Sensores ultrassônicos de fluxo de gás, também conhecidos como medidores ultrassônicos de fluxo de gás, representam tecnologia avançada de medição para meios gasosos (incluindo gás natural, ar comprimido e gases de processo). Esses dispositivos não{1}invasivos utilizam ondas ultrassônicas para medir o fluxo de gás sem contato físico com o meio fluido, proporcionando excelente precisão e confiabilidade em diversas aplicações industriais. Este guia explora os princípios de funcionamento, projeto estrutural e aplicações práticas de sensores ultrassônicos de fluxo de gás.
Princípio de funcionamento do sensor de fluxo de gás ultrassônico:
O núcleo dos sensores ultrassônicos de fluxo de gás é o uso de ondas sonoras para medir a velocidade do gás. O método principal é o princípio do tempo de trânsito, em que transdutores ultrassônicos (sensores) emitem pulsos que viajam através do fluxo de gás. Dois transdutores são posicionados de forma que um envie sinais a jusante (com o fluxo) e o outro envie sinais a montante (contra o fluxo). A diferença de tempo (Δt) entre esses caminhos é proporcional à velocidade do gás (V), calculada pela seguinte fórmula:
onde L é o comprimento do caminho e t0 é o tempo médio de trânsito. A vazão volumétrica é então calculada multiplicando-se pela área-da seção transversal do tubo. Outra variante é aEfeito Doppler, onde as ondas são refletidas em bolhas ou partículas no gás, e a mudança de frequência indica a velocidade-ideal para gases contendo impurezas. Modelos avançados empregam ondas de cisalhamento para transmissão direta ou ondas Lamb, que fazem a parede do tubo ressoar para amplificar sinais em baixa-pressão ou gases atenuantes. Configurações de múltiplos-caminhos (como 4 ou 6 caminhos) calculam a média das medições ao longo do tubo para lidar com fluxos turbulentos ou assimétricos, melhorando a precisão. Este diagrama ilustra oconfiguração do tempo-de transporte público, mostrando como os sinais upstream e downstream diferem com base no fluxo.
Estrutura do sensor ultrassônico de fluxo de gás multi-canal
A composição dos medidores de vazão ultrassônicos de gás multicanais inclui principalmente quatro partes: corpo principal do medidor de vazão ultrassônico, transmissor de pressão, transmissor de temperatura inteligente e computador de vazão. O medidor de vazão ultrassônico é composto principalmente por dois componentes principais: Um é a seção do tubo de medição equipada com vários pares de transdutores ultrassônicos (também conhecido como instrumento primário); A outra é a unidade de processamento de sinal (SPU) com medição, exibição instantânea de vazão e funções de comunicação, comumente chamada de instrumento secundário. O diagrama a seguir mostra o diagrama de blocos de um dispositivo ultrassônico multi-canal
medidor de vazão.
O instrumento secundário pode se conectar diretamente aos sensores de pressão e temperatura do gás na tubulação e, por meio da conversão de sinal interno e cálculo de compensação, completar o efeito de compensação da temperatura e pressão na tubulação na vazão volumétrica do gás, completando de forma independente a medição da vazão volumétrica sem depender do computador de fluxo. Além disso, através do transmissor inteligente de temperatura e do transmissor de pressão, os sinais digitais de temperatura e pressão na tubulação também podem ser transmitidos ao computador de fluxo para compensar a velocidade instantânea do fluxo e os valores da vazão volumétrica medidos pelo instrumento secundário.
A parte do sensor do medidor de vazão ultrassônico de gás multi{0}canal refere-se principalmente à parte do pipeline de medição, e a análise estrutural do sensor de fluxo refere-se principalmente à conexão do pipeline de medição e às posições de distribuição da instalação de cada transdutor ultrassônico. A tubulação de medição de vazão é projetada e fabricada com faces finais de flange, conectadas na tubulação de transporte reta. No documento AGA No. 9 "Multi-Channel Ultrasonic Flow Meters for Measuring Natural Gas Flow" formulado pela American Gas Association em 1998, o trabalho de pesquisa já apontou que a distribuição assimétrica de velocidade persiste do ponto de ocorrência até 50D ou a jusante, e perfis de velocidade com vórtices podem existir em 200D ou mais (D é o diâmetro interno do pipeline de medição).
Portanto, em locais gerais de medição de vazão de gás industrial, a posição de instalação do medidor de vazão deve considerar a influência de estados de vazão complexos na medição da velocidade do vazão. De acordo com o padrão GB/T 18604-2023, as seguintes recomendações são propostas para a posição de instalação de medidores de vazão ultrassônicos de gás multi{7}}canais: O comprimento mínimo do tubo reto a montante é 10D, e o comprimento mínimo do tubo reto a jusante é 5D. Esta recomendação só pode ser estabelecida quando as condições a montante são relativamente ideais (como intensidade de vórtice muito pequena e distribuição de velocidade ligeiramente assimétrica) e deve ser considerada como o requisito mínimo para atender às necessidades de medição. Conforme mostrado na figura abaixo, os medidores de vazão ultrassônicos de gás multicanal precisam considerar a eficiência de propagação das ondas ultrassônicas, adotando transdutores ultrassônicos incorporados e instalados na tubulação de medição.
A figura abaixo mostra um diagrama esquemático do layout do canal para um sensor de medidor de vazão de gás ultrassônico multi-canal, ilustrando a estrutura do pipeline-em forma de anel medida por um medidor de vazão de gás ultrassônico cruzado de quatro-canais.
Os 4 canais estão dispostos respectivamente em diferentes camadas de fluxo, e os canais se cruzam quando vistos na direção y e são paralelos entre si quando vistos na direção z. A tubulação de medição consiste em um sensor composto com 4 canais formados por pares de transdutores ultrassônicos com frequência de operação de 200-250 kHz. O diâmetro do tubo D=300 mm e o ângulo φ entre cada canal e a direção axial é de 60 graus.
Cenários de aplicação da estrutura do sensor ultrassônico de fluxo de gás multi-canal
Sensores de fluxo de gás ultrassônicos multi{0}canais são cruciais em setores que exigem medição precisa de gás:
Indústria de Petróleo e Gás: Transferência de custódia, monitoramento de dutos, estações de compressão e detecção de vazamentos em sistemas de gás natural.
Química e Petroquímica: Medição de gases de processo em ambientes agressivos.
Geração e Fabricação de Energia: Monitoramento de emissões, controle de estoque e otimização de eficiência.
HVAC e serviços públicos: Fluxo de ar comprimido e biogás em edifícios ou tratamento de águas residuais.
Perguntas frequentes
P: Com que frequência os sensores ultrassônicos de fluxo de gás precisam de calibração?
R: Os sensores ultrassônicos de fluxo de gás exigem calibração inicial no comissionamento, com recalibração normalmente recomendada a cada 2 a 5 anos, dependendo da criticidade da aplicação. Para aplicações de transferência de custódia, a AGA-9 recomenda calibração em sete taxas de fluxo: 100%, 75%, 50%, 25%, 10%, 5% e 2,5% do fluxo máximo, com média de cada ponto de teste de 90 a 300 segundos. Variações de fabricação e diferenças na instalação da tubulação podem afetar a precisão, tornando a calibração essencial para um desempenho ideal. Ao contrário dos medidores mecânicos que oscilam significativamente, os medidores ultrassônicos mantêm uma precisão estável ao longo do tempo devido ao fato de não possuírem peças móveis, permitindo intervalos de recalibração menos frequentes.
P: Qual é o custo inicial versus o custo total de propriedade-de longo prazo?
R: Embora o investimento inicial em medidores de vazão ultrassônicos possa exceder os medidores tradicionais, o custo total de propriedade geralmente é menor devido à manutenção reduzida, tempo de inatividade mínimo e vida útil prolongada. Um único medidor de gás ultrassônico pode substituir dois medidores de turbina paralelos (trilhos de carga pequenos e principais), reduzindo custos de infraestrutura. Os medidores ultrassônicos têm custos iniciais caros, mas custos de configuração mais baixos do que algumas alternativas, com manutenção mínima devido à ausência de peças móveis. A detecção otimizada de sinal elimina a dispendiosa infraestrutura de atenuação de ruído e a redução dos custos de manutenção e reparo nos pontos de medição compensa o maior investimento inicial. Para aplicações de grande-diâmetro, as versões de fixação-proporcionam economias significativas nos custos de instalação.
P: Que manutenção de rotina é necessária e com que frequência?
R: Os sensores ultrassônicos de fluxo de gás são projetados para operação de baixa{0}}manutenção, com manutenção típica incluindo limpeza da face da sonda em intervalos de 1-seis meses, dependendo das condições do local, verificação do sistema de purga e filtros de ar e recalibração ocasional, se necessário. Em ambientes empoeirados, como aplicações de gases de combustão, sistemas de purga automatizados que usam ar de instrumento limpo de 0,1-0,6 MPa a 3-6 L/min mantêm as faces do sensor limpas e evitam desvios de medição. Os sensores podem ser substituídos no local e sob pressão usando a configuração plug-and-play, e a operação do medidor não é diretamente afetada por impurezas nas paredes dos tubos.
P: Quais são os limites operacionais de temperatura e pressão para sensores ultrassônicos de fluxo de gás?
R: Os transdutores foram desenvolvidos para suportar temperaturas de -260 graus F para medição de GNL a 500 graus F para aplicações em usinas de energia. Sensores modernos normalmente suportam -40 graus a +170 graus (-40 graus F a +338 graus F) para aplicações padrão, com versões especializadas de alta temperatura capazes de 150 graus a 550 graus (+302 graus F a +1022 graus F). As faixas de pressão vão de 1 bar a 300 bar (14,5 a 4.350 psi), com sensores operando em frequências padrão de 120 ou 200 kHz. Para aplicações de baixa pressão, a transmissão de som requer densidade mínima de gás, e a tecnologia de ondas Lamb permite medições até pressões próximas à atmosférica.
