SSaavvrreemmeennaa mmeerreennjjaa ii rreegguullaacciijjaa--oossnnoovvnnii kkuurrss

2.25

UUUllltttrrraaazzzvvvuuučččnnniii mmmeeerrraaačččiii ppprrroootttoookkkaaa Uvod

ltrazvučni merači mere protok na osnovu interakcije toka fluida i ultrazvučnog talasa

koji prolazi kroz fluid. Kod ove vrste merača na rezultate merenja ne utiče temperatura, gustina, pritisak ili provodljivost fluida. Koriste se za merenje protoka čistih tečnosti, ali se toleriše i prisustvo male količine gasa ili čvrstih čestica. Osnovne prednosti ovakvog načina merenja protoka i fizičko-tehničkih karakteristika ultrazvučnih senzora su da

Imaju tačnost do 0.5% merenog protoka.

Imaju merni opseg od 0-45000 m3/h u senzorskoj izvedbi.

Prave se u veličinama od DN 50 do DN 4000 (SONOKIT).

Mogući temeperaturni opseg merenog medija je od –400C do +2000C.

Praktično neosetljivi na promene teperature, gustine, pritiska provodljivosti fluida.

Ne remete tok fluida, moguća je instalacija pod pritiskom, bez

zaustavljanja procesa.

U

SSaavvrreemmeennaa mmeerreennjjaa ii rreegguullaacciijjaa--oossnnoovvnnii kkuurrss

2.26

Pricip rada ultrazvučnih merača protoka Od više poznatih metoda ultrazvučnog merenja protoka u upotrebi su najčešće tri, i to metodi koji su zasnovani na merenju:

vremena prolaza talasa kroz fluid

promene faze talasa

promene frekvencije talasa

Ovde ćemo razmotriti princip rada ultrazvučnih merača protoka koji primenjuju metod zasnovan na merenju vremena prolaza ultrazvučnog talasa kroz fluid, jer se ovaj metod najčešće primenjuje u praksi. Brzina prostiranja ultrazvuka c u fluidu koji miruje je poznata za dati fluid. Međutim, ako se fluid kreće kroz cevovod brzinom v, ukupna brzina prostiranja ultrazvuka biće određena vektorskim zbirom ove dve brzine,c+v. Krećući se od tačke A do tačke B, to jest nizvodno (Slika 1.), ultrazvučni talas ima brzinu c + v*cosθ, dok u suprotnom smeru brzina iznosi c - v*cosθ. Vremena prolaza ultrazvučnog talasa nizvodno (t1) i uzvodno (t2) data su izrazima:

θθ coscos 21 vcLt

vcLt

−=

+=

gde je L rastojanje između tačaka A i B (L=D/sinθ , D je unutrašnji prečnik cevi). Razlika vremena prolaza nizvodno i uzvodno je

θθθ

tgcvD

vcvLttt 222212

2cos

cos2≈

−=−=∆

A

B

Slika 1. Princip rada ultrazvučnog merača protoka

θ

A

B

cr

vr D

SSaavvrreemmeennaa mmeerreennjjaa ii rreegguullaacciijjaa--oossnnoovvnnii kkuurrss

2.27

pri čemu se smatra da je brzina v mnogo manja od brzine ultrazvučnog talasa c, što odgovara realnim uslovima. Može se pokazati da je protok srazmeran ovoj vremenskoj razlici, odnosno da važi relacija

2TtkQ ∆⋅

=

gde je Q zapreminski protok a k kalibracioni faktor, ∆t razlika vremena prolaza, T vreme prelaza ultarzvučnog talasa od tačke A do tačke B. Vrednost vremenskog intervala ∆t je veoma mala (∆t=10-6 do 10-7) i oko 1000 puta je manja od vremena T. Naime, velika razlika između dve relevantne vremeske konstante znači da je egazaktno merenje vremena T, od fundamentalnog značaja u praktičnoj realizaciji ove vrste protokomera. Takođe, nelinearna zavisnost od parametra T je zančajan faktor u analizi osteljivosti kod ove vrste merenja protoka. Praktična realizacija ultrazvučnih merača protoka Praktična realizacija merača biće objašnjena na primeru merača tipa Sonoflow® firme Danfoss. Merač se sastoji od dva para prijemnika/predajnika zvučnog talasa (tzv. transdjuseri) postavljenih paralelno jedan pored drugoga, pod uglom θ u odnosu na osu cevi kroz koju protiče fluid. Istovremeno oba para emituju ultrazvučni talas, jedan par nizvodno a drugi uzvodno. Ovi talasi stižu do naspramnih transdjusera u različitim vremenskim trenucima, kao što je objašnjeno pri razradi principa rada ovih uređaja. Transdjuseri su povezani sa tzv. konvertorima signala koji sadrže mikroprocesorku jedinicu. Ovde se vrši merenje vremenske razlike u pristizanju uzvodnog i nizvodnog ultrazvučnog talasa. Merenjem ove vremenske razlike, kao što je pokazanao, uz odgovarajući kalibracioni faktor, koji se određuje eksperimentalno pri kalibraciji instrumenta, izračunava se zapreminski

Slika 2. Principijelna šema ultrazvučnog merača protoka

SSaavvrreemmeennaa mmeerreennjjaa ii rreegguullaacciijjaa--oossnnoovvnnii kkuurrss

2.28

protok tečnosti. Principijelna šema merača prikazana je na Slici 2., dok (Slika 3.) prikazuje izgled merača i konvertora signala. U zavisnosti od potreba korisnika, spoljni dizajn merača i konvertora kao i njihove dimenzije mogu varirati u širokom opsegu. Posebnu pažnju potrebno je posvetiti detekciji signala. Naime, moguće je da se eventualne smetnje i šumovi detektuju kao pristizanje ultrazvučnog talasa i na taj način se dobijaju netačne informacije o protoku. Zbog toga se na prijemniku vrši upoređivanje pristiglog signala sa poznatim referentnim signalom, i na taj način se eliminišu eventualne greške. O podudaranju pristiglog i referentnog signala govori tzv. korelacioni koeficijent koji ima vrednosti između 0 (najveća razlika) i 1 (potpuno podudaranje pristiglog i referentnog signala). Vrednosti korelacionih koeficijenata su dostupne korisniku i na osnovu njihovih vrednosti, može se analizirati kvalitet merenja protoka. Vrednosti korelacionih koeficijenata za neke slučajeve prikazane su na Slikama 4, 5 i 6.

referentni signal

primljeni signal

korelacioni koeficijent

0.5

1 0

Slika 4. Nepodudaranje signala (korelacioni koeficijent=0)

Slika 3. Izgled merača protoka i konvertora signala firme Danfoss

SSaavvrreemmeennaa mmeerreennjjaa ii rreegguullaacciijjaa--oossnnoovvnnii kkuurrss

2.29

Obrada signala, odnosno određivanje korelacionih koeficijenata vrši se u mikroprocesorskim jedinicama smeštenim u konvertorima signala čime se mogućnost pogrešnog detektovanja signala svodi na najmanju moguću meru.

korelacioni koeficijent

0.5

1 0

referentni signal

primljeni signal

Slika 5. Potpuno podudaranje signala (korelacioni koeficijent=1)

0.5

0 1 korelacioni koeficijent

referentni signal

primljeni signal

Slika 6. Delimično podudaranje signala (korelacioni koeficijent=0.1)

SSaavvrreemmeennaa mmeerreennjjaa ii rreegguullaacciijjaa--oossnnoovvnnii kkuurrss

2.30

Način ugradnje i izbor ultrazvučnih merača protoka Na tačnost merenja, odnosno obezbeđivanje pune tačnosti merenja prema specifikaciji proizvođača (podsećamo da proizvođač propisuje tačnost do 0.5%) utiču razni faktori, kao na primer:

Način ugradnje. Tip pumpe, odnosno promene protoka. Dinamika ventila vezanih za protokomer (posebno pri doziranju). Izbor senzora i njegovo konfigurisanje. Temperatura i pritisak kod zapreminskog protoka. Promene viskoznosti. Odsecanje protoka malog inteziteta.

Jasno je da se sa stanovišta korisnika ne može uticati na sve ove faktore, zato je naglasak dat na subjektivnim faktorima: načinu ugradnje i izboru senzora. No, važno je voditi računa i o ostalim činiocima i njihovom značaju. O njima će biti više reči u praktičnom delu ove skripte. Šta se može meriti

Tečnost sa <2% gasa ili vazduha Tečnost sa <2% čvrstih sastojaka Tečnost viskoznosti <350 Cst

Način ugradnje. U nastavku su na slikovit način dati osnovni principi ugradnje ultrazvučnih merača protoka. Napominjemo da je reč o najvažnijim principima i da pojedini proizvođači mogu postaviti i neka dodatana ograničenja.

Pri montaži ultrazvučnih merača protoka postoje izvesna ograničenja i preporuke za položaj merača u cevovodu. Tako na primer za ultrazvučni merač Danfos Sonoflow®, preporuka je da merač bude barem 10×Di (unutrašnjih poluprečnika senzora) iza krivine u cevovodu. Za pumpu ovo rastojanje iznosi najmanje 20×Di a za suženje cevovoda (ventili, prigušnice i sl.) najmanje 40×Di. Rastojanje do pumpe, ventila ili krivine u

min 10 x Di

min 20 x Di

min 40 x Di

min 3 x Di

Slika 7. Pravilan položaj merača u cevovodu

SSaavvrreemmeennaa mmeerreennjjaa ii rreegguullaacciijjaa--oossnnoovvnnii kkuurrss

2.31

! Slika 10. Protokomer nisko u cevovodu.

L1 L2

Slika 8. Montaža iza dvostrukog savijanja cevi u jednoj ravni

cevovodu iza merača ne bi trebalo biti manje od 3×Di (Slika 7).

Iza dvostrukog savijanja cevi u jednoj ravni merač treba postaviti tako da rastojanja prikazana na Slici 8 iznose za jedno-struki merač (ima jedan par transdjusera) najma-nje L2=25×Di a za dvostruki L2=15×Di. L1 za obe vrste merača treba da je najmanje 3×Di.

U slučaju dvostrukog savijanja cevi u dve ravni, preporučuje se da rastojanja prikazana na Slici 9. iznose najmanje L2=40×Di za jednostruki, odnosno L2=20×Di za dvostruki merač. L1 za obe vrste merača treba da je najmanje 3×Di.

Montaža Da bi se izbeglo postojanje vazdušnih čepova, pri horizontalnoj montaži senzor treba da bude nisko u cevovodu (Slika 10.). Senzor mora uvek biti pun tečnosti (Slika 10. i Slika 11.), zato treba strogo izbegavati:

Instalaciju u najvišoj tački cevovoda (Slika 12.) Vertikalnu instalaciju, pri slobodnom oticanju vode (Slika 12.)

L1 L2

Slika 9. Montaža iza dvostrukog savijanja cevi u dve ravni

SSaavvrreemmeennaa mmeerreennjjaa ii rreegguullaacciijjaa--oossnnoovvnnii kkuurrss

2.32

Izbor senzora. U izbor senzora treba ugraditi tehnološko-tehnička znanje o procesu u okviru kojeg je potrebno izvršiti merenje. Postupak odabira senzora nije uvek jednostavan i u nastavku je data osnovna procedura, koju treba slediti da bi senzor bio izabran na pravi način. 1. korak Utvrditi vrednosti osnovnih parametara procesa koji su merodavni za izbor merača protoka, to jest:

maksimalni protok fluida koji će se javiti u eksploatacionim uslovima

maksimalni pritisak u sistemu radnu temperaturu procesa

2. korak Na osnovu gore navedenih parametara korišćenjem tabele za dimenzionisanje merača protoka u uputstvu za upotrebu izabrati senzor koji najbolje zadovoljava eksploatacione uslove. Kod merača protoka tipa Sonoflow® odabir senzora se uglavnom svodi na dimenzionisanje prečnika samog senzora. Izbor se vrši tako što se sa poznatim granicama u kojima se kreće protok tečnosti u sistemu i vodeći računa da brzina tečnosti u sistemu treba da je između 0.5 i 10 m/s iz tabele određuje odgovarajući prečnik senzora. Ukoliko zahtevima korisnika odgovara više veličina prečnika, treba voditi računa o tome da su merači manjeg prečnika jeftiniji, ali da se kod njih javlja veći pad pritiska i obrnuto. Nakon toga se u zavisnosti od potreba korisnika vrši izbor varijante merača i konvertora signala.

!

Slika 11. Protokomer mora biti pun tečnosti.Slika 12. Greške kod instalacije protokomera.

Parametri procesa: maksimalni protok pritisak temperatura