تمثل أجهزة استشعار تدفق الغاز بالموجات فوق الصوتية، والمعروفة أيضًا بمقاييس تدفق الغاز بالموجات فوق الصوتية، تقنية قياس متقدمة لوسائط الغاز (بما في ذلك الغاز الطبيعي والهواء المضغوط والغازات المعالجة). تستخدم هذه الأجهزة غير الغازية-موجات فوق صوتية لقياس تدفق الغاز دون الاتصال الجسدي بالوسط السائل، مما يوفر دقة وموثوقية ممتازتين في التطبيقات الصناعية المختلفة. يستكشف هذا الدليل مبادئ العمل والتصميم الهيكلي والتطبيقات العملية لأجهزة استشعار تدفق الغاز بالموجات فوق الصوتية.
مبدأ العمل لمستشعر تدفق الغاز بالموجات فوق الصوتية:
جوهر أجهزة استشعار تدفق الغاز بالموجات فوق الصوتية هو استخدام الموجات الصوتية لقياس سرعة الغاز. الطريقة الأساسية هي مبدأ وقت العبور-، حيث تقوم محولات الطاقة (أجهزة الاستشعار) بالموجات فوق الصوتية بإصدار نبضات تنتقل عبر تيار الغاز. يتم وضع محولين للطاقة بحيث يرسل أحدهما إشارات في اتجاه مجرى النهر (مع التدفق) والآخر يرسل إشارات في اتجاه مجرى النهر (ضد التدفق). يتناسب الفارق الزمني (Δt) بين هذه المسارات مع سرعة الغاز (V)، المحسوبة باستخدام الصيغة التالية:
حيث L هو طول المسار وt0 هو متوسط وقت العبور. يتم بعد ذلك حساب معدل التدفق الحجمي عن طريق الضرب في مساحة المقطع العرضي - للأنبوب. البديل الآخر هوتأثير دوبلر، حيث تنعكس الموجات عن الفقاعات أو الجزيئات الموجودة في الغاز، ويشير تغير التردد إلى السرعة -المثالية للغازات التي تحتوي على شوائب. تستخدم النماذج المتقدمة موجات القص للنقل المباشر أو موجات لامب، والتي تتسبب في رنين جدار الأنبوب لتضخيم الإشارات في -الضغط المنخفض أو الغازات المخففة. تكوينات المسارات المتعددة- (مثل 4 أو 6 مسارات) متوسط القياسات عبر الأنبوب للتعامل مع التدفقات المضطربة أو غير المتماثلة، مما يؤدي إلى تحسين الدقة. يوضح هذا الرسم البيانيإعداد وقت النقل-.، يوضح كيف تختلف إشارات المنبع والمصب بناءً على التدفق.
هيكل مستشعر تدفق الغاز بالموجات فوق الصوتية متعدد القنوات
يشتمل تركيب أجهزة قياس التدفق بالموجات فوق الصوتية للغاز متعدد القنوات- بشكل أساسي على أربعة أجزاء: الجسم الرئيسي لمقياس التدفق بالموجات فوق الصوتية، وجهاز إرسال الضغط، وجهاز إرسال درجة الحرارة الذكي، وكمبيوتر التدفق. يتكون مقياس التدفق بالموجات فوق الصوتية بشكل أساسي من مكونين رئيسيين: أحدهما هو قسم أنبوب القياس المجهز بأزواج متعددة من محولات الطاقة بالموجات فوق الصوتية (المعروفة أيضًا بالأداة الأساسية)؛ أما الآخر فهو وحدة معالجة الإشارات (SPU) مع القياس وعرض معدل التدفق اللحظي ووظائف الاتصال، والتي يشار إليها عادة بالأداة الثانوية. ويوضح الرسم البياني التالي الرسم التخطيطي للموجات فوق الصوتية متعددة-القنوات
مقياس الجريان.
يمكن للأداة الثانوية الاتصال مباشرة بمستشعرات ضغط الغاز ودرجة الحرارة في خط الأنابيب، ومن خلال تحويل الإشارة الداخلية وحساب التعويض، إكمال تأثير تعويض درجة الحرارة والضغط في خط الأنابيب على معدل التدفق الحجمي للغاز، واستكمال قياس معدل التدفق الحجمي بشكل مستقل دون الاعتماد على كمبيوتر التدفق. بالإضافة إلى ذلك، من خلال جهاز إرسال درجة الحرارة وجهاز إرسال الضغط الذكي، يمكن أيضًا نقل الإشارات الرقمية لدرجة الحرارة والضغط في خط الأنابيب إلى كمبيوتر التدفق للتعويض عن سرعة التدفق اللحظية وقيم معدل التدفق الحجمي المقاسة بواسطة الأداة الثانوية.
يشير جزء المستشعر في مقياس التدفق بالموجات فوق الصوتية للغاز متعدد القنوات- بشكل أساسي إلى جزء خط أنابيب القياس، ويشير التحليل الهيكلي لمستشعر التدفق بشكل أساسي إلى توصيل خط أنابيب القياس ومواضع توزيع التثبيت لكل محول طاقة بالموجات فوق الصوتية. تم تصميم وتصنيع خط أنابيب قياس التدفق بأسطح طرفية ذات شفة، متصلة بخط أنابيب النقل المستقيم. في وثيقة AGA رقم . 9 "أجهزة قياس التدفق بالموجات فوق الصوتية المتعددة القنوات لقياس تدفق الغاز الطبيعي" التي صاغتها جمعية الغاز الأمريكية في عام 1998، أشارت الأعمال البحثية بالفعل إلى أن توزيع السرعة غير المتماثل يستمر من نقطة الحدوث حتى 50 درجة أو أسفل مجرى النهر، وقد توجد ملفات تعريف السرعة مع الدوامات عند 200 درجة أو أكثر (D هو القطر الداخلي لخط أنابيب القياس).
لذلك، في مواقع قياس تدفق الغاز الصناعي العامة، يجب أن يأخذ موضع تركيب مقياس التدفق في الاعتبار تأثير حالات التدفق المعقدة على قياس سرعة التدفق. وفقًا لمعيار GB/T 18604-2023، تم اقتراح التوصيات التالية لموضع تركيب عدادات تدفق الغاز بالموجات فوق الصوتية متعددة-القنوات: الحد الأدنى لطول الأنبوب المستقيم في اتجاه المنبع هو 10D، والحد الأدنى لطول الأنبوب المستقيم في اتجاه مجرى النهر هو 5D. لا يمكن وضع هذه التوصية إلا عندما تكون ظروف المنبع مثالية نسبيًا (مثل كثافة الدوامة الصغيرة جدًا وتوزيع السرعة غير المتماثل قليلاً)، ويجب اعتبارها الحد الأدنى من المتطلبات لتلبية احتياجات القياس. كما هو مبين في الشكل أدناه، تحتاج أجهزة قياس تدفق الغاز بالموجات فوق الصوتية متعددة القنوات إلى النظر في كفاءة انتشار الموجات فوق الصوتية، واعتماد محولات الطاقة بالموجات فوق الصوتية المدمجة والمثبتة على خط أنابيب القياس.
يوضح الشكل أدناه رسمًا تخطيطيًا لتخطيط القناة لمستشعر مقياس تدفق الغاز بالموجات فوق الصوتية متعدد القنوات-، موضحًا هيكل خط الأنابيب ذو الشكل الدائري- والذي يتم قياسه بواسطة مقياس تدفق الغاز بالموجات فوق الصوتية المتقاطع بأربع قنوات-.
يتم ترتيب القنوات الأربع على التوالي على طبقات تدفق مختلفة، وتتقاطع القنوات مع بعضها البعض عند عرضها في الاتجاه y وتكون متوازية مع بعضها البعض عند عرضها في الاتجاه z. يتكون خط أنابيب القياس من مستشعر مركب به 4 قنوات مكونة من أزواج من محولات الطاقة بالموجات فوق الصوتية بتردد تشغيل يتراوح بين 200-250 كيلو هرتز. قطر الماسورة D=300 ملم، والزاوية φ بين كل قناة والاتجاه المحوري 60 درجة.
سيناريوهات التطبيق لهيكل مستشعر تدفق الغاز بالموجات فوق الصوتية متعدد القنوات
تعد أجهزة استشعار تدفق الغاز بالموجات فوق الصوتية متعددة القنوات-حاسمة الأهمية في الصناعات التي تتطلب قياسًا دقيقًا للغاز:
صناعة النفط والغاز: نقل الحراسة ومراقبة خطوط الأنابيب ومحطات الضاغط وكشف التسرب في أنظمة الغاز الطبيعي.
المواد الكيميائية والبتروكيماوية: قياس غاز العمليات في البيئات القاسية.
توليد الطاقة والتصنيع: مراقبة الانبعاثات ومراقبة المخزون وتحسين الكفاءة.
التدفئة والتهوية وتكييف الهواء والمرافق: تدفق الهواء المضغوط والغاز الحيوي في المباني أو معالجة مياه الصرف الصحي.
التعليمات
س: كم مرة تحتاج أجهزة استشعار تدفق الغاز بالموجات فوق الصوتية إلى المعايرة؟
ج: تتطلب مستشعرات تدفق الغاز بالموجات فوق الصوتية معايرة أولية عند التشغيل، مع التوصية بإعادة المعايرة عادةً كل 2-5 سنوات اعتمادًا على مدى أهمية التطبيق. بالنسبة لتطبيقات نقل الحضانة، يوصي AGA-9 بالمعايرة بسبعة معدلات تدفق: 100%، و75%، و50%، و25%، و10%، و5%، و2.5% من الحد الأقصى للتدفق، مع متوسط كل نقطة اختبار على مدى 90-300 ثانية. يمكن أن تؤثر الاختلافات في التصنيع والاختلافات في تركيب الأنابيب على الدقة، مما يجعل المعايرة ضرورية لتحقيق الأداء الأمثل. على عكس العدادات الميكانيكية التي تنحرف بشكل كبير، تحافظ أجهزة القياس بالموجات فوق الصوتية على دقة ثابتة بمرور الوقت بسبب عدم وجود أجزاء متحركة، مما يسمح بفترات زمنية أقل لإعادة المعايرة.
س: ما هي التكلفة الأولية مقابل إجمالي تكلفة الملكية-على المدى الطويل؟
ج: في حين أن الاستثمار الأولي في أجهزة قياس التدفق بالموجات فوق الصوتية قد يتجاوز العدادات التقليدية، فإن التكلفة الإجمالية للملكية غالبًا ما تكون أقل بسبب انخفاض الصيانة، والحد الأدنى من وقت التوقف عن العمل، وعمر الخدمة الممتد. يمكن لمقياس غاز واحد بالموجات فوق الصوتية أن يحل محل عدادين توربينيين متوازيين (قضبان تحميل صغيرة ورئيسية)، مما يقلل من تكاليف البنية التحتية. تتميز أجهزة القياس بالموجات فوق الصوتية بتكاليف أولية باهظة الثمن ولكن تكاليف الإعداد أقل من بعض البدائل، مع الحد الأدنى من الصيانة بسبب عدم وجود أجزاء متحركة. يعمل الكشف الأمثل للإشارة على التخلص من البنية التحتية الباهظة الثمن لتخفيف الضوضاء، ويعوض انخفاض تكاليف الصيانة والإصلاح في نقاط القياس الاستثمار الأولي المرتفع. بالنسبة للتطبيقات ذات القطر الكبير-، يوفر التثبيت-في الإصدارات توفيرًا كبيرًا في تكاليف التثبيت.
س: ما هي الصيانة الروتينية المطلوبة وكم مرة؟
ج: تم تصميم مستشعرات تدفق الغاز بالموجات فوق الصوتية من أجل عمليات صيانة منخفضة-، مع الصيانة النموذجية بما في ذلك تنظيف وجه المسبار على فترات زمنية مدتها 1-6 أشهر اعتمادًا على ظروف الموقع، وفحص نظام التطهير ومرشحات الهواء، وإعادة المعايرة من حين لآخر إذا لزم الأمر. في البيئات المتربة مثل تطبيقات غاز المداخن، تعمل أنظمة التطهير الآلية التي تستخدم 0.1-0.6 ميجاباسكال من هواء الجهاز النظيف بمعدل 3-6 لتر/دقيقة على إبقاء وجوه المستشعر نظيفة ومنع انحراف القياس. يمكن استبدال المستشعرات في الموقع وتحت الضغط باستخدام تكوين التوصيل والتشغيل، ولا يتأثر تشغيل العداد بشكل مباشر بالشوائب الموجودة على جدران الأنابيب.
س: ما هي حدود درجة حرارة التشغيل والضغط لأجهزة استشعار تدفق الغاز بالموجات فوق الصوتية؟
ج: تم تطوير محولات الطاقة لتحمل درجات الحرارة من -260 درجة فهرنهايت لقياس الغاز الطبيعي المسال إلى 500 درجة فهرنهايت لتطبيقات محطات توليد الطاقة. تتعامل المستشعرات الحديثة عادةً مع -40 درجة إلى +170 درجة (-40 درجة فهرنهايت إلى +338 درجة فهرنهايت) للتطبيقات القياسية، مع إصدارات متخصصة ذات درجة حرارة عالية قادرة على العمل من 150 درجة إلى 550 درجة (+302 درجة فهرنهايت إلى +1022 درجة فهرنهايت). تمتد نطاقات الضغط من 1 بار إلى 300 بار (14.5 إلى 4350 رطل لكل بوصة مربعة)، مع أجهزة استشعار تعمل بترددات قياسية تبلغ 120 أو 200 كيلو هرتز. بالنسبة لتطبيقات الضغط المنخفض، يتطلب نقل الصوت الحد الأدنى من كثافة الغاز، وتتيح تقنية موجة لامب القياس وصولاً إلى الضغط القريب من الغلاف الجوي.
