הבנת מדי זרימה קולי ועיקרון העבודה במדידת זרימת מים

מדידת קצב הזרימה כוללת קביעה של כמות הנוזלים העוברת בשטח פנים מוגדר של כלי בזמן מסוים. כמו כל צורת המדידות, יש בו יישומים בחיי היומיום החל בשימוש במעקב אחר צריכת מים וגז לצורך הערכת חשבונות וכלה ביישומים תעשייתיים קריטיים יותר (למשל ערבוב בקנה מידה גדול של כימיקלים מרובים) כאשר מדידת קצב הזרימה ממלאת תפקיד מפתח בשמירה איכות התהליך / המוצר.

כדי לקבוע את קצב הזרימה, משתמשים בסוגים מיוחדים של מטרים המכונים מדי זרימה. ישנם סוגים רבים ושונים של מדי זרימה, בשל הדרישות המגוונות במדידת הזרימה (לינארי / לא לינארי, קצב מסה / נפח וכו '). המונים משתנים זה מזה בהתבסס על גורמים שונים כולל; טכניקת המדידה שהם מיישמים, פרמטרי הזרימה הספציפיים שהם עוקבים אחריהם, נפח הנוזל שהם יכולים לעקוב אחריהם ותכונותיהם הפיזיות להזכיר כמה. ה- YFS201 הוא חיישן זרימת מים פופולרי, בו השתמשנו בעבר למדידת זרימת מים באמצעות ארדואינו וקצב הזרימה והנפח המפוזרים מחושב.

חלק מהסוגים / קטגוריות של מדי הזרימה כוללים; טורבינה, מערבולת, מסה תרמית, ציוד מגנטי, סגלגל, גלגל המשכה, קוריוליס, זרימת מסה, זרימה נמוכה ומדי זרימה אולטרסאוניים שהם מוקד מאמר זה. מדי זרימה אולטראסוניים מספקים אמצעי לא פולשני ואמין מאוד לקביעת כמות הנוזלים הזורמים דרך כלי השיט והם מצאו יישומים בתעשיות שונות החל מנפט וגז ועד לספקי שירות.

עבור מאמר זה, נבחן את כל מה שמסביב למד הזרימה האולטראסונית, כיצד הם עובדים, יתרונות וחסרונות.

מד הזרימה האולטרסאוני

כפי שהשם מרמז, מד הזרימה הקולי, אחד ממדי הזרימה הנפוצים, הוא מכשיר שאינו פולשני המחשב את זרימת הנפח של הנוזל על ידי מדידת מהירותו באמצעות אולטרסאונד. הוא יכול למדוד את זרימת הנוזל כמעט בכל נוזל שבו גלי קול יכולים להעביר. סוג זה של מד זרימה נחשב בדרך כלל כ"היברידי "מכיוון שהוא יכול להשתמש בעקרון הדופלר או בשיטת זמן המעבר כדי למדוד את הזרימה, נדון בשני העקרונות בהמשך מאמר זה. שים לב שמדי זרימה אלה נקראים גם מד זרימה דופלר אם הם פועלים לפי עקרון הדופלר.

מדי הזרימה האולטראסוניים הם האידיאליים ביותר ליישומי מים בהם נדרשת ירידה בלחץ נמוך, תחזוקה נמוכה ותאימות כימית. הם בדרך כלל לא יעבדו עם שתייה או מים מזוקקים, אך הם מתאימים ליישומי שפכים או נוזלים מלוכלכים מוליכים. הם משמשים עם נוזלים שוחקים ומאכלים מכיוון שהם אינם מונעים נוזלים הזורמים דרך הצינורות.

עקרון עבודה של מד הזרימה הקולי

מדי זרימה אולטרסאוניים משתמשים בעקרונות הד, ובשונות במהירות הצליל על פני מדיומים שונים כדי למדוד את הזרימה. המונים מכילים בדרך כלל שני מתמרים קולי כאשר אחד מהם משמש כמשדר והשני כמקלט. שני המתמרים יכולים להיות מותקנים זה לצד זה או בזווית זה מזה בצדדים מנוגדים של הכלי. המתמר המשדר פולט פעימות קול מעל פני החיישן לנוזל והוא מתקבל על ידי המתמר המיועד כמקלט. משך הזמן שלוקח לדופק הקול לעבור מהמשדר למקלט, המכונה זמן מעבר, נאמד ומשמש לקביעת קצב הזרימה ופרמטרים אחרים.

עבור התצורה השנייה, כשהמשדר והמקלט ממוקמים זה לצד זה, המשדר פולט את דופק הקול בזמן שהמקלט עוקב אחר הזמן שלוקח לקבל הד של השידור.

ללא קשר לתצורת החיישן, המדידה עם הפרש זמן המעבר מבוססת על העובדה; גלי קול המתפשטים לכיוון הזרימה של המדיום נעים מהר יותר מאשר הגלים המתפשטים נגד כיוון הזרימה של המדיום. לפיכך, ההבדל בזמן המעבר עומד ביחס ישיר למהירות הזרימה של המדיום ועקרון זה משמש למדידה מדויקת של נפח הגזים והנוזלים וכן להפקת צפיפות וצמיגות.

בעוד ששתי השיטות שלעיל הן השיטות הנפוצות ביותר, מד זרימה קולי שונה משתמש בגרסה שונה של זה, בהתבסס על סוג הנוזל והמדידה שיש לבצע. התמונה הבאה של מד המים האולטרא-סאונד ממחישה כיצד מתמרים במעלה הזרם ובמורד הזרם ממוקמים בתוך צינור חיישן יחד עם כמה מחזירים לעיצוב מד זרימת מים. הגדרת החומרה בפועל של אותו מוצגת גם כאשר שני המתמרים מסומנים.

חישוב קצב הזרימה באמצעות חיישני זרימה קולי

כדי לקבל הבנה ברורה יותר של הטכניקות העומדות מאחורי זה, שקול את התמונה שמתחת הכוללת את התצורה הראשונה עם מתמרי משדר (TA) ומקלט (TB) המותקנים בזווית זו מול זו;

תן לזמן שלוקח גל אקוסטי לעבור מהמשדר למקלט, כלומר בכיוון הזרימה של המדיום, יהיה T _{A –B}, והזמן שלוקח לו לעבור מהמתמר המקבל לממיר המתמסר., כלומר נגד כיוון הזרימה T _{B –A}.

ההבדל בשני זמני המעבר הוא פרופורציונלי ישירות למהירות הזרימה הממוצעת, v _{מ '} של המדיום כלומר;

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

מכיוון שזמן המעבר של האות הוא המרחק בין המתמר המשדר למשדר הקולט חלקי המהירות שהאות האקוסטי זקוק לה כדי לעבור בין מתמר אחד למשנהו שיש לנו

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

וגם;

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

משוואות 2 ו -3 מגדירות את קצב הזרימה בין מתמר A במעלה הזרם ומתמר B במורד הזרם. איפה;

v = מהירות הזרימה של המדיום, L = אורך המסלול האקוסטי, c = מהירות הצליל במדיום, ואלפא "α" הוא הזווית לצינור בו הצליל הקולי עובר מהמשדר למקלט.

בהנחה שמהירות הצליל במדיום קבועה (כלומר אין שינוי בפרמטרים כמו צפיפות הנוזל, הטמפרטורה וכו ') שיש לנו;

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

הכפלת המהירות הממוצעת עם שטח החתך של הצינור, נקבל את קצב הזרימה, Q כ;

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

שטח החתך של הצינור קבוע עבור מד זרימה אולטרסאונד מוטבע בקוטר D.

יישום משוואות אלה ללא משתנים כמו צפיפות, טמפרטורה, לחץ, מהירות הצליל ומאפיינים אחרים המוגדרים בתקשורת / נוזל, מציג את הסיבות מאחורי הרבגוניות והדיוק של מדי הזרימה הקולי.

יתרונות / חשיבותם של מדי קולי

היתרונות העיקריים של מדי הזרימה האולטראסוניים חייבים להיות האופי הלא פולשני שלהם והיכולת שלהם לעבוד עם כל סוג של נוזלים (מכיוון שצפיפות ומהירות הצליל בנוזלים לא משנה). חומרים מגוונים (כולל כימיקלים, ממיסים, שמנים וכו ') בעלי תכונות שונות מועברים ומופצים על ידי מערכות צנרת מדי יום ביומו עם צורך לעקוב אחר זרימתם. האופי הלא פולשני של מדי הזרימה האולטראסוניים הופך אותם למדי הגטו במצבים כאלה. זו הסיבה שהם מוצאים יישומים במגזרים תעשייתיים שונים, החל בתעשיות הקשורות לכימיקלים ועד עיבוד מזון, טיפול במים ותחום הנפט והגז.

חסרונות

החיסרון העיקרי של מדי הזרימה הקולי צריך להיות המחיר שלהם. בשל מורכבות העיצוב שלהם, מדי זרימת קולי בדרך כלל יקרים יותר ממדי מכני או סוגים אחרים, מכיוון שהם דורשים יותר מאמצים ורכיבים,

מלבד המורכבות והעלות של התכנון, מדי זרימה אולטראסוניים גם דורשים מומחיות בהתקנה / טיפול בהשוואה לרוב סוגי המונים האחרים.

מד הזרימה האולטראסוני המובילים בשוק

בעוד ששוק מד הזרימה האולטרסאונד העולמי צפוי להגיע ל -2 מיליארד דולר עד שנת 2024, השוק היה עד לצמיחה חזקה בשנים האחרונות, בזכות היישומים שלו בענפים רבים כיום והכנסת כמה גרסאות משופרות לאחרונה. יצרנים רבים פיתחו מדי זרימה קולי בטכנולוגיה מתקדמת לשיפור דיוק המדידה. מכיוון שמד זה פונה לפתרונות ספציפיים לתעשייה, ההתפתחויות האחרונות צפויות להניע את השוק בתקופות התחזית. מדי הזרימה האולטראסוניים המובילים בשוק כוללים:

מדי הזרימה האולטראסונית של Sonic-View: התצוגה הקולית, אחד הפתרונות הטובים ביותר למדידת זרימת נוזלים נמוכה פועלת על פי עקרון זמן המעבר. המתמרים אינם בקשר עם המדיום ואין משתמשים בחלקים נעים בתוך המכשירים. מאפיינים ללא תחרות כמו עלויות בעלות נמוכות, שנים של הפעלה ללא תחזוקה, מתמרים מוגנים, מחזור חיים של מטר חזק ואופיו חסר הרגישות נגד פסגות לחץ וחלקיקים, כל אלה תורמים לכך שמד הזרימה האולטראסונית הקולית הוא אחד מ הפתרונות הטובים ביותר בשוק המונים.

מדי מים קולי Shmeters: בתנאי זרימת צינורות שונים, מד מים קולי זה למטרות תעשייה ומסחרית מסוגל לסמן מדידות של חתכי עיצוב בדיוק מדויק ככל האפשר. המונה מופעל באמצעות סוללה ויכול לעבוד ללא הפרעה במשך 10 שנים עם סוללה אחת בלבד; צריכת החשמל שלה נמוכה מ- 0.5mW. זה יכול להמשיך לעבוד זמן רב מבלי להיות מושפע מהפרעות מגנטיות. בינתיים, הוא אמין ורגיש מאוד, ניתן לזהות במהירות מהירות זרימה נמוכה כמו 0.002m / s.

מדי הזרימה האולטראסוניים של Sitrans FS: הם מספקים ביצועים מרשימים למגוון גזים ונוזלים מכיוון שהם יכולים לפעול ללא תלות בטמפרטורה, צמיגות, מוליכות, לחץ, צפיפות ובתנאים הקשים ביותר. ה- FS220 של Sitrans מתגאה כפתרון הטוב ביותר בכיתה למדידות זרימה פשוטות, שכן האפשרויות שלו נראות אינסופיות.

במיוחד ביישומים צרכניים, מדי קולי מתחזקים טכנולוגיות כמו LoRa המאפשרות לרשויות עירוניות ורשויות קשורות לפקח מרחוק על דברים כמו צריכת גז ומים. אופי ההספק הנמוך של אמצעי התקשורת מאפשר למונים אלה להחזיק מעמד למשך 5+ שנים בטעינה אחת של סוללה, הרבה יותר ממה שניתן להשיג באמצעות מטרים מכניים.