Conèixer els mesuradors de cabal ultrasònics i el seu principi de funcionament en la mesura del cabal d’aigua

La mesura del cabal implica la determinació de la quantitat de fluid que passa per una superfície específica d'un vaixell en un moment concret. Com tota forma de mesurament, té aplicacions de la vida quotidiana que van des del seu ús en la supervisió del consum d’ aigua i gas per a l’estimació de factures fins a aplicacions industrials més crítiques (per exemple, mescles a gran escala de múltiples productes químics), on la qualitat del procés / producte.

Per determinar el cabal, s’utilitzen tipus especials de comptadors anomenats mesuradors de cabal. Hi ha molts tipus diferents de mesuradors de cabal, a causa dels diversos requisits en mesura de cabal (lineals / no lineals, massa / velocitat volumètrica, etc.). Els metres varien entre si en funció de diferents factors, inclosos; la tècnica de mesura que apliquen, els paràmetres de flux específics que monitoritzen, el volum de fluid que poden rastrejar i els seus atributs físics per esmentar-ne alguns. El YFS201 és un popular sensor de cabal d’aigua, que anteriorment hem utilitzat per mesurar el cabal d’aigua mitjançant Arduino i la velocitat de cabal i volum dispersos calculats.

Alguns dels tipus / categories de mesuradors de cabal inclouen; Turbina, vòrtex, massa tèrmica, magnètica, engranatge oval, roda de paletes, Coriolis, cabal massic, cabal baix i ultrasònic, que són el focus d’aquest article. Els mesuradors de cabal per ultrasons ofereixen un mètode no invasiu i molt fiable per determinar la quantitat de fluid que flueix a través d'un vaixell i han trobat aplicacions en diferents indústries, des del petroli i el gas fins als proveïdors de serveis públics.

Per a aquest article, analitzarem tot el que hi ha al voltant del mesurador de flux ultrasònic, com funcionen, avantatges i desavantatges.

El mesurador de cabal per ultrasons

Com el seu nom indica, el mesurador de cabal ultrasònic, un dels mesuradors de cabal àmpliament utilitzat, és un dispositiu no intrusiu que calcula el cabal volumètric del fluid mesurant la seva velocitat amb ultrasons. Pot mesurar el flux de fluid en pràcticament qualsevol fluid on es poden transmetre ones sonores. Aquest tipus de mesurador de cabal es considera generalment "híbrid", ja que pot utilitzar el mètode Doppler o el mètode del temps de trànsit per mesurar el cabal. Anem a discutir els dos principis més endavant en aquest article. Tingueu en compte que aquests mesuradors de cabal també s’anomenen mesuradors de cabal Doppler si funcionen segons el principi doppler.

Els mesuradors de cabal per ultrasons són ideals per a aplicacions d’aigua on es requereix una baixa caiguda de pressió, un manteniment baix i una compatibilitat química. Generalment no funcionen amb aigua potable o destil·lada, però són aptes per a aplicacions d’aigües residuals o líquids bruts conductors. S’utilitzen amb líquids abrasius i corrosius, ja que no obstrueixen la circulació de líquids a través de les canonades.

Principi de funcionament del mesurador de cabal per ultrasons

Els mesuradors de flux ultrasònics utilitzen els principis de l’eco i la variació de la velocitat del so entre diferents suports per mesurar el flux. Els mesuradors solen contenir dos transductors d'ultrasons amb un com a transmissor i l'altre com a receptor. Els dos transductors es podrien muntar un al costat de l’altre o en un angle l’un de l’altre en els costats oposats del vaixell. El transductor transmissor emet polsos sonors des de la superfície del sensor al fluid i el rep transductor designat com a receptor. El temps que triga el pols de so a viatjar des del transmissor fins al receptor, conegut com a temps de trànsit, s’estima i s’utilitza per determinar el cabal i altres paràmetres.

Per a la segona configuració, amb el transmissor i el receptor situats un al costat de l’altre, el transmissor emet el pols de so mentre el receptor controla el temps que triga a rebre un ressò de la transmissió.

Independentment de la configuració del sensor, la mesura amb diferència de temps de trànsit es basa en el fet que; les ones sonores que es propaguen en la direcció del flux del medi es mouen més ràpidament que les ones que es propaguen contra la direcció del flux del medi. Per tant, la diferència en el temps de trànsit és directament proporcional a la velocitat de flux del medi i aquest principi s’utilitza per mesurar amb precisió el volum de gasos i líquids i també per obtenir densitat i viscositat.

Tot i que els dos mètodes anteriors són els més utilitzats, diferents mesuradors de cabal ultrasònics utilitzen una versió modificada d’aquest, basada en el tipus de líquid i la mesura que s’ha de fer. La imatge de mesurador d’aigua ultrasònica que es mostra a continuació il·lustra com els transductors aigües amunt i aigües avall es col·loquen dins d’una canonada de sensor juntament amb alguns reflectors per al disseny d’un mesurador de cabal d’aigua. La configuració real del maquinari també es mostra amb els dos transductors marcats.

Càlcul del cabal mitjançant sensors de cabal ultrasònics

Per obtenir una comprensió més clara dels aspectes tècnics que hi ha darrere d'això, tingueu en compte la imatge següent que presenta la primera configuració amb els transductors transmissor (TA) i receptor (TB) muntats en un angle oposat;

Deixeu que el temps que triga una ona acústica en viatjar des del transmissor fins al receptor, és a dir, en la direcció de flux del medi sigui T _{A –B}, i el temps que triga el moviment del transductor receptor al transductor transmissor, és a dir, contra la direcció de flux T _{B –A}.

La diferència en els dos temps de trànsit és directament proporcional a la velocitat de flux mitjana, v _m del medi, és a dir;

T _{B –A} - T _{A –B} = v _m ------------- Equació 1

Com que el temps de trànsit del senyal és la distància entre el transductor transmissor i el transmissor receptor dividida per la velocitat que el senyal acústic necessita per viatjar d’un transductor a l’altre, tenim

T _{A –B} = L / (C _AB + v * cosα) -------------- Equació 2

I;

T _{B –A} = L / (C _BA - v * cos α) --------------- Equació 3

Les equacions 2 i 3 defineixen el cabal entre el transductor A aigües amunt i el transductor B aigües avall. on;

v = velocitat de flux del medi, L = longitud del recorregut acústic, c = velocitat del so en el medi i alfa "α" és l'angle respecte a la canonada en què el so ultrasònic viatja des del transmissor fins al receptor.

Suposant que la velocitat del so en el medi és constant (és a dir, no hi ha canvis en paràmetres com la densitat del fluid, la temperatura, etc.) que tenim;

(L / (2 * cos)) * (T _{B – A} - T _{A – B}) / (T _{B – A} x T _{A – B})

multiplicant la velocitat mitjana amb l'àrea de la secció transversal de la canonada, obtenim el cabal, Q com;

Q = (π * D ³) / (4 * sin 2α) * (T _{B – A} - T _{A – B}) / (T _{B – A} x T _{A – B})

L’àrea de la secció transversal de la canonada és constant per a un mesurador de flux ultrasònic en línia amb el diàmetre D.

La implementació d’aquestes equacions sense variables com la densitat, la temperatura, la pressió, la velocitat del so i altres característiques definides pels mitjans / fluids, mostren les raons darrere de la versatilitat i precisió dels mesuradors de cabal ultrasònics.

Avantatges / Importància dels mesuradors d'ultrasons

Els principals avantatges dels mesuradors de flux ultrasònics han de ser la seva naturalesa no invasiva i la seva capacitat per treballar amb qualsevol tipus de fluid (ja que la densitat i la velocitat del so en els fluids no tenen importància). Diverses substàncies (inclosos productes químics, dissolvents, olis, etc.) amb diferents propietats són transportades i distribuïdes per sistemes de canonades cada dia amb la necessitat de controlar-ne el flux. El caràcter no invasiu dels mesuradors de cabal ultrasònics els converteixen en mesuradors en situacions com aquesta. És per això que troben aplicacions en diferents sectors industrials, des d’indústries relacionades amb productes químics fins al processament d’aliments, el tractament d’aigües i el sector del petroli i el gas.

Desavantatges

El principal desavantatge dels mesuradors de cabal ultrasònics ha de ser el seu preu. A causa de la complexitat del seu disseny, els mesuradors de cabal ultrasònics solen ser més cars que els comptadors mecànics o d’altres tipus, ja que requereixen més esforços i components.

A part de la complexitat i el cost del disseny, els mesuradors de cabal ultrasònics també requereixen un nivell d’expertesa en instal·lació / manipulació en comparació amb la majoria dels altres tipus de comptadors.

Principals mesuradors de cabal per ultrasons del mercat

Tot i que s’espera que el mercat del mesurador de flux ultrasònic mundial arribi a 2 mil milions de dòlars americans el 2024, el mercat ha experimentat un fort creixement en els darrers anys, gràcies a les seves aplicacions en nombroses indústries actuals i a la introducció d’algunes variants millorades recentment. Molts fabricants han desenvolupat mesuradors de cabal ultrasònics amb tecnologia avançada per millorar la precisió de la mesura. Com que aquest mesurador atén solucions específiques del sector, s’espera que els darrers desenvolupaments impulsin el mercat durant els períodes de previsió. Els mesuradors de cabal ultrasònics principals del mercat inclouen:

Mesuradors de cabal ultrasònics Sonic-View: la Sonic-view, una de les millors solucions per mesurar fluxos de líquids baixos, funciona segons el principi del temps de trànsit. Els transductors no estan en contacte amb el mitjà i no hi ha parts mòbils utilitzades dins dels instruments. Funcions immillorables com a baixos costos de propietat, anys d’operació sense manteniment, transductors protegits, un cicle de vida útil de mesurador robust i la seva naturalesa insensible contra pics de pressió i partícules, contribueixen al fet que el mesurador de flux ultrasònic de visió sonora sigui un dels millors solucions al mercat dels comptadors.

Comptadors d’aigua ultrasònics Shmeters: sota diverses condicions de cabal, aquest comptador d’aigua ultrasònic per a usos industrials i comercials és capaç de marcar mesures de secció de disseny amb la màxima precisió de mesura possible. El comptador funciona amb bateria i pot funcionar ininterrompudament durant 10 anys amb una sola bateria; el seu consum d'energia és inferior a 0,5 mW. Pot continuar treballant durant molt de temps sense que es vegi afectat per interferències magnètiques. Mentrestant, és altament fiable i sensible, es pot detectar ràpidament una velocitat de flux de fins a 0,002 m / s.

Els mesuradors de cabal ultrasònics Sitrans FS: ofereixen un rendiment impressionant per a una gran varietat de gasos i líquids, ja que poden funcionar independentment de la temperatura, viscositat, conductivitat, pressió, densitat i en les condicions més dures. El Sitrans FS220 s’enorgulleix de ser la millor solució per a mesures de cabal senzilles, ja que les seves possibilitats semblen infinites.

Especialment en aplicacions de consum, els comptadors d’ultrasons s’estan potenciant gràcies a tecnologies com LoRa, que permet a les autoritats municipals i relacionades controlar de forma remota consums d’aigua i gas. La naturalesa de baixa potència del mitjà de comunicació permet que aquests comptadors durin més de 5 anys amb una sola càrrega de la bateria, molt més del que es pot aconseguir mitjançant comptadors mecànics.