Comprensione dei misuratori di portata a ultrasuoni e del suo principio di funzionamento nella misurazione del flusso d'acqua

La misurazione della portata implica la determinazione della quantità di fluido che passa attraverso una superficie specificata di un serbatoio in un determinato momento. Come tutte le forme di misurazione, ha applicazioni nella vita di tutti i giorni che vanno dal suo utilizzo nel monitoraggio del consumo di acqua e gas per la stima della bolletta ad applicazioni industriali più critiche (ad esempio miscelazione su larga scala di più sostanze chimiche) dove la misurazione della portata gioca un ruolo chiave nel mantenimento del qualità del processo / prodotto.

Per determinare la portata, vengono utilizzati tipi speciali di misuratori denominati misuratori di portata. Esistono molti tipi diversi di misuratori di portata, a causa dei diversi requisiti nella misurazione del flusso (lineare / non lineare, portata massa / volumetrica, ecc.). I contatori variano l'uno dall'altro in base a diversi fattori tra cui; la tecnica di misurazione che applicano, i parametri di flusso specifici che monitorano, il volume di fluido che possono monitorare e le loro caratteristiche fisiche per citarne alcuni. L'YFS201 è un popolare sensore di flusso d'acqua, che abbiamo precedentemente utilizzato per misurare il flusso d'acqua utilizzando Arduino e calcolare la velocità di flusso e il volume disperso.

Alcuni dei tipi / categorie di misuratori di portata includono; Misuratori di portata a turbina, vortice, massa termica, magnetica, ovale, ruota a pale, Coriolis, flusso di massa, flusso basso e ultrasuoni che sono al centro di questo articolo. I misuratori di portata ad ultrasuoni forniscono un mezzo non invasivo e molto affidabile per determinare la quantità di fluido che scorre attraverso una nave e hanno trovato applicazioni in diversi settori, dal petrolio e gas ai fornitori di servizi.

Per questo articolo, esamineremo tutto ciò che riguarda il misuratore di portata a ultrasuoni, come funzionano, vantaggi e svantaggi.

Il misuratore di portata ad ultrasuoni

Come suggerisce il nome, il misuratore di portata ad ultrasuoni, uno dei misuratori di portata ampiamente utilizzati, è un dispositivo non intrusivo che calcola la portata del fluido misurandone la velocità con gli ultrasuoni. Può misurare il flusso del fluido praticamente in qualsiasi fluido in cui le onde sonore possono trasmettere. Questo tipo di flussometro è generalmente considerato "ibrido" in quanto può utilizzare il principio Doppler o il metodo del tempo di transito per misurare il flusso, discuteremo entrambi i principi più avanti in questo articolo. Si noti che questi misuratori di portata sono anche chiamati misuratori di portata Doppler se funzionano utilizzando il principio doppler.

I misuratori di portata a ultrasuoni sono ideali per applicazioni idriche in cui sono richieste basse cadute di pressione, bassa manutenzione e compatibilità chimica. Generalmente non funzionano con acqua potabile o distillata, ma sono adatti per applicazioni con acque reflue o liquidi sporchi conduttivi. Sono utilizzati con liquidi abrasivi e corrosivi in ​​quanto non ostruiscono il flusso del liquido attraverso le tubazioni.

Principio di funzionamento del misuratore di portata ad ultrasuoni

I misuratori di portata ad ultrasuoni utilizzano i principi dell'eco e la variazione della velocità del suono su diversi mezzi per misurare il flusso. I misuratori contengono tipicamente due trasduttori a ultrasuoni, uno che funge da trasmettitore e l'altro da ricevitore. I due trasduttori possono essere montati fianco a fianco o ad angolo l'uno dall'altro sui lati opposti della nave. Il trasduttore trasmittente emette impulsi sonori dalla superficie del sensore al fluido e viene ricevuto dal trasduttore designato come ricevitore. Il tempo impiegato dall'impulso sonoro per viaggiare dal trasmettitore al ricevitore, noto come tempo di transito, viene quindi stimato e utilizzato per determinare la portata e altri parametri.

Per la seconda configurazione, con trasmettitore e ricevitore affiancati, il trasmettitore emette l'impulso sonoro mentre il ricevitore monitora il tempo necessario per ricevere un'eco della trasmissione.

Indipendentemente dalla configurazione del sensore, la misura con differenza di tempo di transito si basa sul fatto che; le onde sonore che si propagano nella direzione del flusso del mezzo si muovono più rapidamente delle onde che si propagano contro la direzione del flusso del mezzo. Pertanto, la differenza nel tempo di transito è direttamente proporzionale alla velocità di flusso del mezzo e questo principio viene utilizzato per misurare accuratamente il volume di gas e liquidi e anche per derivare densità e viscosità.

Mentre i due metodi di cui sopra sono quelli molto comunemente usati, diversi misuratori di portata ad ultrasuoni usano una versione modificata di questo, in base al tipo di liquido e alla misurazione da eseguire. L' immagine del contatore dell'acqua ad ultrasuoni sotto mostra come i trasduttori a monte ea valle sono posizionati all'interno di un tubo del sensore insieme ad alcuni riflettori per un progetto di misuratore di portata dell'acqua. Viene mostrata anche l'attuale configurazione hardware dello stesso con entrambi i trasduttori contrassegnati.

Calcolo della portata utilizzando sensori di flusso a ultrasuoni

Per avere una più chiara comprensione dei tecnicismi alla base di questo, si consideri l'immagine sottostante che mostra la prima configurazione con i trasduttori trasmettitore (TA) e ricevitore (TB) montati ad angolo opposto l'uno all'altro;

Lascia che il tempo impiegato da un'onda acustica per viaggiare dal trasmettitore al ricevitore, cioè nella direzione del flusso del mezzo, sia T _{A –B}, e il tempo impiegato per spostarsi dal trasduttore ricevente al trasduttore trasmittente, cioè contro la direzione del flusso T _{B –A}.

La differenza dei due tempi di transito è direttamente proporzionale alla velocità media del flusso, v _m del mezzo ie;

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

Poiché il tempo di transito del segnale è la distanza tra il trasduttore trasmittente e il trasmettitore ricevente diviso per la velocità che il segnale acustico deve percorrere da un trasduttore all'altro abbiamo

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

E;

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

Le equazioni 2 e 3 definiscono la portata tra il trasduttore A a monte e il trasduttore B a valle. dove;

v = velocità del flusso del mezzo, L = lunghezza del percorso acustico, c = velocità del suono nel mezzo e alfa “α” è l'angolo rispetto al tubo al quale il suono ultrasonico viaggia dal trasmettitore al ricevitore.

Supponendo che la velocità del suono nel mezzo sia costante (cioè nessun cambiamento nei parametri come la densità del fluido, la temperatura, ecc.) Abbiamo;

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

moltiplicando la velocità media per l'area della sezione trasversale del tubo, otteniamo la portata, Q come;

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

L'area della sezione trasversale del tubo è costante per un misuratore di portata ad ultrasuoni in linea con il diametro D.

L'implementazione di queste equazioni senza variabili come densità, temperatura, pressione, velocità del suono e altre caratteristiche definite dal mezzo / fluido, mostra i motivi dietro la versatilità e l'accuratezza dei misuratori di portata ad ultrasuoni.

Vantaggi / significato dei contatori a ultrasuoni

I principali vantaggi dei misuratori di portata ad ultrasuoni devono essere la loro natura non invasiva e la loro capacità di lavorare con qualsiasi tipo di fluido (poiché la densità e la velocità del suono nei fluidi non sono importanti). Sostanze diverse (inclusi prodotti chimici, solventi, oli, ecc.) Con proprietà diverse vengono trasportate e distribuite ogni giorno da sistemi di tubazioni con la necessità di monitorarne il flusso. La natura non invasiva dei misuratori di portata a ultrasuoni li rende i goto meter in situazioni come questa. Questo è il motivo per cui trovano applicazioni in diversi settori industriali, dalle industrie chimiche alla lavorazione degli alimenti, al trattamento delle acque e al settore del petrolio e del gas.

Svantaggi

Il principale svantaggio dei misuratori di portata ad ultrasuoni deve essere il loro prezzo. A causa della complessità del loro design, i misuratori di portata ad ultrasuoni sono generalmente più costosi dei misuratori meccanici o di altro tipo, poiché richiedono più sforzi e componenti,

Oltre alla complessità e ai costi di progettazione, i misuratori di portata ad ultrasuoni richiedono anche un livello di esperienza nell'installazione / manipolazione rispetto alla maggior parte degli altri tipi di misuratori.

I migliori misuratori di portata a ultrasuoni sul mercato

Mentre il mercato del misuratore di portata a ultrasuoni globale dovrebbe raggiungere i 2 miliardi di dollari entro il 2024, il mercato ha assistito a una forte crescita negli ultimi anni, grazie alle sue applicazioni in numerosi settori oggi e all'introduzione di alcune varianti recentemente migliorate. Molti produttori hanno sviluppato misuratori di portata a ultrasuoni con tecnologia avanzata per migliorare l'accuratezza della misurazione. Poiché questo misuratore si rivolge a soluzioni specifiche del settore, si prevede che gli ultimi sviluppi guideranno il mercato durante i periodi di previsione. I migliori misuratori di portata ad ultrasuoni sul mercato includono:

Misuratori di portata a ultrasuoni Sonic-View: Il sonic-view, una delle migliori soluzioni per misurare bassi flussi di liquidi, funziona secondo il principio del tempo di transito. I trasduttori non sono a contatto con il mezzo e non ci sono parti mobili utilizzate all'interno degli strumenti. Caratteristiche imbattibili come bassi costi di proprietà, anni di funzionamento esente da manutenzione, trasduttori protetti, un ciclo di vita di un misuratore robusto e la sua natura insensibile ai picchi di pressione e alle particelle, contribuiscono al motivo per cui il misuratore di portata a ultrasuoni a vista sonora migliori soluzioni nel mercato dei contatori.

Contatori per acqua ad ultrasuoni Shmeters: in varie condizioni di flusso del tubo, questo contatore per acqua a ultrasuoni per scopi industriali e commerciali è in grado di contrassegnare le misurazioni della sezione del progetto con la massima precisione di misurazione possibile. Lo strumento è alimentato a batteria e può funzionare ininterrottamente per 10 anni con una sola batteria; il suo consumo energetico è inferiore a 0,5 mW. Può continuare a funzionare a lungo senza essere influenzato da interferenze magnetiche. Nel frattempo, è altamente affidabile e sensibile, una velocità di flusso fino a 0,002 m / s può essere rilevata rapidamente.

I misuratori di portata a ultrasuoni Sitrans FS: forniscono prestazioni impressionanti per una varietà di gas e liquidi perché possono funzionare indipendentemente da temperatura, viscosità, conduttività, pressione, densità e nelle condizioni più difficili. Il Sitrans FS220 è orgoglioso di essere la soluzione migliore per misure di flusso dirette poiché le sue possibilità sembrano essere infinite.

Soprattutto nelle applicazioni consumer, i contatori a ultrasuoni vengono migliorati da tecnologie come LoRa che consente alle autorità municipali e correlate di monitorare a distanza cose come i consumi di gas e acqua. La natura a bassa potenza del mezzo di comunicazione consente a questi misuratori di durare per 5+ anni con una singola carica della batteria, molto più di quanto si può ottenere utilizzando misuratori meccanici.