سنسورهای جریان گاز اولتراسونیک که به عنوان جریان سنج گاز اولتراسونیک نیز شناخته می شوند، نشان دهنده فناوری اندازه گیری پیشرفته برای رسانه های گازی (از جمله گاز طبیعی، هوای فشرده و گازهای فرآیندی) هستند. این دستگاه‌های غیرتهاجمی از امواج اولتراسونیک برای اندازه‌گیری جریان گاز بدون تماس فیزیکی با محیط سیال استفاده می‌کنند که دقت و قابلیت اطمینان عالی را در کاربردهای مختلف صنعتی ارائه می‌کند. این راهنما اصول کار، طراحی ساختاری و کاربردهای عملی سنسورهای جریان گاز اولتراسونیک را بررسی می‌کند.
اصل کار سنسور جریان گاز اولتراسونیک:
هسته اصلی سنسورهای جریان گاز اولتراسونیک استفاده از امواج صوتی برای اندازه گیری سرعت گاز است. روش اصلی، اصل زمان عبور{1} است، که در آن مبدل‌های اولتراسونیک (حسگرها) پالس‌هایی را منتشر می‌کنند که در جریان گاز حرکت می‌کنند. دو مبدل به گونه‌ای قرار گرفته‌اند که یکی سیگنال‌ها را به پایین‌دست (همراه با جریان) و دیگری سیگنال‌ها را در بالادست (در مقابل جریان) ارسال می‌کند. اختلاف زمانی (Δt) بین این مسیرها متناسب با سرعت گاز (V) است که با استفاده از فرمول زیر محاسبه می شود:
که در آن L طول مسیر و t0 میانگین زمان عبور است. سپس سرعت جریان حجمی با ضرب در سطح مقطع لوله محاسبه می شود. نوع دیگر آن استاثر داپلر، که در آن امواج حباب ها یا ذرات موجود در گاز را منعکس می کنند و تغییر فرکانس نشان دهنده سرعت{0}}ایده آل برای گازهای حاوی ناخالصی است. مدل‌های پیشرفته از امواج برشی برای انتقال مستقیم یا امواج Lamb استفاده می‌کنند که باعث تشدید دیواره لوله برای تقویت سیگنال‌ها در گازهای کم فشار-یا تضعیف‌کننده می‌شود. پیکربندی‌های چند{4}مسیری (مانند 4 یا 6 مسیر) اندازه‌گیری‌های متوسط در سراسر لوله برای رسیدگی به جریان‌های آشفته یا نامتقارن، که دقت را بهبود می‌بخشد. این نمودار نشان می دهدتنظیم زمان حمل و نقل{0}}، نشان می دهد که چگونه سیگنال های بالادست و پایین دست بر اساس جریان متفاوت هستند.
ساختار سنسور جریان گاز اولتراسونیک چند کاناله
ترکیب -جریان سنج التراسونیک گاز چند کاناله عمدتاً شامل چهار بخش است: بدنه اصلی دبی سنج اولتراسونیک، فرستنده فشار، فرستنده دما هوشمند و رایانه جریان. فلومتر اولتراسونیک عمدتاً از دو جزء اصلی تشکیل شده است: یکی قسمت لوله اندازه گیری مجهز به چندین جفت مبدل اولتراسونیک (همچنین به عنوان ابزار اولیه شناخته می شود). دیگری واحد پردازش سیگنال (SPU) با اندازه گیری، نمایش سرعت جریان لحظه ای و عملکردهای ارتباطی است که معمولاً به عنوان ابزار ثانویه نامیده می شود. نمودار زیر بلوک دیاگرام یک آلتراسونیک چند کاناله را نشان می دهد.
فلومتر
ابزار ثانویه می تواند مستقیماً به سنسورهای فشار و دما گاز در خط لوله متصل شود و از طریق تبدیل سیگنال داخلی و محاسبه جبران، اثر جبرانی دما و فشار در خط لوله را بر روی نرخ جریان حجمی گاز کامل کند و به طور مستقل اندازه گیری میزان جریان حجمی را بدون تکیه بر رایانه جریان تکمیل کند. علاوه بر این، از طریق فرستنده دما و فرستنده فشار هوشمند، سیگنال های دیجیتال دما و فشار در خط لوله نیز می تواند به رایانه جریان منتقل شود تا سرعت جریان لحظه ای و مقادیر سرعت جریان حجمی اندازه گیری شده توسط دستگاه ثانویه را جبران کند.
بخش حسگر جریان سنج التراسونیک گاز چند کاناله عمدتاً به قسمت خط لوله اندازه‌گیری اشاره دارد و تحلیل ساختاری سنسور جریان عمدتاً به اتصال خط لوله اندازه‌گیری و موقعیت‌های توزیع نصب هر مبدل اولتراسونیک اشاره دارد. خط لوله اندازه‌گیری جریان با صفحات انتهایی فلنجی که در خط لوله انتقال مستقیم متصل شده‌اند، طراحی و تولید می‌شود. در سند AGA شماره. 9 «چند کانال التراسونیک فلومتر برای اندازه‌گیری جریان گاز طبیعی» که توسط انجمن گاز آمریکا در سال 1998 فرمول‌بندی شد، کار تحقیقاتی قبلاً به این موضوع اشاره کرده است که توزیع سرعت نامتقارن از نقطه وقوع تا 50D یا پایین‌دست با سرعت‌های 200 ادامه دارد قطر داخلی خط لوله اندازه گیری است).
بنابراین، در مکان‌های اندازه‌گیری جریان گاز صنعتی عمومی، موقعیت نصب فلومتر باید تأثیر حالت‌های جریان پیچیده بر اندازه‌گیری سرعت جریان را در نظر بگیرد. طبق استاندارد GB/T 18604-2023، توصیه‌های زیر برای موقعیت نصب کنتورهای التراسونیک گاز چند کانالی پیشنهاد شده است: حداقل طول لوله مستقیم در بالادست 10D و حداقل طول لوله مستقیم در پایین دست 5D است. این توصیه تنها زمانی می‌تواند ایجاد شود که شرایط بالادست نسبتاً ایده‌آل باشد (مانند شدت گرداب بسیار کم و توزیع سرعت کمی نامتقارن)، و باید به عنوان حداقل نیاز برای برآورده کردن نیازهای اندازه‌گیری در نظر گرفته شود. همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، فلومترهای التراسونیک گاز چند کانالی باید کارایی انتشار امواج مافوق صوت را در نظر بگیرند و از مبدل های اولتراسونیک تعبیه شده و نصب شده روی خط لوله اندازه گیری استفاده کنند.
شکل زیر یک نمودار شماتیک از چیدمان کانال برای یک حسگر جریان سنج گاز اولتراسونیک چند کاناله را نشان می‌دهد که ساختار خط لوله حلقه‌ای-شکل که توسط یک جریان سنج گاز اولتراسونیک چهار کاناله اندازه‌گیری شده است را نشان می‌دهد.
4 کانال به ترتیب بر روی لایه های جریان مختلف چیده شده اند و کانال ها هنگام مشاهده در جهت y از یکدیگر عبور می کنند و هنگامی که در جهت z مشاهده می شوند با یکدیگر موازی هستند. خط لوله اندازه گیری شامل یک سنسور کامپوزیت با 4 کانال است که توسط جفت مبدل اولتراسونیک با فرکانس کاری 200-250 کیلوهرتز تشکیل شده است. قطر لوله D=300 میلی متر و زاویه φ بین هر کانال و جهت محوری 60 درجه است.
سناریوهای کاربردی ساختار سنسور جریان گاز التراسونیک چند کاناله-
سنسورهای جریان گاز اولتراسونیک چند کاناله در صنایعی که نیاز به اندازه‌گیری دقیق گاز دارند بسیار مهم هستند:
صنعت نفت و گاز: انتقال نگهبانی، نظارت بر خط لوله، ایستگاه های کمپرسور و تشخیص نشت در سیستم های گاز طبیعی.
مواد شیمیایی و پتروشیمی: اندازه گیری گازهای فرآیندی در محیط های خشن.
تولید و ساخت نیرو: نظارت بر انتشار، کنترل موجودی، و بهینه سازی بهره وری.
HVAC و تاسیسات: جریان هوای فشرده و بیوگاز در ساختمان ها یا تصفیه فاضلاب.
سوالات متداول
س: سنسورهای جریان گاز اولتراسونیک هر چند وقت یک بار نیاز به کالیبراسیون دارند؟
پاسخ: سنسورهای جریان گاز اولتراسونیک به کالیبراسیون اولیه در هنگام راه اندازی نیاز دارند، با کالیبراسیون مجدد معمولاً هر 2 تا 5 سال بسته به بحرانی بودن برنامه توصیه می شود. برای کاربردهای انتقال حضانت، AGA-9 کالیبراسیون را در هفت نرخ جریان توصیه می کند: 100٪، 75٪، 50٪، 25٪، 10٪، 5٪ و 2.5٪ از حداکثر جریان، با میانگین هر نقطه تست بیش از 90-300 ثانیه. تغییرات تولید و تفاوت‌های نصب لوله‌کشی می‌تواند بر دقت تأثیر بگذارد و کالیبراسیون را برای عملکرد بهینه ضروری می‌کند. برخلاف کنتورهای مکانیکی که به‌طور قابل‌توجهی جابجا می‌شوند، کنتورهای اولتراسونیک به دلیل نداشتن قطعات متحرک، در طول زمان دقت پایداری را حفظ می‌کنند، و امکان فواصل کمتر کالیبراسیون مجدد را فراهم می‌کنند.
س: هزینه اولیه در مقابل هزینه کل مالکیت بلندمدت- چقدر است؟
پاسخ: در حالی که سرمایه گذاری اولیه در کنتورهای جریان اولتراسونیک ممکن است از کنتورهای سنتی فراتر رود، هزینه کل مالکیت اغلب به دلیل کاهش تعمیر و نگهداری، حداقل زمان از کار افتادگی و عمر طولانی مدت کمتر است. یک کنتور گاز اولتراسونیک می تواند جایگزین دو توربین متر موازی (ریل بار کوچک و اصلی) شود و هزینه های زیرساختی را کاهش دهد. کنتورهای التراسونیک هزینه های اولیه گرانی دارند اما هزینه های راه اندازی کمتری نسبت به برخی گزینه های جایگزین دارند و به دلیل نداشتن قطعات متحرک حداقل تعمیر و نگهداری دارند. تشخیص سیگنال بهینه زیرساخت کاهش نویز گران قیمت را حذف می کند و کاهش هزینه های تعمیر و نگهداری و تعمیر در نقاط اندازه گیری، سرمایه گذاری اولیه بالاتر را جبران می کند. برای برنامه‌های-قطر بزرگ، گیره-روی نسخه‌ها باعث صرفه‌جویی قابل توجهی در هزینه نصب می‌شود.
س: چه تعمیر و نگهداری معمولی مورد نیاز است و چند وقت یکبار؟
پاسخ: حسگرهای جریان گاز اولتراسونیک برای عملیات تعمیر و نگهداری کم طراحی شده‌اند، با تعمیر و نگهداری معمولی از جمله تمیز کردن صفحه پروب در فواصل 1-6 ماهه بسته به شرایط محل، بررسی سیستم تصفیه و فیلترهای هوا، و در صورت نیاز کالیبراسیون مجدد گاه به گاه. در محیط‌های پر گرد و غبار مانند برنامه‌های گاز دودکش، سیستم‌های تصفیه خودکار با استفاده از هوای دستگاه تمیز 0.1-0.6 مگاپاسکال با سرعت 3-6 لیتر در دقیقه، چهره‌های حسگر را تمیز نگه می‌دارند و از جابجایی اندازه‌گیری جلوگیری می‌کنند. سنسورها را می توان در محل و تحت فشار با استفاده از پیکربندی plug-and-play تعویض کرد و عملکرد کنتور مستقیماً تحت تأثیر ناخالصی های دیواره لوله قرار نمی گیرد.
س: حدود دما و فشار عملیاتی برای سنسورهای جریان گاز اولتراسونیک چیست؟
ج: مبدل‌ها برای تحمل دما از -260 درجه فارنهایت برای اندازه‌گیری LNG تا 500 درجه فارنهایت برای کاربردهای نیروگاهی ساخته شده‌اند. حسگرهای مدرن معمولاً از -40 درجه تا +170 درجه (-40 درجه فارنهایت تا +338 درجه فارنهایت) برای برنامه‌های استاندارد استفاده می‌کنند، با نسخه‌های تخصصی با دمای بالا که از 150 درجه تا 550 درجه (+302 درجه فارنهایت تا +1022 درجه فارنهایت) برخوردارند. محدوده فشار از 1 بار تا 300 بار (14.5 تا 4350 psi)، با سنسورهایی که در فرکانس‌های استاندارد 120 یا 200 کیلوهرتز کار می‌کنند. برای کاربردهای کم فشار، انتقال صدا به حداقل چگالی گاز نیاز دارد و فناوری موج بره اندازه گیری را تا فشار نزدیک به اتمسفر امکان پذیر می کند.
