Si alguna vegada t'has parat a prop d'una carretera i has notat com una sirena d'ambulància sona més alt quan s'acosta cap a tu i després cau a una cosa gairebé lamentable mentre s'allunya-enhorabona, has experimentat la mateixa física que fa quemesurador de cabal ultrasònics marca. La majoria de la gent no pensa en aquest moment dues vegades. Els enginyers ho van fer.
Un mesurador de cabal ultrasònic mesura la rapidesa amb què el líquid es mou a través d'una canonada fent-hi rebotar les ones sonores. Sense peces mòbils. Sense contacte directe amb el fluid. Només sona fent el que fa el so-viatjar, rebotar, canviar. La tecnologia no és nova, exactament, però la manera com l'hem perfeccionat durant les últimes dècades? Allà és on les coses es posen interessants.
El so que ningú escolta
Això és el que passa amb els ultrasons-que literalment significa "més enllà del so". Estem parlant de freqüències superiors a 20 kHz, molt més enllà del que l'oïda humana pot detectar. Els gossos poden animar-se, però no escoltareu res. El mesurador envia aquests polsos acústics invisibles a la canonada i, depenent del que succeeixi després, obtindreu la lectura del vostre flux.
Existeixen dos enfocaments principals. Tipus de Doppler i tipus de temps de trànsit-. Són animals fonamentalment diferents tot i que comparteixen el mateix ADN ultrasònic, i escollir el equivocat per a la vostra aplicació és un error fàcil que passa amb més freqüència del que els venedors volen admetre.
Per què la versió Doppler necessita líquid brut
Els mesuradors d'ultrasons Doppler requereixen alguna cosa al fluid per reflectir el so. Partícules. Bombolles. Qualsevol cosa que creï el que els enginyers anomenen "discontinuïtats acústiques". Sense ells, no tens res-el senyal passa com la llum a través del vidre.
Això fa que els comptadors Doppler siguin perfectes per a aigües residuals, purins, qualsevol cosa amb sòlids en suspensió superiors a aproximadament 100 parts per milió. La mida mínima de partícula? Aproximadament 100 micres, donar o prendre. Més petit que això i la reflexió esdevé poc fiable. El mesurador calcula la velocitat en funció de quant es desplaça la freqüència reflectida en comparació amb el que es va transmetre. Un cabal més alt significa un canvi més gran. Prou senzill en teoria.
Però això és el que fa ensopegar la gent: el mesurador mesura la velocitat d'aquestes partícules, no el líquid en si. Normalment està bé-les partícules es mouen amb el flux. En condicions altament turbulentes o fluxos estratificats, però, podeu obtenir lectures que semblen raonables però que no són del tot correctes. Val la pena saber-ho.
Temps de trànsit-: l'elecció de líquid net
Els comptadors de temps-de trànsit funcionen de manera diferent. Dos transductors enfrontats a través de la canonada. Un envia un pols aigües avall, l'altre n'envia un aigües amunt. En líquid encara, els dos polsos arriben al mateix moment. Afegiu flux i el pols aigües avall arriba més ràpid perquè està muntant el corrent, mentre que el pols aigües amunt lluita contra ell.
La diferència horària entre aquestes dues arribades? Aquesta és la teva velocitat de flux.
No calen partícules. De fet, les partícules empitjoren les coses-escampen el senyal i degraden la precisió. Els mesuradors de temps-de trànsit volen líquids nets. Aigua. Olis. Determinats productes químics. Com més net, millor.
La precisió pot arribar al ±0,5% de la lectura en condicions ideals, cosa que és realment impressionant per a una mesura no-invasiva. Les instal·lacions del món real-acostumen a arribar a un 1-3% depenent de l'estat de la canonada, les propietats del fluid i la qualitat de la instal·lació: totes les variables que els exemples de llibres de text ignoren convenientment.
Fixeu-vos-la instal·lació (i per què a tothom li agrada)
La majoria dels comptadors d'ultrasons s'enganxen directament a les canonades existents. Sense perforació. Sense parada. Sense tallar les línies a pressió mentre el supervisor de manteniment té un petit esdeveniment cardíac a prop.
Apliqueu un compost d'acoblament acústic-bàsicament greix ultrasònic-fixeu els transductors a l'exterior de la canonada, configureu els vostres paràmetres i esteu mesurant el cabal. Tot el procés triga potser una hora en un bon dia. Compareu això amb la instal·lació d'una placa d'orifici o un comptador de turbina, que requereix línies de drenatge, tall de canonades, brides de soldadura, proves de pressió... ni tan sols està a prop.
La portabilitat és un altre avantatge del qual ningú parla prou. La mateixa pinça-del mesurador es pot moure entre desenes de punts de mesura. Auditar la distribució de flux d'una instal·lació sencera sense comprar 30 instruments separats? Són diners reals estalviats.
El problema de la paret de la canonada
Res és perfecte. Els senyals ultrasònics han de travessar la paret de la canonada dues vegades-un cop entren, un cop surten. Cada material de paret afecta el senyal de manera diferent.
L'acer inoxidable condueix els ultrasons de manera eficient, de vegades massa eficient. El senyal pot córrer al llarg de la paret de la canonada més ràpidament que a través del líquid, creant una diafonia que confon l'electrònica. L'acer al carboni es comporta millor. Les canonades de plàstic funcionen raonablement bé, però requereixen diferents configuracions de transductor. Tubs-revestits de formigó? Coure? Materials reforçats amb fibra de vidre-? Cadascun presenta reptes que van des de "complicat però manejable" fins a "trobar una altra tecnologia".
Els revestiments de canonades són especialment problemàtics. Aquest recobriment de goma que protegeix contra la corrosió? Pot absorbir completament el vostre senyal ultrasònic. El buit d'aire entre un revestiment degradat i la paret de la canonada? Encara pitjor. Algunes instal·lacions informen que la precisió cau fins al ±20% o falla completament quan les condicions del revestiment es deterioren. Assumptes d'inspecció periòdica.
Canvis de temperatura i altres mals de cap
La velocitat dels ultrasons a través de qualsevol mitjà depèn de la temperatura. Un líquid més calent significa una propagació del so més ràpida (normalment). El mesurador compensa matemàticament, però els canvis extrems de temperatura durant la mesura poden introduir errors-que calcula l'electrònica en funció de la temperatura actual, mentre que el pols acústic viatja a través del líquid que pot estar canviant moment a moment.
La majoria de comptadors moderns ho gestionen bé. Tot i així, si el vostre procés implica un cicle tèrmic ràpid, mencioneu-lo al venedor abans de comprar en lloc de descobrir problemes durant la posada en marxa.
La vibració planteja reptes similars. La maquinària pesada propera pot sacsejar els transductors des de l'acoblament acústic. El muntatge adequat aborda això, però el "muntatge adequat" significa coses diferents per als diferents instal·ladors. La fixació mecànica segura i el generós compost d'acoblament aplicat correctament supera els dissenys de suports fantàstics cada vegada.
Requisit de canonada completa
Aquest agafa la gent desprevinguda. Els mesuradors de cabal ultrasònic requereixen canonades completament plenes. Les línies parcialment omplertes-comuns en sistemes d'alimentació per gravetat-o en canonades de grans dimensions-ofereixen lectures sense sentit. El mesurador assumeix que el líquid omple tota la-secció transversal quan calcula el cabal volumètric a partir de la velocitat. Si només la meitat de la canonada conté líquid, el vostre flux real és la meitat del que mostra la pantalla.
Alguns fabricants ofereixen configuracions especialitzades per a canonades parcialment plenes, però aquestes afegeixen cost i complexitat. Més fàcil d'instal·lar on es garanteixen les condicions completes de la canonada o acceptar que determinats punts de mesura simplement no són adequats per a la tecnologia ultrasònica.
Flexibilitat de mida
A diferència de moltes tecnologies de flux, els mesuradors d'ultrasons s'escalfen molt bé. El mateix principi fonamental funciona des de tubs de mitja-polzada fins a canonades de diversos metres de diàmetre. Les plataformes petrolieres offshore utilitzen comptadors d'ultrasons en línies massives de transferència de cru. Les plantes farmacèutiques els utilitzen en petits fluxos de procés. Diferents mides de transductor, diferents configuracions de muntatge, mateixa física.
Aquesta gamma fa que els ultrasons siguin una opció atractiva per a instal·lacions amb diferents mides de canonades. Entrenar equips en una tecnologia supera mantenir l'experiència en cinc tipus de comptadors diferents.
On s'utilitzen realment
El petroli i el gas dominen el mercat d'ultrasons, especialment per a la transferència de custòdia-aquelles mesures d'alta-aposta en què els diners canvien de mans en funció de la quantitat de producte que es mou per una canonada. Els mesuradors de temps de trànsit-multi-camí- amb quatre, sis o vuit parells de transductors aconsegueixen la precisió que exigeixen aquestes aplicacions.
Les instal·lacions de tractament d'aigües i aigües residuals depenen en gran mesura dels tipus Doppler per a les línies de fangs i el seguiment d'afluents. El processament químic utilitza ambdós tipus en funció de les característiques del fluid. Els sistemes de climatització els utilitzen per al control d'aigua freda i calenta. Les aplicacions d'aliments i begudes afavoreixen la fixació-en dissenys que eviten el risc de contaminació.
Les operacions mineres empenyen amb força els mesuradors Doppler, mesurant purins que porten partícules abrasives que destruirien qualsevol sensor intrusiu en poques setmanes. Els comptadors sobreviuen perquè mai no toquen el fluid. Sense superfícies de desgast. Sense peces de recanvi. Només transductors asseguts tranquil·lament a l'exterior de la canonada mentre flueix un purín assassinat a l'interior.
Realitat de manteniment
Als materials de màrqueting els encanta reclamar "manteniment zero". Això és optimista. Més precís: els requisits de manteniment són mínims en comparació amb els comptadors mecànics.
Els transductors necessiten una inspecció periòdica. El compost d'acoblament s'asseca i requereix un refresc. L'electrònica deriva amb el temps i es beneficia de la verificació amb estàndards de referència. Les actualitzacions de firmware solucionen errors o milloren els algorismes. Les bateries de les unitats portàtils s'esgoten.
Res d'això s'aproxima a la càrrega de manteniment dels comptadors de desplaçament positiu amb els seus components giratoris, o els comptadors de turbina amb coixinets que eventualment fallen, o els comptadors de vòrtex amb barres de despreniment que s'erosionen. Però "mínim" no és "zero". Pressupost en conseqüència.
Consideracions de costos
El preu de compra inicial és superior al dels comptadors mecànics bàsics, inferior al de Coriolis{0}}de gamma alta o als dissenys electromagnètics sofisticats. La fixació-a la instal·lació redueix el cost total de desplegament en comparació amb les alternatives en línia que requereixen modificacions de canonades.
L'economia a llarg termini{0}}acostuma a afavorir els ultrasons. Sense caiguda de pressió significa que no es malgasta energia empenyent el fluid a través d'una restricció de flux. Sense peces mullades significa que no hi ha costos de reemplaçament relacionats amb la corrosió-. La portabilitat significa que un metre dóna servei a diverses ubicacions. Que aquests avantatges superin els costos inicials més elevats depèn de la vostra situació específica, de la vida útil prevista i de quant valoreu no tallar canonades.
Pensaments finals (una mena de)
Els mesuradors de cabal ultrasònics representen una veritable intel·ligència d'enginyeria-mesurant quelcom tan pràctic com la velocitat del líquid utilitzant quelcom tan abstracte com el canvi de freqüència en ones sonores inaudibles. La tecnologia ha madurat considerablement des dels primers desplegaments comercials a la dècada de 1970 i continua millorant a mesura que el processament del senyal es fa més intel·ligent i els dissenys dels transductors evolucionen.
No són solucions universals. Els líquids nets airejats confonen els mesuradors Doppler. Els fluxos-molts de partícules derroten els dissenys de temps de trànsit-. Les canonades revestides causen problemes. Les canonades parcialment plenes causen problemes més grans. Cada tecnologia té punts cecs.
Però per a les aplicacions adequades-i hi ha molts-mesuradors d'ultrasons que ofereixen una combinació de precisió, no-invasivitat i fiabilitat que les tecnologies alternatives lluiten per igualar. La física de la sirena de l'ambulància que semblava una curiositat abans? Resulta que val diversos milers de milions de dòlars anuals en instrumentació industrial. Christian Doppler probablement trobaria això divertit.
