Verständnis der Ultraschall-Durchflussmesser und ihres Funktionsprinzips bei der Messung des Wasserdurchflusses

Die Durchflussmessung umfasst die Bestimmung der Flüssigkeitsmenge, die zu einem bestimmten Zeitpunkt durch eine bestimmte Oberfläche eines Gefäßes fließt. Wie jede Form von Messungen hat es alltägliche Anwendungen, die von der Verwendung zur Überwachung des Wasser- und Gasverbrauchs für die Rechnungsschätzung bis hin zu kritischeren industriellen Anwendungen (z. B. Mischen mehrerer Chemikalien in großem Maßstab) reichen, bei denen die Durchflussmessung eine Schlüsselrolle bei der Aufrechterhaltung des Durchflusses spielt Qualität des Prozesses / Produkts.

Zur Bestimmung der Durchflussmenge werden spezielle Arten von Zählern verwendet, die als Durchflussmesser bezeichnet werden. Aufgrund der unterschiedlichen Anforderungen an die Durchflussmessung (linear / nichtlinear, Masse / Volumenrate usw.) gibt es viele verschiedene Arten von Durchflussmessern. Die Zähler variieren voneinander, basierend auf verschiedenen Faktoren, einschließlich; die von ihnen angewandte Messtechnik, die spezifischen Durchflussparameter, die sie überwachen, das Flüssigkeitsvolumen, das sie verfolgen können, und ihre physikalischen Eigenschaften, um nur einige zu nennen. Der YFS201 ist ein beliebter Wasserdurchflusssensor, mit dem wir zuvor den Wasserdurchfluss mit Arduino gemessen und die Durchflussrate und das verteilte Volumen berechnet haben.

Einige der Typen / Kategorien von Durchflussmessern umfassen: Turbinen-, Wirbel-, Wärmemassen-, Magnet-, Ovalgetriebe-, Schaufelrad-, Coriolis-, Massenfluss-, Niedrigfluss- und Ultraschall-Durchflussmesser, die im Mittelpunkt dieses Artikels stehen. Ultraschall-Durchflussmesser bieten ein nicht-invasives, sehr zuverlässiges Mittel zur Bestimmung der durch ein Gefäß fließenden Flüssigkeitsmenge und haben branchenübergreifende Anwendungen gefunden, von Öl und Gas bis hin zu Versorgern.

In diesem Artikel werden wir uns alles rund um den Ultraschall-Durchflussmesser ansehen, wie sie funktionieren, welche Vor- und Nachteile sie haben.

Der Ultraschall-Durchflussmesser

Wie der Name schon sagt, ist der Ultraschall-Durchflussmesser, einer der weit verbreiteten Durchflussmesser, ein nicht störendes Gerät, das den Volumenstrom von Flüssigkeit durch Messung seiner Geschwindigkeit mit Ultraschall berechnet. Es kann den Flüssigkeitsfluss in praktisch jeder Flüssigkeit messen, in der Schallwellen übertragen werden können. Diese Art von Durchflussmesser wird normalerweise als „Hybrid“ betrachtet, da sie entweder das Doppler-Prinzip oder die Laufzeitmethode zur Messung des Durchflusses verwenden kann. Wir werden beide Prinzipien später in diesem Artikel diskutieren. Beachten Sie, dass diese Durchflussmesser auch als Doppler-Durchflussmesser bezeichnet werden, wenn sie nach dem Doppler-Prinzip arbeiten.

Die Ultraschall-Durchflussmesser eignen sich am besten für Wasseranwendungen, bei denen ein geringer Druckabfall, geringer Wartungsaufwand und chemische Verträglichkeit erforderlich sind. Sie funktionieren im Allgemeinen nicht mit Trinkwasser oder destilliertem Wasser, sind jedoch für Abwasseranwendungen oder leitfähige schmutzige Flüssigkeiten geeignet. Sie werden mit abrasiven und ätzenden Flüssigkeiten verwendet, da sie den Flüssigkeitsfluss durch die Rohrleitungen nicht behindern.

Funktionsprinzip des Ultraschall-Durchflussmessers

Ultraschall-Durchflussmesser verwenden die Prinzipien des Echos und der Variation der Schallgeschwindigkeit über verschiedene Medien hinweg, um den Durchfluss zu messen. Die Zähler enthalten typischerweise zwei Ultraschallwandler, wobei einer als Sender und der andere als Empfänger fungiert. Die zwei Wandler könnten entweder nebeneinander oder in einem Winkel zueinander auf gegenüberliegenden Seiten des Gefäßes montiert werden. Der sendende Wandler sendet Schallimpulse von der Oberfläche des Sensors an die Flüssigkeit aus und wird von dem als Empfänger bezeichneten Wandler empfangen. Die Zeit, die der Schallimpuls benötigt, um vom Sender zum Empfänger zu gelangen, die als Laufzeit bezeichnet wird, wird dann geschätzt und zur Bestimmung der Durchflussrate und anderer Parameter verwendet.

Bei der zweiten Konfiguration sendet der Sender, wenn Sender und Empfänger nebeneinander angeordnet sind, den Schallimpuls aus, während der Empfänger die Zeit überwacht, die zum Empfangen eines Echos der Übertragung erforderlich ist.

Unabhängig von der Sensorkonfiguration basiert die Messung mit Laufzeitdifferenz auf der Tatsache, dass; Schallwellen, die sich in Strömungsrichtung des Mediums ausbreiten, bewegen sich schneller als Wellen, die sich gegen die Strömungsrichtung des Mediums ausbreiten. Somit ist die Differenz in der Laufzeit direkt proportional zur Strömungsgeschwindigkeit des Mediums und dieses Prinzip wird verwendet, um das Volumen von Gasen und Flüssigkeiten genau zu messen und auch um Dichte und Viskosität abzuleiten.

Während die beiden oben genannten Methoden sehr häufig verwendet werden, verwenden verschiedene Ultraschall-Durchflussmesser eine modifizierte Version davon, basierend auf der Art der Flüssigkeit und der durchzuführenden Messung. Das folgende Bild des Ultraschall-Wasserzählers zeigt, wie die vor- und nachgeschalteten Wandler zusammen mit einigen Reflektoren für ein Wasserdurchflussmesser-Design in einem Sensorrohr angeordnet sind. Der tatsächliche Hardware-Aufbau desselben wird auch mit beiden markierten Wandlern angezeigt.

Berechnung der Durchflussrate mit Ultraschall-Durchflusssensoren

Um ein klareres Verständnis der dahinter stehenden technischen Details zu erhalten, betrachten Sie das folgende Bild, in dem die erste Konfiguration mit den in einem Winkel gegenüberliegenden Sender- (TA) und Empfänger- (TB) Wandlern dargestellt ist.

Die Zeit, die eine Schallwelle benötigt, um vom Sender zum Empfänger zu gelangen, dh in Strömungsrichtung des Mediums, sei T _{A –B}, und die Zeit, die es benötigt, um sich vom empfangenden Wandler zum sendenden Wandler zu bewegen, das heißt gegen die Strömungsrichtung T _{B –A}.

Die Differenz der beiden Laufzeiten ist direkt proportional zur durchschnittlichen Strömungsgeschwindigkeit v _m des Mediums, dh;

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

Da die Laufzeit des Signals die Entfernung zwischen dem sendenden Wandler und dem empfangenden Sender geteilt durch die Geschwindigkeit ist, die das akustische Signal benötigt, um von einem Wandler zum anderen zu gelangen, haben wir

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

Und;

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

Die Gleichungen 2 und 3 definieren die Durchflussrate zwischen dem Wandler A stromaufwärts und dem Wandler B stromabwärts. wo;

v = Strömungsgeschwindigkeit des Mediums, L = Länge des Schallwegs, c = Schallgeschwindigkeit im Medium und Alpha "α" ist der Winkel zum Rohr, in dem sich der Ultraschall vom Sender zum Empfänger bewegt.

Angenommen, die Schallgeschwindigkeit im Medium ist konstant (dh keine Änderung von Parametern wie Flüssigkeitsdichte, Temperatur usw.), die wir haben;

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

Multipliziert man die Durchschnittsgeschwindigkeit mit der Querschnittsfläche des Rohrs, so erhält man die Durchflussrate Q as;

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

Die Querschnittsfläche des Rohrs ist für einen Inline-Ultraschall-Durchflussmesser mit dem Durchmesser D konstant.

Die Implementierung dieser Gleichungen ohne Variablen wie Dichte, Temperatur, Druck, Schallgeschwindigkeit und andere durch Medien / Flüssigkeiten definierte Eigenschaften zeigt die Gründe hinter der Vielseitigkeit und Genauigkeit von Ultraschall-Durchflussmessern.

Vorteile / Bedeutung von Ultraschallmessgeräten

Die Hauptvorteile von Ultraschall-Durchflussmessgeräten müssen ihre nicht-invasive Natur und ihre Fähigkeit sein, mit jeder Art von Flüssigkeit zu arbeiten (da Dichte und Schallgeschwindigkeit in den Flüssigkeiten keine Rolle spielen). Verschiedene Substanzen (einschließlich Chemikalien, Lösungsmittel, Öle usw.) mit unterschiedlichen Eigenschaften werden täglich von Rohrleitungssystemen transportiert und verteilt, wobei deren Durchfluss überwacht werden muss. Die nicht-invasive Natur von Ultraschall-Durchflussmessern macht sie in solchen Situationen zu den Goto-Messgeräten. Aus diesem Grund finden sie Anwendung in verschiedenen Industriesektoren, von der chemischen Industrie über die Lebensmittelverarbeitung, die Wasseraufbereitung bis hin zum Öl- und Gassektor.

Nachteile

Der Hauptnachteil von Ultraschall-Durchflussmessern muss ihr Preis sein. Aufgrund der Komplexität ihrer Konstruktion sind Ultraschall-Durchflussmesser normalerweise teurer als mechanische oder andere Arten von Messgeräten, da sie mehr Aufwand und Komponenten erfordern.

Neben der Komplexität und den Kosten des Designs erfordern Ultraschall-Durchflussmesser im Vergleich zu den meisten anderen Zählertypen auch ein gewisses Maß an Fachwissen bei der Installation / Handhabung.

Top Ultraschall-Durchflussmesser auf dem Markt

Während der Markt für globale Ultraschall-Durchflussmesser bis 2024 voraussichtlich 2 Mrd. USD erreichen wird, ist der Markt in den letzten Jahren dank seiner heutigen Anwendungen in zahlreichen Branchen und der Einführung einiger neu verbesserter Varianten stark gewachsen. Viele Hersteller haben Ultraschall-Durchflussmesser mit fortschrittlicher Technologie entwickelt, um die Genauigkeit der Messung zu verbessern. Da dieses Messgerät branchenspezifische Lösungen bietet, wird erwartet, dass die neuesten Entwicklungen den Markt in den Prognosezeiträumen antreiben. Zu den besten Ultraschall-Durchflussmessern auf dem Markt gehören:

Ultraschall-Durchflussmesser mit Schallansicht: Die Schallansicht, eine der besten Lösungen zur Messung geringer Flüssigkeitsströme, arbeitet nach dem Laufzeitprinzip. Die Wandler haben keinen Kontakt mit dem Medium und es werden keine beweglichen Teile in den Instrumenten verwendet. Unschlagbare Merkmale wie niedrige Betriebskosten, jahrelanger wartungsfreier Betrieb, geschützte Wandler, ein lebenslanger Zyklus eines robusten Messgeräts und seine Unempfindlichkeit gegen Druckspitzen und Partikel tragen dazu bei, dass der Ultraschall-Durchflussmesser mit Schallansicht einer der Gründe ist beste Lösungen auf dem Zählermarkt.

Shmeters Ultraschall-Wasserzähler: Unter verschiedenen Rohrdurchflussbedingungen kann dieser Ultraschall-Wasserzähler für industrielle und kommerzielle Zwecke Messungen von Konstruktionsabschnitten mit der höchstmöglichen Messgenauigkeit kennzeichnen. Das Messgerät ist batteriebetrieben und kann 10 Jahre lang mit nur einer Batterie ununterbrochen arbeiten. Der Stromverbrauch beträgt weniger als 0,5 mW. Es kann lange arbeiten, ohne durch magnetische Interferenzen beeinträchtigt zu werden. Mittlerweile ist es sehr zuverlässig und empfindlich, eine Strömungsgeschwindigkeit von nur 0,002 m / s kann schnell erkannt werden.

Die Sitrans FS Ultraschall-Durchflussmesser: Sie bieten eine beeindruckende Leistung für eine Vielzahl von Gasen und Flüssigkeiten, da sie unabhängig von Temperatur, Viskosität, Leitfähigkeit, Druck, Dichte und unter härtesten Bedingungen arbeiten können. Der Sitrans FS220 ist stolz auf seine erstklassige Lösung für einfache Durchflussmessungen, da seine Möglichkeiten endlos zu sein scheinen.

Insbesondere in Verbraucheranwendungen werden Ultraschallmessgeräte durch Technologien wie LoRa erweitert, mit denen kommunale und verwandte Behörden beispielsweise den Gas- und Wasserverbrauch aus der Ferne überwachen können. Die geringe Leistung des Kommunikationsmediums ermöglicht es diesen Messgeräten, mit einer einzigen Batterieladung mehr als 5 Jahre zu halten, weit mehr als mit mechanischen Messgeräten erreicht werden kann.