument secundari es pot connectar directament als sensors de pressió i temperatura del gas a la canonada i, mitjançant la conversió del senyal interna i el càlcul de compensació, completar l'efecte de compensació de la temperatura i la pressió a la canonada sobre el cabal volumètric del gas, completant de manera independent la mesura del cabal volumètric sense dependre de l'ordinador de flux. A més, mitjançant el transmissor de temperatura intel·ligent i el transmissor de pressió, els senyals digitals de temperatura i pressió a la canonada també es poden transmetre a l'ordinador de flux per compensar la velocitat de flux instantània i els valors de cabal volumètric mesurats per l'instrument secundari.
La part del sensor del mesurador de flux ultrasònic de gas multicanal -es refereix principalment a la part de la canonada de mesura, i l'anàlisi estructural del sensor de flux es refereix principalment a la connexió de la canonada de mesura i a les posicions de distribució d'instal·lació de cada transductor d'ultrasons. La canonada de mesura de cabal està dissenyada i fabricada amb cares d'extrem de brida, connectades a la canonada de transport recta. En el document AGA No. 9 "Multi-Channel Ultrasonic Flow Meters for Measuring Natural Gas Flow" formulat per l'American Gas Association el 1998, el treball d'investigació ja va assenyalar que la distribució asimètrica de velocitat persisteix des del punt d'ocurrència fins a 50D o aigües avall, i els perfils de velocitat poden existir en el vòrtex més llunyà (20D). diàmetre de la canonada de mesura).
Per tant, en els llocs de mesura de flux de gas industrials generals, la posició d'instal·lació del mesurador de cabal ha de tenir en compte la influència dels estats de flux complexos en el mesurament de la velocitat del flux. D'acord amb l'estàndard GB/T 18604-2023, es proposen les recomanacions següents per a la posició d'instal·lació dels mesuradors de cabal ultrasònic de gas multi-canal: la longitud mínima del tub recte aigües amunt és de 10D i la longitud mínima del tub recte aigües avall és de 5D. Aquesta recomanació només es pot establir quan les condicions aigües amunt són relativament ideals (com ara una intensitat de vòrtex molt petita i una distribució de velocitat lleugerament asimètrica), i s'ha de considerar com el requisit mínim per satisfer les necessitats de mesura. Com es mostra a la figura següent, els mesuradors de flux ultrasònic de gas multicanal han de tenir en compte l'eficiència de propagació de les ones ultrasòniques, adoptant transductors ultrasònics incrustats i instal·lats a la canonada de mesura.
La figura següent mostra un diagrama esquemàtic de la disposició del canal per a un sensor de cabalímetre de gas ultrasònic multicanal-, que il·lustra l'estructura de la canonada en forma d'anell-mesurada per un cabalímetre de gas ultrasònic de quatre-canals.
Els 4 canals estan disposats respectivament en diferents capes de flux, i els canals es creuen quan es veuen en la direcció y i són paral·lels entre si quan es veuen en la direcció z. La canonada de mesura consisteix en un sensor compost amb 4 canals formats per parells de transductors ultrasònics amb una freqüència de funcionament de 200-250 kHz. El diàmetre de la canonada D=300 mm i l'angle φ entre cada canal i la direcció axial és de 60 graus.
Escenaris d'aplicació de l'estructura del sensor de flux de gas ultrasònic multicanal-
Els sensors de flux de gas ultrasònics multicanal-són crucials en les indústries que requereixen una mesura precisa del gas:
Indústria del petroli i del gas: transferència de custòdia, monitorització de canonades, estacions de compressió i detecció de fuites en sistemes de gas natural.
Química i petroquímica: mesura de gasos de procés en ambients durs.
Generació i fabricació d'energia: seguiment d'emissions, control d'inventaris i optimització de l'eficiència.
Climatització i serveis públics: flux d'aire comprimit i biogàs en edificis o tractament d'aigües residuals.
Preguntes freqüents
P: Amb quina freqüència els sensors de flux de gas ultrasònics necessiten calibratge?
R: Els sensors de flux de gas ultrasònics requereixen una calibració inicial a la posada en marxa, i normalment es recomana la recalibració cada 2-5 anys, depenent de la criticitat de l'aplicació. Per a aplicacions de transferència de custòdia, AGA-9 recomana el calibratge a set cabals: 100%, 75%, 50%, 25%, 10%, 5% i 2,5% del cabal màxim, amb una mitjana de cada punt de prova durant 90-300 segons. Les variacions de fabricació i les diferències d'instal·lació de canonades poden afectar la precisió, fent que el calibratge sigui essencial per a un rendiment òptim. A diferència dels comptadors mecànics que es desplacen significativament, els comptadors d'ultrasons mantenen una precisió estable al llarg del temps perquè no tenen peces mòbils, permetent intervals de recalibració menys freqüents.
P: Quin és el cost inicial en comparació amb el-cost total de propietat a llarg termini?
R: Tot i que la inversió inicial en mesuradors de cabal ultrasònic pot superar els comptadors tradicionals, el cost total de propietat sovint resulta més baix a causa del manteniment reduït, el temps d'inactivitat mínim i la vida útil allargada. Un sol comptador de gas ultrasònic pot substituir dos comptadors de turbines paral·lels (rails de càrrega petits i principals), reduint els costos d'infraestructura. Els comptadors d'ultrasons tenen costos inicials cars, però costos de configuració més baixos que algunes alternatives, amb un manteniment mínim perquè no hi ha peces mòbils. La detecció de senyal optimitzada elimina la costosa infraestructura d'atenuació del soroll i la reducció dels costos de manteniment i reparació als punts de mesura compensa la inversió inicial més gran. Per a aplicacions de gran-diàmetre, les versions de fixació-ofereixen un estalvi important en els costos d'instal·lació.
P: Quin manteniment rutinari es requereix i amb quina freqüència?
R: Els sensors de flux de gas ultrasònics estan dissenyats per a un funcionament de baix-manteniment, amb un manteniment típic que inclou la neteja de la cara de la sonda a intervals d'1-6 mesos, depenent de les condicions del lloc, la comprovació del sistema de purga i els filtres d'aire i la recalibració ocasional si cal. En entorns polseosos com les aplicacions de gasos de combustió, els sistemes de purga automatitzats que utilitzen aire d'instrument net de 0,1-0,6 MPa a 3-6 L/min mantenen netes les cares del sensor i eviten la deriva de la mesura. Els sensors es poden substituir in situ i sota pressió mitjançant la configuració plug-and-play, i el funcionament del comptador no es veu afectat directament per les impureses a les parets de les canonades.
P: Quins són els límits de temperatura i pressió de funcionament dels sensors de flux de gas ultrasònics?
R: Els transductors s'han desenvolupat per suportar temperatures des de -260 graus F per a la mesura de GNL fins a 500 graus F per a aplicacions de centrals elèctriques. Els sensors moderns solen manejar -40 graus a +170 graus (-40 graus F a +338 graus F) per a aplicacions estàndard, amb versions especialitzades d'alta temperatura amb capacitat de 150 graus a 550 graus (+302 graus F a +1022 graus F). Els rangs de pressió s'estenen d'1 bar a 300 bar (14,5 a 4350 psi), amb sensors que funcionen a freqüències estàndard de 120 o 200 kHz. Per a aplicacions de baixa pressió, la transmissió del so requereix una densitat mínima de gas i la tecnologia d'ona Lamb permet mesurar fins a la pressió gairebé atmosfèrica.
