Tìm hiểu về đồng hồ đo lưu lượng siêu âm và nguyên lý hoạt động của nó trong đo lưu lượng nước

Phép đo tốc độ dòng chảy liên quan đến việc xác định lượng chất lỏng đi qua một diện tích bề mặt xác định của bình tại một thời điểm cụ thể. Giống như tất cả các dạng đo lường khác, nó có các ứng dụng trong cuộc sống hàng ngày, từ việc sử dụng để theo dõi lượng nước và khí tiêu thụ để ước tính hóa đơn đến các ứng dụng công nghiệp quan trọng hơn (ví dụ: pha trộn nhiều hóa chất ở quy mô lớn) trong đó phép đo tốc độ dòng chảy đóng một vai trò quan trọng trong việc duy trì chất lượng của quá trình / sản phẩm.

Để xác định tốc độ dòng chảy, các loại đồng hồ đo đặc biệt được gọi là đồng hồ đo lưu lượng được sử dụng. Có nhiều loại Lưu lượng kế khác nhau, do các yêu cầu đa dạng trong đo lưu lượng (tuyến tính / không tuyến tính, tốc độ khối lượng / thể tích, v.v.). Các đồng hồ đo khác nhau dựa trên các yếu tố khác nhau bao gồm; kỹ thuật đo mà họ áp dụng, các thông số lưu lượng cụ thể mà họ theo dõi, thể tích chất lỏng mà họ có thể theo dõi và một số thuộc tính vật lý của chúng. YFS201 là một cảm biến lưu lượng nước phổ biến, trước đây chúng tôi đã sử dụng để đo lưu lượng nước bằng Arduino và tính toán tốc độ dòng chảy và thể tích phân tán.

Một số loại / loại đồng hồ đo lưu lượng bao gồm; Turbine, Vortex, Thermal mass, Magnetic, Oval gear, Paddlewheel, Coriolis, Mass flow, Low-flow, và Siêu âm đồng hồ đo lưu lượng là trọng tâm của bài viết này. Máy đo lưu lượng siêu âm cung cấp một phương tiện không xâm lấn, rất đáng tin cậy để xác định lượng chất lỏng chảy qua một bình và chúng đã được tìm thấy ứng dụng trong các ngành công nghiệp khác nhau từ dầu khí đến các nhà cung cấp tiện ích.

Đối với bài viết này, chúng ta sẽ xem xét mọi thứ xung quanh Máy đo lưu lượng siêu âm, cách chúng hoạt động, ưu điểm và nhược điểm.

Máy đo lưu lượng siêu âm

Như tên của nó, đồng hồ đo lưu lượng siêu âm, một trong những thiết bị đo lưu lượng được sử dụng rộng rãi, là một thiết bị không xâm nhập, tính toán lưu lượng thể tích của chất lỏng bằng cách đo vận tốc của nó bằng sóng siêu âm. Nó có thể đo lưu lượng chất lỏng trong hầu như bất kỳ chất lỏng nào mà sóng âm thanh có thể truyền đi. Loại đồng hồ đo lưu lượng này thường được coi là “hybrid” vì nó có thể sử dụng nguyên tắc Doppler hoặc phương pháp thời gian vận chuyển để đo lưu lượng, chúng ta sẽ thảo luận cả hai nguyên tắc sau trong bài viết này. Lưu ý rằng những đồng hồ đo lưu lượng này còn được gọi là đồng hồ đo lưu lượng Doppler nếu chúng hoạt động theo nguyên tắc doppler.

Đồng hồ đo lưu lượng siêu âm lý tưởng nhất cho các ứng dụng nước cần giảm áp suất thấp, bảo trì thấp và tương thích hóa học. Nhìn chung, chúng sẽ không hoạt động với nước uống hoặc nước cất nhưng phù hợp với các ứng dụng nước thải hoặc chất lỏng bẩn dẫn điện. Chúng được sử dụng với chất lỏng mài mòn và ăn mòn vì chúng không cản trở chất lỏng chảy qua đường ống.

Nguyên lý làm việc của Máy đo lưu lượng siêu âm

Máy đo lưu lượng siêu âm sử dụng các nguyên tắc của tiếng vang và sự thay đổi tốc độ của âm thanh trên các phương tiện khác nhau để đo lưu lượng. Máy đo thường chứa hai đầu dò siêu âm với một đầu dò hoạt động như máy phát và một đầu dò hoạt động như máy thu. Hai đầu dò có thể được lắp cạnh nhau hoặc lệch góc với nhau ở các phía đối diện của bình. Đầu dò truyền phát ra các xung âm thanh từ bề mặt của cảm biến đến chất lỏng và nó được nhận bởi đầu dò được chỉ định là máy thu. Thời gian cần thiết để xung âm thanh đi từ máy phát đến máy thu, được gọi là thời gian truyền, sau đó được ước tính và sử dụng để xác định tốc độ dòng chảy và các thông số khác.

Đối với cấu hình thứ hai, với máy phát và máy thu được đặt cạnh nhau, máy phát phát ra xung âm thanh trong khi máy thu giám sát thời gian cần thiết để nhận được tiếng vọng của quá trình truyền.

Bất kể cấu hình cảm biến, phép đo với chênh lệch thời gian vận chuyển dựa trên thực tế là; sóng âm truyền theo hướng dòng chảy của môi trường chuyển động nhanh hơn sóng âm truyền theo hướng dòng chảy của môi trường. Do đó, sự khác biệt trong thời gian vận chuyển tỷ lệ thuận với vận tốc dòng chảy của môi chất và nguyên tắc này được sử dụng để đo chính xác thể tích của chất khí và chất lỏng và cũng để tính được tỷ trọng và độ nhớt.

Trong khi hai phương pháp trên là những phương pháp được sử dụng rất phổ biến, các lưu lượng kế siêu âm khác nhau sử dụng phiên bản sửa đổi của phương pháp này, dựa trên loại chất lỏng và phép đo cần thực hiện. Hình ảnh đồng hồ đo nước siêu âm dưới đây minh họa cách đặt các đầu dò ngược dòng và hạ lưu bên trong ống cảm biến cùng với một số gương phản xạ cho thiết kế đồng hồ đo lưu lượng nước. Thiết lập phần cứng thực tế giống nhau cũng được hiển thị với cả hai đầu dò được đánh dấu.

Tính toán tốc độ dòng chảy bằng cảm biến dòng siêu âm

Để hiểu rõ hơn về các kỹ thuật đằng sau điều này, hãy xem hình ảnh dưới đây có cấu hình đầu tiên với đầu dò bộ phát (TA) và bộ thu (TB) được gắn ở một góc đối diện nhau;

Đặt thời gian để một sóng âm truyền từ máy phát đến máy thu, nghĩa là theo hướng dòng chảy của môi trường là T _{A –B}, và thời gian để sóng âm di chuyển từ đầu thu sang đầu thu phát, đó là ngược với hướng dòng chảy T _{B –A}.

Sự khác biệt trong hai thời gian vận chuyển tỷ lệ thuận với vận tốc dòng chảy trung bình, v _m của phương tiện tức là;

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

Vì thời gian truyền của tín hiệu là khoảng cách giữa đầu dò phát và thiết bị phát nhận chia cho vận tốc mà tín hiệu âm thanh cần truyền từ đầu dò này sang đầu dò kia nên chúng ta có

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

Và;

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

Công thức 2 và 3 xác định tốc độ dòng chảy giữa đầu dò A ngược dòng và đầu dò B xuôi dòng. Ở đâu;

v = vận tốc dòng chảy của môi trường, L = chiều dài của đường âm, c = vận tốc của âm thanh trong môi trường, và alpha “α” là góc tới đường ống mà âm thanh siêu âm truyền từ máy phát đến máy thu.

Giả sử vận ​​tốc của âm thanh trong môi trường là không đổi (nghĩa là không thay đổi các thông số như khối lượng riêng của chất lỏng, nhiệt độ, v.v.) chúng ta có;

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

nhân vận tốc trung bình với diện tích mặt cắt ngang của ống, ta được tốc độ dòng chảy, Q là;

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

Diện tích mặt cắt ngang của đường ống là không đổi đối với đồng hồ đo lưu lượng siêu âm nội tuyến có đường kính D.

Việc thực hiện các phương trình này mà không có các biến như mật độ, nhiệt độ, áp suất, tốc độ âm thanh và các đặc tính xác định của phương tiện / chất lỏng khác, cho thấy lý do đằng sau tính linh hoạt và độ chính xác của lưu lượng kế siêu âm.

Ưu điểm / Ý nghĩa của máy đo siêu âm

Ưu điểm chính của lưu lượng kế siêu âm là tính chất không xâm lấn và khả năng làm việc với bất kỳ loại chất lỏng nào (vì mật độ và tốc độ âm thanh trong chất lỏng không quan trọng). Các chất đa dạng (bao gồm hóa chất, dung môi, dầu, v.v.) với các đặc tính khác nhau được hệ thống đường ống vận chuyển và phân phối mỗi ngày với nhu cầu giám sát dòng chảy của chúng. Bản chất không xâm lấn của máy đo lưu lượng siêu âm khiến chúng trở thành máy đo goto trong những tình huống như thế này. Đây là lý do tại sao họ tìm thấy các ứng dụng trong các lĩnh vực công nghiệp khác nhau, từ các ngành liên quan đến hóa chất đến chế biến thực phẩm, xử lý nước và lĩnh vực dầu khí.

Nhược điểm

Nhược điểm chính của lưu lượng kế siêu âm là giá của chúng. Do sự phức tạp trong thiết kế của chúng, đồng hồ đo lưu lượng siêu âm thường đắt hơn đồng hồ cơ hoặc các loại đồng hồ khác, vì chúng đòi hỏi nhiều nỗ lực và linh kiện hơn,

Bên cạnh sự phức tạp về thiết kế và chi phí, lưu lượng kế siêu âm cũng yêu cầu trình độ chuyên môn về lắp đặt / xử lý so với hầu hết các loại đồng hồ khác.

Máy đo lưu lượng siêu âm hàng đầu trên thị trường

Trong khi thị trường máy đo lưu lượng siêu âm toàn cầu dự kiến ​​sẽ đạt 2 tỷ USD vào năm 2024, thị trường đã chứng kiến ​​sự tăng trưởng mạnh mẽ trong vài năm qua, nhờ các ứng dụng của nó trong nhiều ngành công nghiệp ngày nay và sự ra đời của một số biến thể mới được cải tiến. Nhiều nhà sản xuất đã phát triển máy đo lưu lượng siêu âm với công nghệ tiên tiến để cải thiện độ chính xác của phép đo. Vì đồng hồ này phục vụ cho các giải pháp cụ thể trong ngành, nên những phát triển mới nhất dự kiến ​​sẽ thúc đẩy thị trường trong các giai đoạn dự báo. Máy đo lưu lượng siêu âm hàng đầu trên thị trường bao gồm:

Máy đo lưu lượng siêu âm Sonic-View: Sonic-view, một trong những giải pháp tốt nhất để đo lưu lượng chất lỏng thấp hoạt động trên nguyên tắc thời gian vận chuyển. Các đầu dò không tiếp xúc với môi trường và không có bộ phận chuyển động nào được sử dụng trong các thiết bị. Các tính năng vượt trội như chi phí sở hữu thấp, nhiều năm hoạt động không cần bảo trì, đầu dò được bảo vệ, chu kỳ dài tuổi thọ của đồng hồ mạnh mẽ và tính chất không nhạy cảm của nó đối với các đỉnh và hạt áp suất, tất cả góp phần giải thích lý do tại sao đồng hồ đo lưu lượng siêu âm dạng xem âm giải pháp tốt nhất trên thị trường máy đo.

Đồng hồ đo nước siêu âm Shmeters: Trong các điều kiện lưu lượng ống khác nhau, đồng hồ đo nước siêu âm cho mục đích công nghiệp và thương mại này có khả năng đánh dấu các phép đo thiết kế với độ chính xác đo cao nhất có thể. Đồng hồ chạy bằng pin và có thể hoạt động liên tục trong 10 năm chỉ với một viên pin; công suất tiêu thụ của nó nhỏ hơn 0,5mW. Nó có thể hoạt động lâu dài mà không bị ảnh hưởng bởi nhiễu từ. Trong khi đó, nó có độ tin cậy và độ nhạy cao, tốc độ dòng chảy thấp tới 0,002m / s có thể được phát hiện nhanh chóng.

Đồng hồ đo lưu lượng siêu âm Sitrans FS: Chúng mang lại hiệu suất ấn tượng cho nhiều loại khí và chất lỏng vì chúng có thể hoạt động độc lập với nhiệt độ, độ nhớt, độ dẫn điện, áp suất, mật độ và trong những điều kiện khắc nghiệt nhất. Sitrans FS220 tự hào là giải pháp tốt nhất trong phân khúc cho các phép đo dòng chảy đơn giản vì khả năng của nó là vô tận.

Đặc biệt, trong các ứng dụng cấp tiêu dùng, máy đo siêu âm đang được cải tiến bởi các công nghệ như LoRa cho phép các cơ quan chức năng của thành phố và các cơ quan liên quan giám sát từ xa những thứ như lượng tiêu thụ khí và nước. Bản chất năng lượng thấp của phương tiện liên lạc cho phép những đồng hồ này có tuổi thọ hơn 5 năm chỉ với một lần sạc pin, nhiều hơn những gì có thể đạt được khi sử dụng đồng hồ cơ.