Ultrasonik gaz akış ölçerler olarak da bilinen ultrasonik gaz akış sensörleri, gaz ortamları (doğal gaz, basınçlı hava ve proses gazları dahil) için gelişmiş ölçüm teknolojisini temsil eder. Bu-invaziv olmayan cihazlar, sıvı ortamıyla fiziksel temas olmadan gaz akışını ölçmek için ultrasonik dalgaları kullanır ve çeşitli endüstriyel uygulamalarda mükemmel doğruluk ve güvenilirlik sağlar. Bu kılavuz, ultrasonik gaz akış sensörlerinin çalışma prensiplerini, yapısal tasarımını ve pratik uygulamalarını incelemektedir.
Ultrasonik Gaz Akış Sensörünün Çalışma Prensibi:
Ultrasonik gaz akış sensörlerinin temeli, gaz hızını ölçmek için ses dalgalarının kullanılmasıdır. Birincil yöntem, ultrasonik dönüştürücülerin (sensörlerin) gaz akışı boyunca ilerleyen darbeler yaydığı geçiş-zaman ilkesidir. İki dönüştürücü, biri aşağı yönde (akışla birlikte) sinyal gönderecek, diğeri yukarı yönde (akışa karşı) sinyal gönderecek şekilde konumlandırılmıştır. Bu yollar arasındaki zaman farkı (Δt), aşağıdaki formül kullanılarak hesaplanan gaz hızıyla (V) orantılıdır:
burada L yol uzunluğu ve t0 ortalama geçiş süresidir. Hacimsel akış hızı daha sonra borunun kesit alanıyla-çarpılarak hesaplanır. Diğer bir varyant iseDoppler etkisiburada dalgalar gazdaki kabarcıklardan veya parçacıklardan yansır ve frekans kayması, safsızlık içeren gazlar için-ideal hızı gösterir. Gelişmiş modeller, doğrudan iletim için kesme dalgalarını veya düşük-basınçtaki veya zayıflatıcı gazlardaki sinyalleri yükseltmek için boru duvarının rezonansa girmesine neden olan Lamb dalgalarını kullanır. Çok-yollu konfigürasyonlar (4 veya 6 yol gibi), türbülanslı veya asimetrik akışları idare etmek için boru boyunca ortalama ölçümler yaparak doğruluğu artırır. Bu diyagram şunları göstermektedir:toplu taşıma-süresi kurulumu, yukarı ve aşağı yöndeki sinyallerin akışa bağlı olarak nasıl farklılaştığını gösterir.
Çok-Kanallı Ultrasonik Gaz Akış Sensörü Yapısı
Çok-kanallı gaz ultrasonik akış ölçerlerin bileşimi temel olarak dört parçadan oluşur: ultrasonik akış ölçerin ana gövdesi, basınç vericisi, akıllı sıcaklık vericisi ve akış bilgisayarı. Ultrasonik akış ölçer esas olarak iki ana bileşenden oluşur: Biri, birden fazla çift ultrasonik dönüştürücüyle (aynı zamanda birincil cihaz olarak da bilinir) donatılmış ölçüm borusu bölümüdür; Diğeri ise ölçüm, anlık akış hızı ekranı ve iletişim fonksiyonlarına sahip olan ve genellikle ikincil cihaz olarak adlandırılan sinyal işleme ünitesidir (SPU).Aşağıdaki şema, çok-kanallı bir ultrasonik cihazın blok şemasını göstermektedir.
akış ölçer.
İkincil cihaz, boru hattındaki gaz basıncı ve sıcaklık sensörlerine doğrudan bağlanabilir ve dahili sinyal dönüşümü ve kompanzasyon hesaplaması yoluyla, boru hattındaki sıcaklık ve basıncın gaz hacimsel akış hızı üzerindeki telafi etkisini tamamlayabilir, akış bilgisayarına bağlı kalmadan hacimsel akış hızının ölçümünü bağımsız olarak tamamlayabilir. Ek olarak, akıllı sıcaklık vericisi ve basınç vericisi aracılığıyla, ikincil cihaz tarafından ölçülen anlık akış hızı ve hacimsel akış hızı değerlerini telafi etmek için boru hattındaki dijital sıcaklık ve basınç sinyalleri de akış bilgisayarına iletilebilir.
Çok-kanallı gaz ultrasonik debimetrenin sensör kısmı esas olarak ölçüm boru hattı kısmını ifade eder ve akış sensörünün yapısal analizi esas olarak ölçüm boru hattının bağlantısını ve her bir ultrasonik dönüştürücünün kurulum dağıtım konumlarını ifade eder. Akış ölçüm boru hattı, düz taşıma boru hattına bağlanan flanş uç yüzleri ile tasarlanmış ve üretilmiştir. Amerikan Gaz Birliği tarafından 1998 yılında formüle edilen AGA No. 9 sayılı "Doğal Gaz Akışını Ölçmek için Çok Kanallı Ultrasonik Akış Ölçerler" belgesinde, araştırma çalışmaları asimetrik hız dağılımının oluşum noktasından 50D'ye veya aşağı akışa kadar devam ettiğini ve girdaplı hız profillerinin 200D veya daha uzakta mevcut olabileceğini (D, ölçüm hattının iç çapıdır) zaten işaret etmiştir.
Bu nedenle, genel endüstriyel gaz akışı ölçüm sahalarında, akış ölçerin kurulum konumu, karmaşık akış durumlarının akış hızı ölçümü üzerindeki etkisini dikkate almalıdır. GB/T 18604-2023 standardına göre, çok-kanallı gaz ultrasonik akış ölçerlerin kurulum konumu için aşağıdaki öneriler önerilmektedir: Giriş yönündeki minimum düz boru uzunluğu 10D ve akış yönündeki minimum düz boru uzunluğu 5D'dir. Bu öneri yalnızca yukarı akış koşulları nispeten ideal olduğunda (çok küçük girdap yoğunluğu ve hafif asimetrik hız dağılımı gibi) oluşturulabilir ve ölçüm ihtiyaçlarını karşılamak için minimum gereklilik olarak kabul edilmelidir. Aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi, çok kanallı gaz ultrasonik akış ölçerlerin, ölçüm boru hattına gömülü ve monte edilmiş ultrasonik transdüserleri benimseyerek, ultrasonik dalgaların yayılma verimliliğini dikkate alması gerekir.
Aşağıdaki şekil, çok-kanallı bir ultrasonik gaz akış ölçer sensörü için kanal düzeninin şematik bir diyagramını gösterir ve dört-kanallı çapraz ultrasonik gaz akış ölçer tarafından ölçülen halka-şeklindeki boru hattı yapısını gösterir.
4 kanal sırasıyla farklı akış katmanları üzerinde düzenlenmiş olup, kanallar y yönünde bakıldığında birbirini keser, z yönünde bakıldığında ise birbirine paraleldir. Ölçüm hattı, çalışma frekansı 200-250 kHz olan ultrasonik dönüştürücü çiftlerinden oluşan 4 kanallı bir kompozit sensörden oluşur. Boru çapı D=300 mm ve her kanal ile eksenel yön arasındaki φ açısı 60 derecedir.
Çok-Kanallı Ultrasonik Gaz Akış Sensörü Yapısının Uygulama Senaryoları
Çok-kanallı ultrasonik gaz akış sensörleri, hassas gaz ölçümü gerektiren endüstrilerde çok önemlidir:
Petrol ve Gaz Endüstrisi: Doğal gaz sistemlerinde emanet transferi, boru hattı izleme, kompresör istasyonları ve sızıntı tespiti.
Kimyasal ve Petrokimya: Zorlu ortamlarda proses gazı ölçümü.
Enerji Üretimi ve Üretimi: Emisyon izleme, envanter kontrolü ve verimlilik optimizasyonu.
HVAC ve Yardımcı Hizmetler: Binalarda veya atık su arıtımında basınçlı hava ve biyogaz akışı.
SSS
S: Ultrasonik gaz akış sensörlerinin ne sıklıkla kalibrasyona ihtiyacı vardır?
C: Ultrasonik gaz akış sensörleri, devreye alma sırasında ilk kalibrasyonu gerektirir; uygulamanın kritikliğine bağlı olarak genellikle her 2-5 yılda bir yeniden kalibrasyon önerilir. AGA-9, gözetim transfer uygulamaları için yedi akış hızında kalibrasyon yapılmasını önerir: maksimum akışın %100, %75, %50, %25, %10, %5 ve %2,5'i ve her test noktasının ortalaması 90-300 saniyedir. Üretim farklılıkları ve boru tesisatı farklılıkları doğruluğu etkileyebilir ve optimum performans için kalibrasyonu zorunlu hale getirebilir. Önemli ölçüde sapan mekanik sayaçların aksine ultrasonik sayaçlar, hareketli parça içermemesi nedeniyle zaman içinde istikrarlı doğruluğu korur ve yeniden kalibrasyon aralıklarının daha az olmasına olanak tanır.
S: Başlangıç maliyeti ile uzun{0}vadeli toplam sahip olma maliyetinin karşılaştırması nedir?
C: Ultrasonik debimetrelere yapılan ilk yatırım geleneksel sayaçları aşabilirken, daha az bakım, minimum arıza süresi ve daha uzun hizmet ömrü nedeniyle toplam sahip olma maliyeti genellikle daha düşük olur. Tek bir ultrasonik gaz sayacı, iki paralel türbin sayacının (küçük ve ana yük rayları) yerini alarak altyapı maliyetlerini azaltabilir. Ultrasonik sayaçların başlangıç maliyetleri pahalıdır ancak bazı alternatiflere göre kurulum maliyetleri daha düşüktür ve hareketli parça olmadığından minimum bakım gerektirir. Optimize edilmiş sinyal algılama, pahalı gürültü azaltma altyapısını ortadan kaldırır ve ölçüm noktalarındaki bakım ve onarım maliyetlerinin azalması, daha yüksek ön yatırımı dengeler. Büyük-çaplı uygulamalar için kelepçeli versiyonlar-önemli kurulum maliyeti tasarrufu sağlar.
S: Hangi rutin bakım gereklidir ve ne sıklıkla?
C: Ultrasonik gaz akış sensörleri, saha koşullarına bağlı olarak prob yüzeyinin 1-6 aylık aralıklarla temizlenmesi, temizleme sisteminin ve hava filtrelerinin kontrol edilmesi ve gerekirse ara sıra yeniden kalibrasyon dahil olmak üzere tipik bakım gerektiren, az-bakım gerektiren bir çalışma için tasarlanmıştır. Baca gazı uygulamaları gibi tozlu ortamlarda, 3-6 L/dak'da 0,1-0,6 MPa temiz cihaz havası kullanan otomatik temizleme sistemleri, sensör yüzlerini temiz tutar ve ölçüm sapmasını önler. Sensörler, tak ve çalıştır konfigürasyonu kullanılarak yerinde ve basınç altında değiştirilebilir ve ölçüm cihazının çalışması, boru duvarlarındaki yabancı maddelerden doğrudan etkilenmez.
S: Ultrasonik gaz akış sensörlerinin çalışma sıcaklığı ve basınç sınırları nelerdir?
C: Dönüştürücüler, LNG ölçümü için -260 derece F'den enerji santrali uygulamaları için 500 derece F'ye kadar sıcaklıklara dayanacak şekilde geliştirilmiştir. Modern sensörler genellikle standart uygulamalar için -40 derece ila +170 derece (-40 derece F ila +338 derece F) ile çalışır; özel yüksek sıcaklık versiyonları ise 150 derece ila 550 derece (+302 derece F ila +1022 derece F) arasındadır. Basınç aralıkları 1 bar'dan 300 bar'a (14,5 ila 4350 psi) kadar uzanır ve sensörler 120 veya 200 kHz'lik standart frekanslarda çalışır. Düşük basınçlı uygulamalar için ses iletimi minimum gaz yoğunluğu gerektirir ve Lamb wave teknolojisi, neredeyse atmosfer basıncına kadar ölçüm yapılmasına olanak tanır.
