Cảm biến lưu lượng khí siêu âm, còn được gọi là máy đo lưu lượng khí siêu âm, đại diện cho công nghệ đo lường tiên tiến cho môi trường khí (bao gồm khí tự nhiên, khí nén và khí xử lý). Các thiết bị-không xâm lấn này sử dụng sóng siêu âm để đo lưu lượng khí mà không cần tiếp xúc vật lý với môi trường chất lỏng, mang lại độ chính xác và độ tin cậy tuyệt vời trong nhiều ứng dụng công nghiệp khác nhau. Hướng dẫn này khám phá các nguyên tắc làm việc, thiết kế cấu trúc và ứng dụng thực tế của cảm biến lưu lượng khí siêu âm.
Nguyên lý làm việc của cảm biến lưu lượng khí siêu âm:
Cốt lõi của cảm biến lưu lượng khí siêu âm là sử dụng sóng âm để đo vận tốc khí. Phương pháp chính là nguyên lý-thời gian vận chuyển, trong đó bộ chuyển đổi siêu âm (cảm biến) phát ra các xung truyền qua dòng khí. Hai bộ chuyển đổi được bố trí sao cho một bộ gửi tín hiệu xuôi dòng (cùng dòng) và bộ kia gửi tín hiệu ngược dòng (ngược dòng). Chênh lệch thời gian (Δt) giữa các đường này tỷ lệ thuận với vận tốc khí (V), được tính theo công thức sau:
trong đó L là độ dài đường đi và t0 là thời gian vận chuyển trung bình. Sau đó, tốc độ dòng thể tích được tính bằng cách nhân với-diện tích mặt cắt ngang của đường ống. Một biến thể khác làHiệu ứng Doppler, trong đó sóng phản xạ khỏi bong bóng hoặc hạt trong khí và sự thay đổi tần số biểu thị vận tốc-lý tưởng đối với các loại khí có chứa tạp chất. Các mô hình nâng cao sử dụng sóng biến dạng để truyền trực tiếp hoặc sóng Lamb, làm cho thành ống cộng hưởng để khuếch đại tín hiệu trong điều kiện áp suất thấp hoặc khí suy giảm. Các phép đo trung bình trong cấu hình nhiều đường dẫn (chẳng hạn như 4 hoặc 6 đường dẫn) trên đường ống để xử lý các luồng hỗn loạn hoặc không đối xứng, cải thiện độ chính xác. Sơ đồ này minh họathiết lập thời gian chuyển tuyến-, cho thấy tín hiệu ngược dòng và xuôi dòng khác nhau như thế nào dựa trên luồng.
Cấu trúc cảm biến lưu lượng khí siêu âm đa kênh
Cấu tạo của máy đo lưu lượng khí siêu âm đa kênh- chủ yếu bao gồm bốn bộ phận: thân chính của máy đo lưu lượng siêu âm, bộ truyền áp suất, bộ truyền nhiệt độ thông minh và máy tính lưu lượng. Đồng hồ đo lưu lượng siêu âm chủ yếu bao gồm hai thành phần chính: Một là phần ống đo được trang bị nhiều cặp đầu dò siêu âm (còn được gọi là thiết bị chính); Bộ còn lại là bộ xử lý tín hiệu (SPU) có chức năng đo lường, hiển thị tốc độ dòng chảy tức thời và giao tiếp, thường được gọi là thiết bị phụ. Sơ đồ sau đây hiển thị sơ đồ khối của thiết bị siêu âm đa kênh
lưu lượng kế.
Thiết bị thứ cấp có thể kết nối trực tiếp với các cảm biến áp suất và nhiệt độ khí trong đường ống và thông qua tính toán bù và chuyển đổi tín hiệu bên trong, hoàn thành hiệu ứng bù của nhiệt độ và áp suất trong đường ống đối với tốc độ dòng thể tích khí, hoàn thành độc lập phép đo tốc độ dòng thể tích mà không cần dựa vào máy tính lưu lượng. Ngoài ra, thông qua bộ truyền nhiệt độ và bộ truyền áp suất thông minh, các tín hiệu kỹ thuật số về nhiệt độ và áp suất trong đường ống cũng có thể được truyền đến máy tính lưu lượng để bù cho các giá trị tốc độ dòng chảy tức thời và tốc độ dòng thể tích được đo bằng thiết bị thứ cấp.
Phần cảm biến của đồng hồ đo lưu lượng khí siêu âm đa kênh- chủ yếu đề cập đến phần đường ống đo và phân tích cấu trúc của cảm biến lưu lượng chủ yếu đề cập đến kết nối của đường ống đo và vị trí phân phối lắp đặt của từng đầu dò siêu âm. Đường ống đo lưu lượng được thiết kế và sản xuất với mặt bích cuối, được kết nối trong đường ống vận chuyển thẳng. Trong tài liệu AGA No. 9 "Máy đo lưu lượng siêu âm đa kênh để đo lưu lượng khí tự nhiên" do Hiệp hội Khí đốt Hoa Kỳ xây dựng năm 1998, công trình nghiên cứu đã chỉ ra rằng sự phân bố vận tốc không đối xứng vẫn tồn tại từ điểm xuất hiện cho đến 50D hoặc xuôi dòng và cấu hình vận tốc với các xoáy có thể tồn tại ở 200D hoặc xa hơn (D là đường kính trong của đường ống đo).
Do đó, tại các vị trí đo lưu lượng khí công nghiệp nói chung, vị trí lắp đặt đồng hồ đo lưu lượng phải xem xét ảnh hưởng của trạng thái dòng chảy phức tạp đến việc đo vận tốc dòng chảy. Theo tiêu chuẩn GB/T 18604-2023, các đề xuất sau đây được đề xuất cho vị trí lắp đặt máy đo lưu lượng siêu âm khí đa kênh-: Chiều dài ống thẳng tối thiểu ở thượng nguồn là 10D và chiều dài ống thẳng tối thiểu ở hạ lưu là 5D. Khuyến nghị này chỉ có thể được thiết lập khi các điều kiện ở thượng lưu tương đối lý tưởng (chẳng hạn như cường độ xoáy rất nhỏ và phân bố vận tốc hơi bất đối xứng) và phải được coi là yêu cầu tối thiểu để đáp ứng nhu cầu đo lường. Như thể hiện trong hình bên dưới, máy đo lưu lượng siêu âm khí đa kênh cần xem xét hiệu suất lan truyền của sóng siêu âm, sử dụng đầu dò siêu âm được nhúng và lắp đặt trên đường ống đo.
Hình bên dưới thể hiện sơ đồ bố trí kênh cho cảm biến đo lưu lượng khí siêu âm đa kênh, minh họa cấu trúc đường ống hình vòng-được đo bằng lưu lượng kế khí siêu âm chéo bốn kênh.
4 kênh lần lượt được sắp xếp trên các lớp luồng khác nhau và các kênh giao nhau khi nhìn theo hướng y và song song với nhau khi nhìn theo hướng z. Đường ống đo bao gồm một cảm biến tổng hợp với 4 kênh được hình thành bởi các cặp đầu dò siêu âm có tần số hoạt động 200-250 kHz. Đường kính ống D=300 mm và góc φ giữa mỗi kênh và hướng trục là 60 độ .
Kịch bản ứng dụng của cấu trúc cảm biến lưu lượng khí siêu âm đa kênh
Cảm biến lưu lượng khí siêu âm đa kênh rất quan trọng trong các ngành yêu cầu đo khí chính xác:
Công nghiệp dầu khí: Chuyển giao quyền giám sát, giám sát đường ống, trạm máy nén và phát hiện rò rỉ trong hệ thống khí đốt tự nhiên.
Hóa chất và Hóa dầu: Xử lý đo khí trong môi trường khắc nghiệt.
Sản xuất và Sản xuất Điện: Giám sát khí thải, kiểm soát hàng tồn kho và tối ưu hóa hiệu quả.
HVAC và Tiện ích: Dòng khí nén và khí sinh học trong các tòa nhà hoặc xử lý nước thải.
Câu hỏi thường gặp
Hỏi: Cảm biến lưu lượng khí siêu âm cần hiệu chuẩn bao lâu một lần?
Trả lời: Cảm biến lưu lượng khí siêu âm yêu cầu hiệu chuẩn ban đầu khi vận hành thử, thường nên hiệu chuẩn lại sau mỗi 2-5 năm tùy thuộc vào mức độ quan trọng của ứng dụng. Đối với các ứng dụng chuyển giao quyền giám sát, AGA-9 khuyến nghị hiệu chuẩn ở bảy tốc độ dòng chảy: 100%, 75%, 50%, 25%, 10%, 5% và 2,5% lưu lượng tối đa, với mỗi điểm kiểm tra trung bình trong 90-300 giây. Các biến thể trong sản xuất và sự khác biệt trong lắp đặt đường ống có thể ảnh hưởng đến độ chính xác, khiến việc hiệu chuẩn trở nên cần thiết để có hiệu suất tối ưu. Không giống như các máy đo cơ bị trôi đáng kể, máy đo siêu âm duy trì độ chính xác ổn định theo thời gian do không có bộ phận chuyển động, cho phép khoảng thời gian hiệu chuẩn lại ít thường xuyên hơn.
Hỏi: Chi phí ban đầu so với tổng chi phí sở hữu lâu dài là bao nhiêu?
Trả lời: Mặc dù khoản đầu tư ban đầu vào máy đo lưu lượng siêu âm có thể vượt quá máy đo truyền thống, nhưng tổng chi phí sở hữu thường thấp hơn do giảm bảo trì, thời gian ngừng hoạt động tối thiểu và thời gian sử dụng kéo dài. Một đồng hồ đo khí siêu âm duy nhất có thể thay thế hai đồng hồ đo tuabin song song (đường ray tải nhỏ và chính), giảm chi phí cơ sở hạ tầng. Máy đo siêu âm có chi phí ban đầu đắt đỏ nhưng chi phí thiết lập thấp hơn so với một số lựa chọn thay thế, với mức bảo trì tối thiểu do không có bộ phận chuyển động. Khả năng phát hiện tín hiệu được tối ưu hóa giúp loại bỏ cơ sở hạ tầng giảm tiếng ồn đắt tiền, đồng thời giảm chi phí bảo trì và sửa chữa tại các điểm đo bù đắp cho khoản đầu tư trả trước cao hơn. Đối với các ứng dụng có đường kính-lớn, phiên bản kẹp-giúp tiết kiệm đáng kể chi phí lắp đặt.
Hỏi: Cần phải bảo trì định kỳ những gì và tần suất như thế nào?
Đáp: Cảm biến lưu lượng khí siêu âm được thiết kế để vận hành ít cần bảo trì-với công việc bảo trì thông thường bao gồm làm sạch mặt đầu dò trong khoảng thời gian 1{6}}6 tháng tùy thuộc vào điều kiện tại địa điểm, kiểm tra hệ thống thanh lọc và bộ lọc không khí cũng như thỉnh thoảng hiệu chỉnh lại nếu cần. Trong môi trường bụi bặm như ứng dụng khí thải, hệ thống thanh lọc tự động sử dụng không khí sạch 0,1-0,6 MPa ở tốc độ 3-6 L/phút giữ cho bề mặt cảm biến luôn sạch sẽ và ngăn chặn độ lệch của phép đo. Cảm biến có thể được thay thế tại chỗ và dưới áp suất bằng cách sử dụng cấu hình cắm và chạy, đồng thời hoạt động của đồng hồ không bị ảnh hưởng trực tiếp bởi tạp chất trên thành ống.
Hỏi: Giới hạn nhiệt độ và áp suất hoạt động của cảm biến lưu lượng khí siêu âm là gì?
Đáp: Bộ chuyển đổi đã được phát triển để chịu được nhiệt độ từ -260 độ F để đo LNG đến 500 độ F cho các ứng dụng trong nhà máy điện. Cảm biến hiện đại thường xử lý -40 độ đến +170 độ (-40 độ F đến +338 độ F) cho các ứng dụng tiêu chuẩn, với các phiên bản nhiệt độ cao chuyên dụng có khả năng từ 150 độ đến 550 độ (+302 độ F đến +1022 độ F). Phạm vi áp suất mở rộng từ 1 bar đến 300 bar (14,5 đến 4350 psi), với các cảm biến hoạt động ở tần số tiêu chuẩn 120 hoặc 200 kHz. Đối với các ứng dụng áp suất thấp, việc truyền âm thanh yêu cầu mật độ khí tối thiểu và công nghệ sóng Lamb cho phép đo xuống áp suất gần bằng khí quyển.
