Ультразвуковые расходомеры используют звуковые волны для расчета скорости потока, обеспечивая универсальное измерение расхода сложных смесей, таких как факельные газы.
Предприятия химической промышленности полагаются на точное измерение расхода газа по трубопроводам для оптимизации эффективности, сокращения выбросов и увеличения прибыли. В зависимости от фазы среды доступно несколько типов расходомеров, таких как массовые расходомеры Кориолиса, тепловые (термальномассовые) расходомеры и объемные расходомеры, среди прочих. Каждый тип расходомера использует различные физические, механические и электрические принципы для измерения расхода в соответствии с требованиями применения. Выбор подходящего расходомера для вашей установки и принципа измерения зависит от фазы среды, условий технологического процесса (например, температуры, давления, скорости) и целей измерения (уровня точности).
Измерение объемов газа, выбрасываемого через факельные установки, является одной из наиболее сложных форм измерения расхода газа. Факельный газ подвержен резким колебаниям скоростей, переменным и экстремальным температурам и смешанному составу, что может снизить точность измерений. Среди технологий, доступных в настоящее время, ультразвуковые расходомеры газа, как правило, наиболее подходят для измерения факельного газа, поскольку они могут работать в изменяющихся условиях и точно и надежно работать в суровых промышленных условиях.
В этой статье рассматривается принцип работы ультразвука и то, как он используется для измерения объема факельного газа, проходящего по трубе.
Ультразвуковые расходомеры факельного газа
Ультразвуковые расходомеры являются наиболее распространенным устройством для измерения объемного расхода. Доступно множество различных типов ультразвуковых расходомеров, в том числе:
- Расходомеры транзитного времени. Это наиболее широко используемая и передовая по последнему слову техники измерительная технология. Мы обсудим этот тип счетчика в этой статье.
- Доплеровские расходомеры. Это популярный и менее дорогой расходомер, использующий доплеровский сдвиг частоты. Они считаются не такими точными, как расходомеры транзитного времени, и рассматриваются скорее как дополнение к расходомерам транзитного времени, чем как конкуренты им.
- Расходомеры с перекрестной корреляцией. Этот расходомер измеряет поглощение энергии ультразвуковым сигналом от двух измерительных секций, установленных на определенном расстоянии друг от друга. Скорость потока вычисляется с помощью взаимной корреляции.
- Расходомеры с фазовым сдвигом. Этот расходомер измеряет фазовое положение передающего и принимающего сигналов в направлении потока и против него. Результирующий угол фазового сдвига прямо пропорционален скорости потока.
- Дрейфовые расходомеры. Этот расходомер измеряет затухание ультразвуковых сигналов, проходящих через поток газа.
Принцип работы ультразвуковых расходомеров
Ультразвуковые расходомеры основаны на нескольких физических, механических и электрических принципах для точного измерения расхода газа в различных условиях.
Физические принципы. Как правило, когда газ течет по трубе, он течет в одном направлении со скоростью, на которую влияют физические факторы, такие как давление и температура, а также размер трубы. Например, повышение температуры газа приводит к его ускорению. Аналогичным образом, повышение давления в одной точке трубопровода приведет к тому, что газ будет течь с более высокой скоростью, вот почему перепад давления является таким полезным средством измерения расхода.
Электрические принципы. Звуковые волны могут генерироваться путем приложения электрического заряда к поверхности твердых материалов, таких как кристаллы и керамика. Это известно как пьезоэлектрический принцип. В ультразвуковых преобразователях колебательный электрический ток подается на керамический кристалл, называемый пьезоэлектрическим кристаллом. Кристалл деформируется естественным образом, когда к нему прикладывается электрический ток. При быстром изменении электрического тока кристалл изгибается в одном направлении, а затем отскакивает обратно в противоположном направлении, генерируя высокочастотные двунаправленные звуковые волны.
Механические принципы. Звуковые волны — это колебания в воздухе, которые могут перемещаться вместе с потоком газа или против него. Вибрации (механические колебания) передаются от молекулы к молекуле, тем самым позволяя звуковой волне проходить через газ в любом направлении.
Чтобы лучше понять этот принцип, рассмотрим звук автомобильного клаксона. Гудящий звук генерируется быстро вибрирующей диафрагмой, которая передает звуковые волны через воздух (газ) от молекулы к молекуле. Мы можем слышать эти звуковые волны, потому что они вибрируют на высокой частоте в слышимом человеком диапазоне (от 20 Гц до 20 000 Гц). Ультразвуковые расходомеры работают на частотах вибрации, выходящих за пределы слышимого диапазона, — 25 кГц или выше. Эти более высокие частоты обеспечивают более точные измерения и предотвращают шумовое загрязнение.
Компоненты ультразвукового преобразователя
Ультразвуковые преобразователи — это датчики, которые монтируются и привариваются к трубе под тщательно подобранными углами (рис. 1).
Когда пьезоэлектрический кристалл, размещенный внутри титановой мембраны на передней панели преобразователя, подвергается воздействию переменного электрического сигнала, и кристалл, и титановая мембрана вибрируют с той же частотой, что и электрический сигнал, и генерируют ультразвуковые сигналы. Поскольку движение кристалла является двунаправленным, титановая мембрана вибрирует, когда датчик получает ультразвуковые сигналы, и кристалл преобразует это движение в электрический сигнал.
Оба датчика работают в паре как передатчик и приемник. На передающем датчике сигнал электрической частоты преобразуется в ультразвуковой импульс. На приемном датчике сигнал преобразуется обратно в сигнал электрической частоты, что позволяет системе определять время прохождения ультразвукового импульса путем измерения разницы во времени прохождения. Дифференциальное время прохождения используется для расчета осевой скорости потока газа и объемного расхода в трубопроводе.
Измерение разности времени прохождения ультразвуковых импульсов
Чтобы проиллюстрировать разницу во времени прохождения, рассмотрим две лодки, пересекающие реку по диагонали на одной линии: одну в направлении течения, а другую против него (рис. 2). Лодке, движущейся в направлении течения, требуется значительно меньше времени, чтобы достичь другого берега реки, чем лодке, движущейся против течения. Если мы заменим реку газом, текущим по трубе, а лодки двумя наборами ультразвуковых сигналов, мы увидим, что ультразвуковые волны вдоль диагональной траектории ведут себя одинаково, поскольку звуковая волна распространяется в направлении потока газа гораздо быстрее, чем звуковая волна, распространяющаяся против потока из-за газа.
Разница между временем, которое требуется ультразвуковым сигналам для прохождения с потоком газа и против него, называется дифференциальным временем прохождения, и она прямо пропорциональна скорости потока газа, т.е. чем выше скорость потока газа, тем больше будет дифференциальное время. Зная это, мы можем рассчитать объем газа и несколько других сведений о газе.
В технологических условиях ультразвуковые преобразователи, всегда попарно, размещаются под углом на противоположных сторонах трубы, обычно под углом 45°. Пара датчиков передает и принимает ультразвуковые импульсы по акустическому тракту для измерения разницы во времени прохождения между импульсом, идущим вниз по потоку (от A до B), и импульсом, идущим вверх по потоку (от B до A). Затем два времени прохождения используются для расчета скорости газового потока с использованием следующего уравнения:
где v — осевая скорость (м/с) текущей среды без компенсации изменения числа Рейнольдса, L — расстояние (м) между наконечниками датчиков, θ — угол между осевой линией датчика и осью трубы, Tab — время прохождения (сек) от датчика A до датчика B (ниже по потоку), а Tba — это время прохождения (сек) от датчика B к датчику A (выше по потоку).
Обзор измерительных сигналов ультразвукового расходомера
Ультразвуковые расходомеры анализируют два различных типа сигналов для измерения дифференциального времени прохождения. Сочетание этих сигналов делает ультразвуковые расходомеры пригодными для измерения факельного газа. Используются два типа сигналов::
непрерывная волна (CW), пакет сигналов:
CHIRP-сигнал переменной частоты:
Непрерывное измерение волн. Непрерывный сигнал имеет постоянную частоту и амплитуду. Это общий тип сигнала, используемый в ультразвуковых приборах. При измерении факельных газов с высокими скоростями среда в трубопроводе будет создавать значительный акустический шум. Этот акустический шум может иметь равную или более высокую амплитуду и частоты, чем непрерывный сигнал, что затрудняет или даже делает невозможным обнаружение.
Измерение CHIRP (Compressed High Intensity Radar Pulse). CHIRP расшифровывается как Сжатый Радиолокационный Импульс Высокой Интенсивности. CHIRP-сигналы имеют уникальную, узнаваемую форму, характеризующуюся длительностью и изменяющейся частотой сигнала импульса, излучаемого пьезоэлектрическими кристаллами внутри преобразователей. Уникальная форма CHIRP-сигнала позволяет обнаружить его через акустический шум, создаваемый текущей средой. На рисунке 5 показан CHIRP-сигнал с изменяющейся частотой и фиксированной амплитудой.
Сигналы CHIRP используются в сочетании с непрерывными сигналами для измерения факельных газов при низких скоростях. При более высоких скоростях прибор использует только CHIRP-сигналы. Такие комбинированные измерения повышают точность на низких скоростях газа.
Варианты реализации ультразвуковых сенсоров транзитного времени
Ультразвуковые преобразователи могут быть установлены на трубопроводах несколькими различными способами. В некоторых конфигурациях оба датчика установлены перпендикулярно (смещение-90) к трубе, при этом наконечники датчиков выступают в трубу и соприкасаются с протекающим газом. В других конфигурациях ультразвуковые преобразователи закрепляются на внешней стороне трубы.
В конфигурациях со смещением-90 импульсы звуковой волны проходят через среду от одного преобразователя к другому. В таких моделях часть датчиков, вставленных в трубу, со временем может подвергнуться загрязнению (воск, песок, ил, мусор и т.д.), что приведет к незначительному ослаблению ультразвуковых сигналов. Однако в накладых моделях звуковая волна должна проходить через стенку трубы и среду. Стенка трубы будет поглощать часть импульсных сигналов, что значительно снизит точность измерений. Накладные модели не подходят для измерения факельного газа, потому что на них также влияет низкое давление в трубах большего размера.
Ультразвуковые преобразователи, установленные под углом 45°, как правило, являются наиболее подходящей установкой. Датчики могут монтироваться в различных конфигурациях в зависимости от доступного пространства и трубопровода. Для дополнительной надежности можно использовать две пары датчиков (т.е. двухканальную конфигурацию) вместо одной пары для повышения точности и резервирования. Рекомендуется ежегодно проводить техническое обслуживание преобразователей, чтобы избежать снижения их производительности.
Преимущества ультразвуковых расходомеров факельного газа
Требования к расходомерам варьируются в зависимости от области применения, но ультразвуковые расходомеры стали незаменимым прибором для измерения факельного газа. Сильно колеблющиеся диапазоны скоростей, изменяющиеся атмосферные условия, экстремальные температуры и состав смешанных газов делают измерение объемов природного газа, выбрасываемого через факельные установки, одной из наиболее сложных форм измерения расхода газа. Дополнительные проблемы возникают при работе с трубами большого диаметра или в тех областях применения, где отсутствуют прямолинейные трубопроводы или недостаточная система кондиционирования потока (например, морские платформы).
Предприятия химической и нефтехимической промышленности при измерении факельного газа используют множество технологий, включая дифференциальное давление, тепловую массу, оптико-фото- и ультразвуковые технологии. В таблице 1 перечислены преимущества и недостатки этих технологий и их пригодность для использования в факельных установках.
Сузить выбор до нужной технологии — это только полдела, поскольку производительность и характеристики ультразвуковых расходомеров также варьируются в зависимости от производителя. При выборе счетчика инженеры должны учитывать техническую пригодность, надежность и общую совместимость системы.
Температурный диапазон и акустическое затухание часто являются основными факторами при выборе ультразвуковой технологии для учёта сжигания факельного газа. Акустическое затухание зависит от конструкции и частоты преобразователя. Некоторые расходомеры, такие как UGS-800, используют узкополосное устройство с заданными частотами и уникальной обработкой сигнала для минимизации акустических потерь в сложных газах (например, CO2, метан) и обеспечения хорошей производительности. Кроме того, следует учитывать другие технические аспекты, такие как коэффициент поворота, диапазон скоростей и размер трубы.
Расходомер факельного газа UGS-300
В заключении
Ультразвуковые расходомеры особенно подходят для процессов, связанных с экстремально низкими и горячими температурами, низким давлением и высокими скоростями потока, которые используются на химических заводах, а также нефтяных и газовых вышках. Универсальные принципы работы ультразвуковых расходомеров делают их одним из самых быстрорастущих типов расходомеров. Они позволяют операторам точно измерять объем и скорость факельного газа. Ультразвуковые измерительные приборы являются оптимальным выбором для обеспечения соответствия нормативным требованиям, касающихся выбросов парниковых газов, и достижения целей в области охраны окружающей среды и производительности.