超音波ガス流量計としても知られる超音波ガス流量センサーは、ガス媒体 (天然ガス、圧縮空気、プロセスガスなど) の高度な測定技術を代表します。これらの非侵襲性デバイスは、超音波を利用して流体媒体と物理的に接触することなくガス流量を測定し、さまざまな産業用途で優れた精度と信頼性を提供します。このガイドでは、超音波ガス流量センサーの動作原理、構造設計、および実際の用途について説明します。
超音波ガス流量センサーの動作原理:
超音波ガス流量センサーの中核は、音波を使用してガス速度を測定することです。主な方法は通過時間原理です。超音波トランスデューサー (センサー) がガス流中を伝わるパルスを発します。{1} 2 つのトランスデューサーは、一方が下流 (流れに沿って) に信号を送信し、もう一方が上流 (流れに逆らって) に信号を送信するように配置されています。これらの経路間の時間差 (Δt) は、ガス速度 (V) に比例し、次の式を使用して計算されます。
ここで、L は経路長、t0 は平均通過時間です。次に、パイプの断面積を乗じて体積流量が計算されます。-。別のバリエーションは、ドップラー効果ここで、波はガス内の泡や粒子に反射し、周波数シフトは不純物を含むガスにとって理想的な速度を示します。{0}}高度なモデルでは、直接伝送にせん断波、またはパイプ壁を共振させて低圧または減衰ガス中の信号を増幅するラム波を採用しています。-マルチパス構成 (4 つまたは 6 つのパスなど) は、乱流または非対称の流れを処理するためにパイプ全体の測定値を平均化し、精度を向上させます。この図は、通過時間の設定-、上流信号と下流信号がフローに基づいてどのように異なるかを示しています。
マルチチャンネル超音波ガス流量センサーの構造
マルチチャンネルガス超音波流量計の構成は、主に超音波流量計本体、圧力発信器、インテリジェント温度発信器、フローコンピュータの 4 つの部分で構成されています。超音波流量計は、主に 2 つの主要なコンポーネントで構成されています。1 つは、複数の超音波トランスデューサー (主要計器とも呼ばれる) を備えた測定パイプ部分です。もう 1 つは、測定、瞬時流量表示、および通信機能を備えた信号処理ユニット (SPU) であり、一般にセカンダリ機器と呼ばれます。次の図は、マルチ-}チャンネル超音波のブロック図を示しています。
流量計。
二次機器はパイプライン内のガス圧力センサーと温度センサーに直接接続でき、内部信号変換と補償計算を通じて、ガス体積流量に対するパイプライン内の温度と圧力の補償効果を完了し、フローコンピューターに依存せずに独立して体積流量の測定を完了できます。さらに、インテリジェントな温度トランスミッターと圧力トランスミッターを介して、パイプライン内の温度と圧力のデジタル信号をフローコンピューターに送信して、二次機器によって測定された瞬間流速と体積流量値を補正することもできます。
マルチチャンネル気体超音波流量計のセンサー部分は主に測定パイプライン部分を指し、流量センサーの構造解析は主に測定パイプラインの接続と各超音波トランスデューサーの設置分布位置を指します。流量測定パイプラインは、フランジ端面を使用して設計および製造され、直線の輸送パイプラインに接続されます。 1998 年に米国ガス協会によって策定された AGA No. 9 文書「天然ガス流量を測定するためのマルチチャンネル超音波流量計」では、非対称の速度分布が発生点から 50D または下流まで持続し、200D 以上では渦を伴う速度プロファイルが存在する可能性があることが研究によってすでに指摘されています (D は測定パイプラインの内径です)。
したがって、一般的な工業用ガスの流量測定現場では、複雑な流れ状態が流速測定に与える影響を考慮して流量計の設置位置を決める必要があります。 GB/T 18604-2023 規格によれば、マルチチャンネルガス超音波流量計の設置位置について次の推奨事項が提案されています。上流側の最小直管長は 10D、下流側の最小直管長は 5D です。-この推奨事項は、上流の条件が比較的理想的である場合（渦強度が非常に小さく、速度分布がわずかに非対称である場合など）にのみ確立され、測定ニーズを満たすための最小要件と見なされるべきです。下図に示すように、多チャンネル気体超音波流量計では超音波の伝播効率を考慮する必要があり、測定配管に超音波振動子を埋め込み設置する必要があります。
以下の図は、マルチチャンネル超音波ガス流量計センサーのチャンネル レイアウトの概略図を示しています。これは、4 チャンネルのクロス超音波ガス流量計によって測定されたリング状のパイプライン構造を示しています。{{0}{1}
４つの流路はそれぞれ異なる流れ層に配置されており、ｙ方向から見ると互いに交差し、ｚ方向から見ると互いに平行である。測定パイプラインは、動作周波数 200 ～ 250 kHz の超音波トランスデューサのペアで形成された 4 つのチャネルを備えた複合センサーで構成されています。パイプ径D｛｛5｝｝mm、各流路と軸方向とのなす角度φは60度である。
マルチチャンネル超音波ガス流量センサー構造の応用シナリオ
マルチチャンネル超音波ガス流量センサーは、正確なガス測定を必要とする産業において非常に重要です。{0}
石油およびガス産業: 天然ガスシステムの保管輸送、パイプライン監視、コンプレッサーステーション、漏れ検出。
化学および石油化学: 過酷な環境でのプロセスガス測定。
発電と製造: 排出量の監視、在庫管理、効率の最適化。
HVAC およびユーティリティ: 建物内または廃水処理内の圧縮空気とバイオガスの流れ。
よくある質問
Q: 超音波ガス流量センサーはどのくらいの頻度で校正が必要ですか?
A: 超音波ガス流量センサーは試運転時に初期校正が必要ですが、アプリケーションの重要度に応じて通常 2 ～ 5 年ごとに再校正することが推奨されます。保管転送アプリケーションの場合、AGA-9 は、最大流量の 100%、75%、50%、25%、10%、5%、2.5% の 7 つの流量での校正を推奨しており、各テスト ポイントの平均は 90 ～ 300 秒です。製造上のばらつきや配管の設置の違いは精度に影響を与える可能性があるため、最適なパフォーマンスを得るには校正が不可欠です。大幅に変動する機械式メーターとは異なり、超音波メーターは可動部品がないため、長期間にわたって安定した精度を維持し、再校正間隔を少なくすることができます。
Q: 初期費用と長期的な総所有コストはどれくらいですか?{0}}
A: 超音波流量計への初期投資は従来の流量計を超える可能性がありますが、メンテナンスの削減、ダウンタイムの最小化、および耐用年数の延長により、総所有コストが低くなることがよくあります。 1 つの超音波ガス メーターで 2 つの並列タービン メーター (小型および主ロード レール) を置き換えることができるため、インフラストラクチャのコストが削減されます。超音波メーターは初期費用が高価ですが、一部の代替品よりもセットアップ費用が低く、可動部品がないためメンテナンスが最小限で済みます。最適化された信号検出により、高価なノイズ減衰インフラストラクチャが不要になり、測定ポイントでのメンテナンスと修理のコストが削減され、より高い先行投資が相殺されます。大口径の用途では、クランプ式-を使用すると、設置コストを大幅に節約できます。-
Q: 定期メンテナンスはどのような頻度で必要ですか?
A: 超音波ガス流量センサーはメンテナンスが少なくて済むように設計されています。通常のメンテナンスには、現場の状況に応じて 1{6}} 年ごとにプローブ面を清掃し、パージ システムとエア フィルターをチェックし、必要に応じて時々再校正することが含まれます。排ガス用途などの粉塵の多い環境では、0.1-0.6 MPa の清浄な計器用空気を 3-6 L/min で使用する自動パージ システムがセンサー面を清潔に保ち、測定値のドリフトを防ぎます。センサーはプラグアンドプレイ構成を使用して圧力下で現場で交換でき、メーターの動作はパイプ壁の不純物によって直接影響されません。
Q: 超音波ガス流量センサーの動作温度と圧力の限界はどれくらいですか?
A: トランスデューサは、-LNG 計量用の 260 度 F から発電所用途の 500 度 F までの温度に耐えるように開発されています。最新のセンサーは通常、標準用途では -40 度から +170 度 (-40 度 F ～ +338 度) を処理しますが、150 度から 550 度 (+302 度 F ～ +1022 度 F) に対応する特殊な高温バージョンもあります。圧力範囲は 1 bar ～ 300 bar (14.5 ～ 4350 psi) で、センサーは 120 または 200 kHz の標準周波数で動作します。低圧用途の場合、音の伝達には最小限のガス密度が必要であり、ラム波技術により大気圧近くまでの測定が可能になります。
