مبدأ العمل ومعايرة مقياس تدفق الموجات فوق الصوتية

مقياس تدفق الموجات فوق الصوتية هو مقياس تدفق من نوع السرعة يستخدم نبضات فوق صوتية لقياس تدفق السوائل. يتميز هذا الجهاز بتشغيل غير تلامسي، ومدى قياس واسع، وسهولة في الحمل والتركيب، وقدرة عالية على التكيف مع أقطار الأنابيب المختلفة، وسهولة الاستخدام، وسهولة التحويل الرقمي. ويُستخدم على نطاق واسع لقياس السرعة والتدفق للغازات والسوائل في الموقع. يقدم هذا المقال مبادئ التصميم لمقياس التدفق فوق الصوتي الأكثر استخدامًا، ويوّضح ويعّدل من عدم اليقين في قياس الأخطاء، ويناقش طرق تحسين دقة القياس في الموقع.

I. مبدأ القياس لمقياس التدفق فوق الصوتي

مبدأ تشغيل عداد التدفق فوق الصوتي موضح في الشكل 1. تم تركيب Probين (مجسّين) فوق صوتيين: المجسّ A المُرسِل يُرسل إشارات نبضات فوق صوتية، والمجسّ B المستقبل يستقبلها. تُثبت المجسّات باستخدام طريقة Z الخارجية المشبكية، أحدهما على كل جانب من أنبوب السائل على مسافة محددة. القطر الداخلي للأنبوب هو d، سرعة الصوت المتدفق في الاتجاه المعاكس للسائل هي V، والزاوية θ بين اتجاه انتشار الموجات فوق الصوتية واتجاه تدفق السائل هي θ.

2. تحليل عدم اليقين في القياس

معدل تدفق السائل وفقًا للمعادلة (3) يتكون من أربع أجزاء: القطر الداخلي للأنبوب d، السرعة النظرية للصوت C في السائل المقاس، مماس زاوية انكسار الموجة الصوتية tanθ، والفرق الزمني Δt بين تدفق السائل في الاتجاهين الأمامي والعكسي عند مروره عبر المجس AB. تحليل عدم اليقين في القياس يكون كما يلي.

1. تقييم عدم اليقين الناتج عن قابلية إعادة القياس لقطر الأنبوب الداخلي d

وفقًا للمواصفة **، فإن قطر الأنبوب الاسمي D وسمك الأنبوب s هما فقط أبعاد اسمية تقريبية. يجب قياس قطر الأنبوب الخارجي D وسمك الأنبوب s في كل مرة. لذلك، تتكون هذه الحالة من مكونين، وهما قابلية إعادة قياس الكائن المقاس وعدم يقين الجهاز المستخدم في الموقع. وفقًا لتجربتنا العملية في القياس في الموقع، يكون عدم يقين القياس للقطر الداخلي للأسطوانة d عمومًا Urel (d) = 0.5% (k = 2)؛ وبالتالي، يكون عدم اليقين القياسي الناتج عن قياس القطر الداخلي للأسطوانة d هو:

urel(d) = urel(d) / k = 0.5% / 2 = 0.25%

2. تقييم عدم اليقين الناتج عن قياس سرعة صوت السائل C، urel(C)

وفقًا للبيانات الفنية، تُصنف هذه عدم اليقين على أنها فئة B. عدم اليقين في قياس سرعة الصوت في السائل المقاس هو:

Urel(C) = 0.6% (k = 2). يمكن الاستشهاد بذلك مباشرة:

urel (C) = Urel (C) / k = 0.6% / 2 = 0.3%

3. عدم اليقين الناتج عن قابلية إعادة قياس المسافة l بين المستقبلين A وB

تقييم عدم اليقين urel (l). يحتوي عدم اليقين في قياس المسافة l بين المستقبل A المتدفق لأسفل والمستقبل B المتدفق نحو الأعلى على مكونين: قابلية إعادة قياس الجسم المقاس وعدم اليقين في قياس الجهاز المستخدم في الموقع. وبناءً على خبرتنا الفعلية في القياس الميداني، فإن عدم اليقين القياسي الناتج عن قابلية إعادة قياس المسافة l بين المستقبلين A وB عمومًا هو

Urel(l) = 0.6% (k = 2):

Urel(l) = s/k = 0.5%/2 = 0.25%

4. مقدمة عن الفرق الزمني Δt بين التدفق الأمامي والتدفق العكسي عبر المستقبلين AB

تقييم عدم اليقين u(Δt): يتم قياس الفرق الزمني Δt بين تدفق السائل في الاتجاه الأمامي والعكسي عبر المحولات الصوتية AB في عداد التدفق فوق الصوتي من خلال طرح الزمن t1 للنبض المنقول من المحول A إلى B في اتجاه التدفق الأمامي من الزمن t2 للنبض المنقول من B إلى A في الاتجاه العكسي (انظر الشكل 1). وبحسب المعادلة (1)، فإن مكونات عدم اليقين تتحدد بشكل أساسي من خلال المسافة l بين المحول السفلي A والمحول العلوي B، والقطر الداخلي للأنبوب d، وسرعة الصوت C في السائل المقاس. دقة القياس الزمني والتردد هي الأعلى بين جميع تخصصات القياس. يمكن تجاهل الخطأ الناتج عن قياس توقيت النبض في عداد التدفق فوق الصوتي. تدخل المسافة l والقطر الداخلي للأنبوب d وسرعة الصوت C في السائل المقاس ضمن مكونات أخرى لعدم اليقين. وبالتالي، يمكن تجاهل عدم اليقين u(Δt) المُدخَل من خلال الفرق الزمني Δt بين تدفق السائل العلوي والسفلي عبر المحولات AB.

III. طرق تحسين دقة القياس الميداني لعدادات التدفق فوق الصوتية

في القياسات الميدانية، يكون أول خطوة هي إجراء تحليل شامل لعوامل متنوعة. إن لهذه العوامل جميعها تأثير معين على نتائج القياس النهائية، كما هو موضح أدناه.

1. تأثير عدم اليقين في سرعة الصوت C والطرق التجريبية لتحسين دقة القياس الميداني

قبل أن تبدأ القياسات الميدانية، يجب توفير الوسيط المراد قياسه. إذا كان الوسيط غازًا، فيجب توفير تركيب الغاز المحدد، ودرجة حرارة التشغيل، وضغط التشغيل. يمكن الحصول على سرعة الصوت فوق الصوتي من خلال الرجوع إلى المعايير ذات الصلة باستخدام المعلومات المذكورة أعلاه. سيكون تأثير سرعة الصوت C للوسيط العامل على جهاز قياس تدفق الموجات فوق الصوتية أقل تأثيرًا على نتائج القياس. إذا كان الوسيط سائلًا، فيجب توفير اسم السائل المحدد، وضغط التشغيل، ودرجة حرارة التشغيل، ووجود جزيئات معلقة في السائل. يجب أن تأخذ إعدادات سرعة الصوت بعين الاعتبار تأثير درجة الحرارة. سرعة الصوت في المحاليل المائية أكبر من سرعته في الماء، ومعظم السوائل، كلما ارتفعت درجة الحرارة، زادت سرعة الصوت. عندما تحتوي السوائل على الكثير من الجزيئات (ولكن ضمن نطاق القياس)، هناك منهجيتان: 1. الجزيئات الموزعة بشكل متساوٍ. في هذه الحالة، يكون الإشارة مستقرة نسبيًا، مما يجعل من الصعب اكتشافها من خلال القياس. يجب أن يوفر الوسيط المراد قياسه سبب وجود الجزيئات ونوعها. بمجرد معرفة نوع الجزيئات، يمكن تعديل سرعة الصوت في السائل بشكل مناسب، ويمكن مقارنة جودة الإشارة للحصول على نتائج قياس أكثر دقة. ② في حالة الجزيئات غير الموزعة بشكل متساوٍ، ستتقلب شدة الإشارة بشكل كبير. في هذه الحالة، أفضل منهجية هي إجراء القياس لفترة طويلة من الزمن، ومن ثم أخذ متوسط القراءات من عدة نقاط ذات جودة إشارة جيدة.

2. المسافة l بين المحولات A وB والقطر الداخلي للأنبوب d

تأثير تكرار القياس وطرق تحسين دقة القياس في الموقع: عند اختيار خط أنابيب القياس، اختر قسمًا مستقيمًا ومستقرًا من وسط العمل، بعيدًا عن محطة المضخة والصمام. إذا كان الوسط داخل الأنبوب سائلًا، فاختر أيضًا قسم أنبوب أقل عرضة لتراكم الرواسب في الأسفل وتكاثف الهواء في الأعلى. قم بالقياس أوليًا مع تركيب المجس بشكل عمودي، ثم أفقيًا. إذا كان الفرق بين القياسين ضمن الحد الأقصى للخطأ المسموح به لعداد التدفق فوق الصوتي، مع بقاء باقي المعايير دون تغيير، انتقل إلى القياس التالي بعد إعداد المعايير الإضافية. وإلا، اختر قسم الأنبوب مرة أخرى للقياس (إذا تجاوز الفرق بين القياسين الخطأ المسموح به لعداد التدفق فوق الصوتي، فهذا يشير إلى أن قسم الأنبوب غير مملوء بالوسط العامل).

عند إعداد المعلمات التفصيلية للقياس التالي، فإن العوامل الرئيسية المؤثرة على دقة القياس هي المسافة l بين المجسات A وB والقطر الداخلي d للأنبوب. تُقاس المسافة l عادةً باستخدام مسطرة معدنية أو فرجار Vernier بناءً على المسافة l. ولقياس القطر الداخلي d للأنبوب، يمكن استخدام فرجار Vernier مباشرةً إذا كان القطر الخارجي للأنبوب صغيرًا. أما بالنسبة للأنابيب الأكبر حجمًا، فمن الأفضل استخدام مسطرة معدنية دقيقة لقياس المحيط ومن ثم حساب القطر. عند قياس الأنابيب ذات الرواسب والتكلس الداخلي الشديد، يمكن زيادتها معلمة جدار الأنبوب s وتقليل سرعة الصوت في الجدار. وعند قياس الأنابيب التي تعاني من تآكل داخلي شديد، يمكن تقليل معلمة جدار الأنبوب s، ولكن تظل سرعة الصوت في الجدار دون تغيير.

استنادًا إلى مبدأ عدادات تدفق الموجات فوق الصوتية ذات الزمن العابر، يحلل ويقيم هذا البحث عدم اليقين في قياس أخطاء عدادات التدفق الصوتية. وباستنادنا إلى سنوات الخبرة التي امتلكها معهدنا في الفحص الميداني لعدادات التدفق الصوتية، نقترح ونشرح عدة نقاط رئيسية لتحسين دقة القياس الميداني لعدادات التدفق الصوتية.