เซนเซอร์วัดการไหลของก๊าซแบบอัลตราโซนิกหรือที่เรียกว่าเครื่องวัดการไหลของก๊าซแบบอัลตราโซนิก เป็นตัวแทนของเทคโนโลยีการวัดขั้นสูงสำหรับตัวกลางก๊าซ (รวมถึงก๊าซธรรมชาติ อากาศอัด และก๊าซในกระบวนการ) อุปกรณ์ที่ไม่รุกราน-เหล่านี้ใช้คลื่นอัลตราโซนิกในการวัดการไหลของก๊าซโดยไม่ต้องสัมผัสทางกายภาพกับตัวกลางของของไหล ซึ่งให้ความแม่นยำและความน่าเชื่อถือที่ยอดเยี่ยมในการใช้งานทางอุตสาหกรรมต่างๆ คู่มือนี้จะสำรวจหลักการทำงาน การออกแบบโครงสร้าง และการใช้งานจริงของเซ็นเซอร์วัดการไหลของก๊าซอัลตราโซนิก
หลักการทำงานของเซนเซอร์วัดการไหลของก๊าซอัลตราโซนิก:
แกนหลักของเซนเซอร์วัดการไหลของก๊าซอัลตราโซนิกคือการใช้คลื่นเสียงเพื่อวัดความเร็วของก๊าซ วิธีการหลักคือหลักการเวลาขนส่ง- โดยที่ทรานสดิวเซอร์อัลตราโซนิก (เซ็นเซอร์) ปล่อยพัลส์ที่เดินทางผ่านกระแสก๊าซ ทรานสดิวเซอร์สองตัวอยู่ในตำแหน่งที่ตัวหนึ่งส่งสัญญาณล่อง (พร้อมกับการไหล) และอีกตัวส่งสัญญาณต้นน้ำ (สวนทางกับการไหล) ความแตกต่างของเวลา (Δt) ระหว่างเส้นทางเหล่านี้เป็นสัดส่วนกับความเร็วของก๊าซ (V) ซึ่งคำนวณโดยใช้สูตรต่อไปนี้:
โดยที่ L คือความยาวเส้นทางและ t0 คือเวลาขนส่งเฉลี่ย จากนั้น อัตราการไหลของปริมาตรจะคำนวณโดยการคูณด้วยพื้นที่หน้าตัด-ของท่อ อีกแบบหนึ่งคือผลกระทบดอปเปลอร์โดยที่คลื่นสะท้อนฟองหรืออนุภาคในก๊าซ และการเปลี่ยนความถี่บ่งบอกถึงความเร็ว-ซึ่งเหมาะสำหรับก๊าซที่มีสิ่งเจือปน โมเดลขั้นสูงใช้คลื่นเฉือนสำหรับการส่งสัญญาณโดยตรงหรือคลื่น Lamb ซึ่งทำให้ผนังท่อสะท้อนกลับเพื่อขยายสัญญาณในความดันต่ำ-หรือก๊าซที่กำลังลดทอน การกำหนดค่าหลาย-เส้นทาง (เช่น 4 หรือ 6 เส้นทาง) การวัดโดยเฉลี่ยทั่วทั้งไปป์เพื่อรองรับการไหลเชี่ยวหรือไม่สมมาตร ช่วยเพิ่มความแม่นยำ แผนภาพนี้แสดงให้เห็นถึงการตั้งค่าเวลาขนส่ง-แสดงให้เห็นว่าสัญญาณต้นน้ำและปลายน้ำแตกต่างกันอย่างไรตามการไหล
โครงสร้างเซ็นเซอร์วัดการไหลของก๊าซอัลตราโซนิคแบบหลายช่อง-
ส่วนประกอบของเครื่องวัดอัตราการไหลแบบอัลตราโซนิกก๊าซแบบหลายช่อง- ส่วนใหญ่ประกอบด้วยสี่ส่วน: ส่วนหลักของเครื่องวัดอัตราการไหลแบบอัลตราโซนิก เครื่องส่งสัญญาณความดัน เครื่องส่งสัญญาณอุณหภูมิอัจฉริยะ และคอมพิวเตอร์การไหล เครื่องวัดอัตราการไหลแบบอัลตราโซนิกส่วนใหญ่ประกอบด้วยองค์ประกอบหลักสองส่วน: ส่วนแรกคือส่วนของท่อวัดที่ติดตั้งทรานสดิวเซอร์อัลตราโซนิกหลายคู่ (หรือที่เรียกว่าเครื่องมือหลัก); อีกอย่างหนึ่งคือหน่วยประมวลผลสัญญาณ (SPU) ที่มีการวัด การแสดงอัตราการไหลทันที และฟังก์ชันการสื่อสาร ซึ่งโดยทั่วไปเรียกว่าเครื่องมือรอง แผนภาพต่อไปนี้แสดงแผนภาพบล็อกของอัลตราโซนิกหลาย-ช่อง
เครื่องวัดอัตราการไหล
เครื่องมือรองสามารถเชื่อมต่อโดยตรงกับเซ็นเซอร์ความดันก๊าซและอุณหภูมิในท่อ และด้วยการแปลงสัญญาณภายในและการคำนวณการชดเชย ทำให้ผลการชดเชยของอุณหภูมิและความดันในท่อเสร็จสมบูรณ์ต่ออัตราการไหลของปริมาตรของก๊าซ ทำให้การวัดอัตราการไหลของปริมาตรเสร็จสมบูรณ์โดยอิสระโดยไม่ต้องอาศัยคอมพิวเตอร์การไหล นอกจากนี้ สัญญาณดิจิตอลของอุณหภูมิและความดันในท่อสามารถส่งผ่านเครื่องส่งสัญญาณอุณหภูมิอัจฉริยะและเครื่องส่งสัญญาณความดันไปยังคอมพิวเตอร์การไหลเพื่อชดเชยความเร็วการไหลทันทีและค่าอัตราการไหลเชิงปริมาตรที่วัดโดยเครื่องมือรอง
ส่วนเซ็นเซอร์ของเครื่องวัดการไหลแบบอัลตราโซนิกก๊าซแบบหลายช่อง{0}} ส่วนใหญ่หมายถึงส่วนท่อวัด และการวิเคราะห์โครงสร้างของเซ็นเซอร์วัดการไหลส่วนใหญ่หมายถึงการเชื่อมต่อของท่อวัดและตำแหน่งการกระจายการติดตั้งของทรานสดิวเซอร์อัลตราโซนิกแต่ละตัว ท่อวัดการไหลได้รับการออกแบบและผลิตโดยมีส่วนหน้าของหน้าแปลนเชื่อมต่ออยู่ในท่อลำเลียงแบบตรง ในเอกสาร AGA หมายเลข. 9 "เครื่องวัดอัตราการไหลอัลตราโซนิคหลายช่องสำหรับการวัดการไหลของก๊าซธรรมชาติ" ซึ่งจัดทำโดย American Gas Association ในปี 1998 งานวิจัยได้ชี้ให้เห็นแล้วว่าการกระจายความเร็วแบบไม่สมมาตรยังคงอยู่ตั้งแต่จุดที่เกิดขึ้นจนถึง 50D หรือปลายน้ำ และโปรไฟล์ความเร็วที่มีกระแสน้ำวนอาจมีอยู่ที่ 200D หรือไกลกว่านั้น (D คือเส้นผ่านศูนย์กลางด้านในของไปป์ไลน์การวัด)
ดังนั้น ในสถานที่ตรวจวัดการไหลของก๊าซอุตสาหกรรมทั่วไป ตำแหน่งการติดตั้งมิเตอร์วัดการไหลจะต้องพิจารณาถึงอิทธิพลของสถานะการไหลที่ซับซ้อนต่อการวัดความเร็วการไหล ตามมาตรฐาน GB/T 18604-2023 มีการเสนอคำแนะนำต่อไปนี้สำหรับตำแหน่งการติดตั้งมิเตอร์วัดอัตราการไหลของก๊าซอัลตราโซนิกแบบหลาย-ช่อง: ความยาวท่อตรงขั้นต่ำที่ต้นน้ำคือ 10D และความยาวท่อตรงขั้นต่ำปลายน้ำคือ 5D คำแนะนำนี้สามารถกำหนดได้เฉพาะเมื่อสภาวะต้นน้ำค่อนข้างเหมาะสม (เช่น ความเข้มข้นของกระแสน้ำวนที่น้อยมากและการกระจายความเร็วที่ไม่สมมาตรเล็กน้อย) และควรถือเป็นข้อกำหนดขั้นต่ำเพื่อตอบสนองความต้องการในการวัด ดังแสดงในรูปด้านล่าง เครื่องวัดอัตราการไหลแบบอัลตราโซนิกก๊าซแบบหลายช่องสัญญาณจำเป็นต้องพิจารณาประสิทธิภาพการแพร่กระจายของคลื่นอัลตราโซนิก โดยใช้ทรานสดิวเซอร์อัลตราโซนิกที่ฝังและติดตั้งบนท่อวัด
รูปด้านล่างแสดงแผนผังของเค้าโครงช่องสัญญาณสำหรับเซ็นเซอร์วัดการไหลของก๊าซอัลตราโซนิกแบบหลาย-ช่องสัญญาณ ซึ่งแสดงให้เห็นโครงสร้างท่อส่งก๊าซที่มีรูปทรงวงแหวน-ซึ่งวัดโดยเครื่องวัดอัตราการไหลของก๊าซอัลตราโซนิกข้ามช่องสัญญาณสี่-
ช่องทั้ง 4 ช่องถูกจัดเรียงตามลำดับบนชั้นการไหลที่แตกต่างกัน และช่องสัญญาณจะตัดกันเมื่อดูในทิศทาง y และจะขนานกันเมื่อดูในทิศทาง z ไปป์ไลน์การวัดประกอบด้วยเซ็นเซอร์คอมโพสิตที่มี 4 ช่องสัญญาณที่เกิดจากทรานสดิวเซอร์อัลตราโซนิกคู่ที่มีความถี่ในการทำงาน 200-250 kHz เส้นผ่านศูนย์กลางท่อ D=300 มม. และมุม φ ระหว่างแต่ละช่องและทิศทางตามแนวแกนคือ 60 องศา
สถานการณ์การใช้งานของโครงสร้างเซนเซอร์วัดการไหลของก๊าซอัลตราโซนิกหลาย-ช่อง
เซ็นเซอร์วัดการไหลของก๊าซอัลตราโซนิกหลาย-ช่องมีความสำคัญอย่างยิ่งในอุตสาหกรรมที่ต้องการการตรวจวัดก๊าซที่แม่นยำ:
อุตสาหกรรมน้ำมันและก๊าซ: การถ่ายโอนการดูแล การตรวจสอบท่อ สถานีคอมเพรสเซอร์ และการตรวจจับการรั่วไหลในระบบก๊าซธรรมชาติ
เคมีและปิโตรเคมี: ดำเนินการตรวจวัดก๊าซในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง
การผลิตไฟฟ้าและการผลิต: การตรวจสอบการปล่อยก๊าซเรือนกระจก การควบคุมสินค้าคงคลัง และการเพิ่มประสิทธิภาพ
HVAC และสาธารณูปโภค: อากาศอัดและการไหลของก๊าซชีวภาพในอาคารหรือการบำบัดน้ำเสีย
คำถามที่พบบ่อย
ถาม: เซ็นเซอร์วัดการไหลของก๊าซอัลตราโซนิกจำเป็นต้องสอบเทียบบ่อยแค่ไหน
ตอบ: เซนเซอร์วัดการไหลของก๊าซแบบอัลตราโซนิกจำเป็นต้องมีการสอบเทียบเบื้องต้นเมื่อเริ่มใช้งาน โดยทั่วไปแล้วจะแนะนำให้ทำการสอบเทียบใหม่ทุกๆ 2-5 ปี ขึ้นอยู่กับความสำคัญของการใช้งาน สำหรับการใช้งานในการถ่ายโอนการดูแล AGA-9 แนะนำให้สอบเทียบที่อัตราการไหลเจ็ดระดับ: 100%, 75%, 50%, 25%, 10%, 5% และ 2.5% ของการไหลสูงสุด โดยแต่ละจุดทดสอบใช้เวลาเฉลี่ยมากกว่า 90-300 วินาที รูปแบบการผลิตและความแตกต่างในการติดตั้งท่ออาจส่งผลต่อความแม่นยำ ทำให้การสอบเทียบจำเป็นสำหรับประสิทธิภาพสูงสุด ต่างจากมิเตอร์เชิงกลที่มีการเคลื่อนตัวอย่างมาก มิเตอร์อัลตราโซนิกจะรักษาความแม่นยำที่เสถียรเมื่อเวลาผ่านไป เนื่องจากไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว ทำให้มีช่วงการสอบเทียบใหม่ไม่บ่อยนัก
ถาม: ต้นทุนเริ่มแรกเทียบกับต้นทุนรวมในการเป็นเจ้าของ-ระยะยาวคือเท่าไร
ตอบ: แม้ว่าการลงทุนเริ่มแรกในมิเตอร์วัดการไหลแบบอัลตราโซนิกอาจสูงกว่ามิเตอร์แบบเดิม แต่ต้นทุนรวมในการเป็นเจ้าของมักจะลดลงเนื่องจากการบำรุงรักษาลดลง เวลาหยุดทำงานน้อยที่สุด และอายุการใช้งานที่ยาวนานขึ้น เครื่องวัดก๊าซอัลตราโซนิกเพียงเครื่องเดียวสามารถทดแทนมิเตอร์กังหันแบบขนาน 2 เครื่อง (รางรับน้ำหนักขนาดเล็กและรางหลัก) ซึ่งช่วยลดต้นทุนด้านโครงสร้างพื้นฐาน มิเตอร์อัลตราโซนิกมีต้นทุนเริ่มต้นที่แพงแต่มีต้นทุนการติดตั้งต่ำกว่าทางเลือกอื่นๆ โดยมีการบำรุงรักษาน้อยที่สุดเนื่องจากไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว การตรวจจับสัญญาณที่ได้รับการปรับปรุงประสิทธิภาพจะช่วยลดโครงสร้างพื้นฐานในการลดทอนสัญญาณรบกวนที่มีราคาแพง และค่าบำรุงรักษาและการซ่อมแซมที่ลดลงที่จุดตรวจวัดจะชดเชยการลงทุนล่วงหน้าที่สูงขึ้น สำหรับการใช้งานที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่- แคลมป์-ในเวอร์ชันต่างๆ ช่วยประหยัดต้นทุนการติดตั้งได้อย่างมาก
ถาม: ต้องบำรุงรักษาเป็นประจำอะไรบ้าง และบ่อยแค่ไหน?
ตอบ: เซ็นเซอร์วัดการไหลของก๊าซแบบอัลตราโซนิกได้รับการออกแบบสำหรับการดำเนินการบำรุงรักษาต่ำ- โดยมีการบำรุงรักษาโดยทั่วไป รวมถึงการทำความสะอาดผิวหน้าของโพรบในช่วงเวลา 1- 6 เดือน ขึ้นอยู่กับสภาพของสถานที่ การตรวจสอบระบบไล่อากาศและตัวกรองอากาศ และการสอบเทียบใหม่เป็นครั้งคราว หากจำเป็น ในสภาพแวดล้อมที่เต็มไปด้วยฝุ่น เช่น การใช้งานก๊าซไอเสีย ระบบกำจัดอัตโนมัติที่ใช้อากาศสะอาดในเครื่องมือ 0.1-0.6 MPa ที่ 3-6 ลิตร/นาที ช่วยให้ใบหน้าเซ็นเซอร์สะอาดและป้องกันการเคลื่อนตัวของการวัด สามารถเปลี่ยนเซ็นเซอร์นอกสถานที่และภายใต้แรงกดดันได้โดยใช้การกำหนดค่า Plug-and-Play และการทำงานของมิเตอร์จะไม่ได้รับผลกระทบโดยตรงจากสิ่งเจือปนบนผนังท่อ
ถาม: อุณหภูมิในการทำงานและขีดจำกัดความดันสำหรับเซนเซอร์วัดการไหลของก๊าซอัลตราโซนิกคือเท่าใด
ตอบ: ทรานสดิวเซอร์ได้รับการพัฒนาให้ทนทานต่ออุณหภูมิตั้งแต่ -260 องศา F สำหรับการวัด LNG ถึง 500 องศา F สำหรับการใช้งานในโรงไฟฟ้า โดยทั่วไปแล้วเซ็นเซอร์สมัยใหม่จะรองรับอุณหภูมิ -40 องศาถึง +170 องศา (-40 องศา F ถึง +338 องศา F) สำหรับการใช้งานมาตรฐาน โดยมีรุ่นอุณหภูมิสูงเฉพาะทางที่สามารถใช้งานได้ตั้งแต่ 150 องศาถึง 550 องศา (+302 องศา F ถึง +1022 องศา F) ช่วงแรงดันขยายจาก 1 บาร์ถึง 300 บาร์ (14.5 ถึง 4350 psi) โดยเซ็นเซอร์ทำงานที่ความถี่มาตรฐาน 120 หรือ 200 kHz สำหรับการใช้งานที่มีแรงดันต่ำ การส่งผ่านเสียงต้องมีความหนาแน่นของก๊าซขั้นต่ำ และเทคโนโลยี Lamb wave ช่วยให้สามารถตรวจวัดได้จนถึงความดันใกล้เคียงบรรยากาศ
