高速道路の近くに立って、救急車のサイレンの音が、こちらに向かって突進してくるときは大きくなり、スピードを上げて走り去っていくにつれて、ほとんど悲しげな音に聞こえることに気づいたことがあるなら、-おめでとうございます。あなたは、同じ物理現象を経験したことがあります。超音波流量計スティック。ほとんどの人はその瞬間のことを二度考えることはありません。エンジニアたちはそうしました。
超音波流量計は、音波をパイプで反射させることにより、液体がパイプ内を移動する速度を測定します。可動部品はありません。流体との直接接触はありません。音が移動、跳ね返り、移動するのと同じように音を鳴らしてください。-このテクノロジーは正確には新しいものではありませんが、過去数十年にわたって私たちが洗練してきた方法なのでしょうか？そこが興味深いところです。
誰も聞こえない音
超音波については次のとおりです。-文字通り「音を超えた」という意味です。これは 20 kHz を超える周波数のことであり、人間の耳で検出できる周波数をはるかに超えています。犬は元気になるかもしれませんが、あなたには何も聞こえません。メーターは目に見えない音響パルスをパイプ内に送り、次に何が起こるかに応じて流量の測定値を取得します。
2 つの主なアプローチが存在します。ドップラー タイプと通過時間タイプ。-同じ超音波 DNA を共有しているにもかかわらず、それらは根本的に異なる動物であり、アプリケーションに間違ったものを選択することは、ベンダーが認めたくないほど頻繁に起こる簡単な間違いです。
ドップラーバージョンに汚れた液体が必要な理由
ドップラー超音波計では、音を反射するために液体内に何かが必要です。粒子。泡。エンジニアが「音響的不連続性」と呼ぶものを生み出すもの。これらがなければ何も得られません。-信号はガラスを通る光のように通過するだけです。
このため、ドップラーメーターは廃水、スラリー、およそ 100ppm を超える浮遊物質を含むあらゆるものに最適です。最小粒子サイズは?多少の差はあれ、約 100 ミクロン。それ以下になると反射が頼りなくなります。メーターは、反射周波数が送信周波数と比較してどれだけシフトするかに基づいて速度を計算します。流量が高いほどシフトが大きくなります。理論的には十分シンプルです。
しかし、ここで人々がつまずくのです。メーターは液体そのものではなく、粒子の速度を測定するのです。通常は問題ありません。-粒子は流れに沿って移動します。ただし、非常に乱流の状況や成層の流れでは、妥当に見えても完全に正確ではない測定値が得られることがあります。知る価値があります。
輸送時間-: クリーンな液体の選択
移動時間メーターの動作は異なります。- 2 つのトランスデューサーがパイプを挟んで向かい合っています。 1 つはパルスを下流に送信し、もう 1 つはパルスを上流に送信します。静止液体では、両方のパルスが同時に到着します。流れを追加すると、下流のパルスは流れに乗ってより速く到着しますが、上流のパルスは流れに抗います。
二人の到着時間の差はどれくらいですか？それが流速です。
粒子は必要ありません。実際、粒子は状況をさらに悪化させます。-粒子は信号を散乱させ、精度を低下させます。輸送時間計にはきれいな液体が必要です。-水。油。特定の化学物質。きれいであればあるほど良いです。
理想的な条件下では精度は読み取り値の ±0.5% に達する可能性があり、これは非侵襲的測定としては非常に優れています。-現実世界の設置では、パイプの状態、流体の特性、設置の品質に応じて、通常 1- の間のどこかに落ちます。教科書の例では都合よく無視されているすべての変数です。
クランプ式-設置（そして誰もがそれを愛する理由）
ほとんどの超音波メーターは既存のパイプに直接クランプされます。穴あけはありません。シャットダウンはありません。保守監督者が近くで小さな心臓イベントを起こしている間は、加圧ラインを切断する必要はありません。
音響結合化合物-基本的には超音波グリース-を適用してトランスデューサーをパイプの外側にストラップし、パラメータを設定して、流量を測定します。天気の良い日であれば、このプロセス全体に 1 時間ほどかかる場合があります。これをオリフィス プレートやタービン メーターの取り付けと比較してください。排水ライン、パイプの切断、フランジの溶接、圧力テストが必要です...それに近いものではありません。
携帯性もまた、誰も十分に語らない利点です。同じクランプ式メーターでも、数十の測定点間を移動できます。- 30 個の個別の機器を購入せずに、施設全体の流量分布を監査できますか?それは実際に節約されたお金です。
パイプ壁の問題
完璧なものはありません。超音波信号はパイプ壁を 2 回通過する必要があります。-1 回目に入って 1 回目が出ます。壁の材質ごとに信号に与える影響は異なります。
ステンレス鋼は超音波を効率的に伝導しますが、場合によっては効率すぎる場合もあります。信号は液体を通過するよりもパイプの壁に沿って速く伝わる可能性があり、電子機器を混乱させるクロストークが発生します。炭素鋼の方が優れた挙動を示します。プラスチックパイプは適度に機能しますが、異なるトランスデューサー構成が必要です。コンクリート-で覆われたパイプ?銅？グラスファイバー-強化素材?それぞれに、「難しいが管理は可能」から「別のテクノロジーを見つける」までのさまざまな課題があります。
パイプライニングは特に問題があります。腐食から守るゴムのコーティング？超音波信号を完全に吸収してしまう可能性があります。劣化したライナーとパイプ壁の間に空隙はありますか?さらに悪いことに。一部の設置では、ライナーの状態が悪化すると精度が ±20% に低下するか、完全に故障することが報告されています。定期的な検査が大切です。
体温の変動とその他の頭痛
あらゆる媒体を通る超音波の速度は温度に依存します。液体が熱いほど、音の伝播が速くなります (通常)。メーターは数学的に補正しますが、測定中の極端な温度変動により誤差が生じる可能性があります。-音響パルスが刻一刻と変化する液体中を伝わる間に、電子機器が現在の温度に基づいて計算します。
最新のメーターのほとんどはこれにうまく対応します。それでも、プロセスに急速な熱サイクルが含まれる場合は、試運転中に問題を発見するのではなく、購入前にそのことをベンダーに伝えてください。
振動も同様の課題を引き起こします。近くにある重機が振動すると、トランスデューサーが音響結合から外れてしまう可能性があります。適切な取り付けはこの問題に対処しますが、「適切な取り付け」の意味は設置者によって異なります。安全な機械的取り付けと適切に適用された十分なカップリングコンパウンドにより、毎回派手なブラケットのデザインを打ち負かします。
フルパイプ要件
これは人々を不意を突いてしまいます。超音波流量計には完全に満たされたパイプが必要です。部分的に塗りつぶされた線は-重力供給システムや特大の配管でよく見られます-。-意味のない測定値が得られます。流量計は、速度から体積流量を計算するときに、液体が断面全体を満たしていると仮定します。-。パイプの半分しか液体が入っていない場合、実際の流量は表示される流量の半分になります。
一部のメーカーは、部分的に満たされたパイプ用の特殊な構成を提供していますが、コストと複雑さが増加します。パイプ全体の状態が保証されている場所や、特定の測定ポイントが単に超音波技術に適していないことを受け入れる場所に設置するのが簡単になります。
サイズの柔軟性
多くの流れ技術とは異なり、超音波メーターは非常に優れた拡張性を備えています。同じ基本原理が、0.5 インチのチューブから直径数メートルのパイプラインまで機能します。-海洋石油プラットフォームでは、大規模な原油移送ラインで超音波メーターが使用されています。製薬工場では、小規模なプロセスの流れでこれらを使用しています。異なるトランスデューサー サイズ、異なる取り付け構成、同じ物理学。
この製品群により、超音波はさまざまな配管サイズを持つ施設にとって魅力的な選択肢となります。 1 つのテクノロジーについて乗組員をトレーニングすることは、5 種類の異なるメーターにわたる専門知識を維持することよりも優れています。
実際に使用される場所
石油とガスは超音波市場を支配しており、特にパイプ内を移動する製品の量に基づいてお金が変わる一か八かの測定において、{0}{1}注目を集めています。 4、6、または 8 ペアのトランスデューサを備えたマルチパス通過時間計は、アプリケーションが要求する精度を実現します。-
上下水処理施設は、スラッジラインと流入水の監視にドップラータイプに大きく依存しています。化学処理では流体の特性に応じて両方のタイプを使い分けます。 HVAC システムは冷水と温水の監視に使用します。食品および飲料の用途では、汚染リスクを回避するクランプオン設計が好まれます。-
採掘作業ではドップラーメーターが激しく使用され、侵入したセンサーを数週間以内に破壊する研磨粒子を含むスラリーを測定します。メーターは液体に触れないため存続します。摩耗面はありません。交換部品はありません。パイプの外側にはトランスデューサーが静かに置かれているだけで、内側には殺人的なスラリーが流れています。
メンテナンスの現実
マーケティング資料では「メンテナンス不要」を主張することが好まれます。それは楽観的だ。より正確: 機械式メーターに比べてメンテナンスの必要性は最小限です。
トランスデューサは定期的な検査が必要です。カップリングコンパウンドが乾燥するとリフレッシュが必要になります。電子機器は時間の経過とともにドリフトするため、参照標準に対する検証が役立ちます。ファームウェアの更新により、バグが解決されたり、アルゴリズムが改善されたりします。ポータブルユニットの電池が消耗します。
これらはいずれも、回転コンポーネントを備えた容積式メーターや、最終的に故障するベアリングを備えたタービン メーター、または侵食されるシェダー バーを備えたボルテックス メーターのメンテナンスの負担に近づくものではありません。しかし、「最小限」は「ゼロ」ではありません。それに応じて予算を立てます。
コストに関する考慮事項
初期購入価格は、基本的な機械式メーターよりも高く、ハイエンドのコリオリや洗練された電磁設計よりは低くなります。{0}}クランプ-設置は、配管の変更が必要なインラインの代替方法と比較して、総導入コストを削減します。
長期的な経済性を考慮すると、通常は超音波が有利になります。-圧力降下がないということは、流量制限を通過して流体を押し出すエネルギーが無駄にならないことを意味します。接液部品がないため、腐食に関連した交換コストがかかりません。{3}}可搬性があるということは、1 つのメーターが複数の場所で使用できることを意味します。これらの利点が初期費用の高さを上回るかどうかは、お客様の特定の状況、予想される耐用年数、およびパイプを切断しないことをどの程度重視するかによって異なります。
最終的な考え（ある意味）
超音波流量計は、真のエンジニアリングの賢さを表しています。-不可聴音波の周波数シフトのような抽象的なものを使用して、液体の速度などの実用的なものを測定します。このテクノロジーは、1970 年代の初期の商業展開以来、かなり成熟しており、信号処理がよりスマートになり、トランスデューサーの設計が進化するにつれて改良が続けられています。
それらは普遍的な解決策ではありません。空気を含んだきれいな液体はドップラーメーターを混乱させます。粒子を多く含む-ストリームは、通過時間の設計を無効にします。-ライニングされたパイプは問題を引き起こします。パイプが部分的に満たされていると、より大きな問題が発生します。どのテクノロジーにも盲点があります。
しかし、適切な用途に対しては、代替技術ではなかなか達成できない精度、非侵襲性、信頼性の組み合わせを備えた超音波メーターが-多くあります。{{1}先ほどはトリビアのように思えた救急車のサイレンの物理学？産業用計装分野では年間数十億ドルの価値があることが判明した。クリスチャン・ドップラーはおそらくそれを面白いと思うでしょう。
