Aktuální vydání

celé číslo

03

2021

Digitální transformace, chytrá výroba, digitální dvojčata

Komunikační sítě, IIoT, kybernetická bezpečnost

celé číslo

Měření průtoku s využitím ultrazvukové korelační metody

číslo 2/2002

Měření průtoku s využitím ultrazvukové korelační metody

Obr. 1.

Měřit průtok v plně zaplněných potrubích je v současné době poměrně snadné a v mnoha případech jde o zvládnutou rutinní úlohu. Obtížněji je průtok měřitelný v potrubích větších rozměrů, v profilech nepravidelných tvarů a v případech, kdy jsou  profily pouze částečně zaplněny. Hospodárně lze ve všech těchto aplikacích, a to i v prostředí s nebezpečím výbuchu, měřit průtok novinkou na trhu – ultrazvukovým průtokoměrem OCM Pro firmy Nivus (obr. 1).

Všeobecně

Průtok Q nemůže být měřen přímo, ale vypočítává se podle vztahu Q = Av, kde A je okamžitá plocha příčného řezu proudem kapaliny a v je okamžitá naměřená střední rychlost proudění kapaliny v tomto řezu.

Plocha řezu A obecně závisí na příčném profilu kanálu (smáčeného průřezu) a na výšce hladiny (hloubce h) proudící kapaliny. Ve zcela zaplněných potrubích, tj. ve většině potrubí, ve kterých je kapalina pod tlakem, se plocha A rovná ploše smáčeného průřezu příčného řezu. V případě částečně zaplněných profilů se hloubka toku (výška hladiny) měří, a to samostatným externím nebo integrovaným hladinoměrem, a okamžitá plocha řezu A se poté vypočítává.

Měření výšky hladiny integrovaným hladinoměrem

Obr. 2.

K měření výšky hladiny je možné použít nezávislý externí hladinoměr na principu ultrazvuku nebo popř. měření hydrostatického tlaku. Externí ultrazvukový senzor se zpravidla umísťuje nad hladinu. Vhodnější je ovšem měřit výšku hladiny ode dna ultrazvukovým senzorem, který je součástí senzoru pro měření rychlosti, tzv. integrovaným hladinoměrem (obr. 2).

Metoda měření výšky hladiny ode dna je výhodná pro svou přesnost, stabilitu, nulovou tzv. mrtvou zónu a necitlivost na další vlivy negativně ovlivňující přesnost měření, jako jsou pěna a nečistoty plovoucí na hladině apod.

OCM Pro – měření rychlosti proudění ultrazvukovou korelační metodou

Ultrazvukový senzor OCM Pro obvyklým způsobem vysílá do měřeného média krátké impulsy ultrazvukového vlnění a po vyslání ultrazvukového impulsu se vždy krátce přepne z vysílání na příjem. Drobné částečky nečistot anebo bubliny plovoucí v kapalině tvoří překážky odrážející vlnění zpět k senzoru. Z prodlevy mezi vysláním budicího impulsu a příjmem odrazů od jednotlivých překážek, dohromady tvořících odezvu na impuls (tzv. echo), lze určit okamžitou polohu částic (nečistot, bublin), od kterých se vlnění odrazilo. Každé echo přijaté senzorem je tudíž obrazem okamžité polohy určitých částic v kapalině. Zpracováním časové řady ech lze zjistit rychlost pohybu jednotlivých částic, a tedy i rychlost kapaliny, kterou jsou unášeny.

Obr. 3a. Obr. 3b.

Průtokoměr OCM Pro sleduje okamžitou polohu částic unášených v kapalině (a následně vyhodnocuje rychlostní profil a z něj skutečnou střední rychlost proudění v) celkem v šestnácti vrstvách průtočného profilu (obr. 2). Podrobněji je situace, s omezením na první tři vrstvy, tzv. měřicí okna, nejbližší k senzoru, ukázána na obr. 3.

Přijaté ultrazvukové echo je ve vyhodnocovací části průtokoměru digitalizováno, zpracováno a uloženo jako obraz proudění v čase t (obr. 3a). Obraz informuje o okamžité poloze částic E1 až E4 (En) unášených kapalinou. Za právě zpracovaným echem přichází s periodou T rovnou 0,5 až 4 ms echo další, které je po digitalizaci a zpracování uloženo do paměti jako obraz proudění v čase t + T. Částice E1 až E4 (En), pohybující se každá svou vlastní rychlostí, se za dobu T posunou do nových poloh (obr. 3b). Při známé době T a vzdálenosti, kterou částice za dobu T urazily ve směru podélné osy žlabu nebo potrubí, je již jednoduché stanovit okamžitou rychlost té které částice a potažmo rychlost proudění kapaliny v příslušném měřicím okně (vrstvě průtočného profilu).

Obr. 4.

O korelační metodě měření průtoku se hovoří proto, že dílčí odrazy od jednotlivých částic obsažené v echu se vyhledávají s použitím korelace. V řadě za sebou následujících obrazů proudění se k sobě jednotlivé odrazy od téže částice párují na základě tvarové podobnosti a vypočítává se posuv částice za dobu T, jak je naznačeno na obr. 4.

Celý proces vyslání impulsu, záznamu ultrazvukového echa, vytvoření obrazu z echa a jeho porovnání s obrazem předchozího echa se v OCM Pro opakuje s frekvencí 250 až 2 000 Hz. Rychlosti proudění v každé ze šestnácti vrstev průtočného profilu jsou s použitím velmi výkonného signálového procesoru (DSP, 24 b/50 MHz) vypočítávány v reálném čase. Skutečný rychlostní profil je integrován z dílčích rychlostí charakteristických pro každou jeho vrstvu (měřicí okno).

Tab. 1. Základní technické údaje OCM Pro

Napájení 85 až 260 V/50 až 60 Hz, nebo 24 V DC ±15 %, max. 20 V·A
Displej grafický, rozlišení 128 × 128 bodů
Měřená rychlost –1 až +4 m/s
Přesnost měření rychlosti ±1 % z měřené hodnoty nebo ±5 mm/s (co je větší)
Rozsah a přesnost měření výšky hladiny 2 m; 5 m s externím hladinoměrem s přesností ±2 mm
Provedení Ex: II(2)G EEx ib IIB T4
Pracovní teplota –20 až +50 °C (ponorné senzory do ±60 °C)
Délka kabelu senzoru 10 m, 30 m, 50 m, max. 100 m
Analogový vstup:
– externí hladinoměr
– tři kombinované senzory
4 × (0/4 až 20 mA)
4 až 20 mA (dvouvodičové provedení)
3krát rychlost, 3krát hladina
Analogový výstup 2 (4) × (0/4 až 20 mA)
Digitální výstup 2 (5) relé (přepínací kontakt) do 230 V AC/2 A, RS-232

OCM Pro měří popsaným způsobem rychlost proudění velmi přesně, aniž jsou nutné dodatečné kalibrace běžné u ostatních měřicích metod. Základní technické údaje průtokoměru obsahuje tab. 1. Měřením v několika vhodně zvolených řezech profilu lze získat prostorový (3D) obraz proudění.

Obr. 5.

Instalace senzorů

V praxi, kde se vyskytují kanály různých profilů a rozměrů, se k obsažení celého průtočného profilu zpravidla použijí dva až tři senzory. Instalovat je do jakéhokoliv kanálu různých rozměrů a tvaru je přitom velmi snadné. K měření průtoku odpadních vod jsou vhodné senzory s integrovaným hladinoměrem i bez něj (obr. 5). Navíc existuje speciální senzor určený k montáži do stěny potrubí. Náklady na instalaci senzorů jsou extrémně malé.

Jednoduchá obsluha

Při vývoji průtokoměru OCM Pro byl kladem maximální důraz na pohodlí uživatele, tj. na jednoduchou instalaci, programování, uvádění do provozu i obsluhu za provozu. Proto má OCM Pro přehledný prosvětlený displej, srozumitelné menu s možností volby jazyka (němčina, angličtina, francouzština) a může být ovládán z PC.

Na displeji průtokoměru je možné zobrazit veličiny jako průtok, hloubku a rychlost toku, celkový průtok aj., včetně rychlostí v jednotlivých vrstvách od senzoru až k hladině, takže je funkci OCM Pro možné kontrolovat s použitím přenosného průtokoměru.

Přenos dat a komunikace

K ukládání dat a jich přenosu do PC slouží v OCM Pro vyjímatelná paměťová karta s kapacitou 8 až 64 MB. Tuto kartu je možné použít i ke konfigurování přístroje a k přenosu aktuálních dat. PC může být připojen také přímo linkou RS-232. K dispozici jsou rovněž rozhraní pro modem a radiomodem a komunikační sběrnice CAN a Profibus.

Popsané přístroje dodává v ČR a SR firma Level Instruments spol. s r. o.

(Level Instruments)

Level Instruments
Přemyslovců 43
709 00 Ostrava
tel.: 069/662 26 18, 662 28 84, 0602 533 433
fax: 069/662 06 18
e-mail: info@levelin.cz
http://www.levelin.cz

Inzerce zpět