Работен принцип и калибриране на ултразвуковия пропускник

Ултразвуковият разходомер е разходомер от скоростен тип, който използва ултразвукови импулси за измерване на потока на течности. Той осигурява работа без контакт, широк диапазон на измерване, лесна преносимост и инсталиране, добра адаптивност към диаметри на тръби, леснота на употреба и леснота на цифровизиране. Използва се широко за измерване на скорост и разход на газове и течности на място. Тази статия представя принципите на проектиране на най-често използваните ултразвукови разходомери, анализира и оценява несигурността на измерванията при грешки, както и обсъжда методи за подобряване на точността на измерванията на място.

I. Принцип на измерване на ултразвуковите разходомери

Принципът на работа на ултразвуковия водомер е показан на фигура 1. Инсталирани са два ултразвукови сензора: трансдюсер A, поставен надолу по течението, излъчва ултразвукови импулсни сигнали, а трансдюсер B, поставен нагоре по течението, ги получава. Трансдюсерите са монтирани извън тръбопровода по метода Z, по един от всяка страна на тръбопровода с флуид, на определено разстояние. Вътрешният диаметър на тръбопровода е d, скоростта на ултразвука надолу по течението е V, а ъгълът θ между посоката на разпространение на ултразвука и посоката на течението на флуида е θ.

2. Анализ на несигурността при измерване

Скоростта на течението на флуида според формула (3) се състои от четири части: вътрешният диаметър на тръбата d, теоретичната скорост на звука C в измервания флуид, тангенсът на ъгъла на пречупване на звуковата вълна tanθ и разликата във времето Δt между течението напред и назад на флуида през трансдюсерите AB. Анализът на несигурността при измерване е както следва.

1. Оценка на несигурността, въведена от повторяемостта на измерването на вътрешния диаметър на тръбата d

Според стандарта, номиналният диаметър на тръбата D и дебелината на тръбата s са само приблизителни номинални размери. Външният диаметър на тръбата D и дебелината на тръбата s трябва да се измерват всеки път. Следователно, тази несигурност има две компоненти, а именно повторяемост на измерването на обекта и несигурност на измервателния инструмент, използван на място. Според нашия практически опит от измервания на терен, несигурността при измерване на вътрешния диаметър на тръбата d обикновено е Urel (d) = 0.5% (k = 2); следователно стандартната несигурност, въведена от измерването на вътрешния диаметър на тръбата d е:

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

2. Оценка на несигурността, въведена от измерването на скоростта на звука в течността C, urel(C)

Според техническите данни, тази несигурност се оценява като клас B. Несигурността при измерване на скоростта на звука в измерваната течност е:

Urel(C) = 0,6% (k = 2). Това може директно да се цитира:

urel (C) = Urel (C) / k = 0,6% / 2 = 0,3%

3. Несигурност, въведена от измервателната повторяемост на разстоянието l между преобразувателите A и B

Оценка на несигурността на urel (l). Измервателната несигурност на разстоянието l между преобразувателя A по течението и преобразувателя B срещу течението включва две компоненти: измервателната повторяемост на измерваното тяло и измервателната несигурност на използвания на място измервателен инструмент. Въз основа на нашия реален опит от полеви измервания, стандартната несигурност, въведена от измервателната повторяемост на разстоянието l между преобразувателите A и B, е

Urel(l) = 0,6% (k = 2):

Urel(l) = s/k = 0,5%/2 = 0,25%

4. Въведение във времевата разлика Δt между течението по посока на течението и обратното течение през преобразувателите AB

Определяне на несигурността u(Δt) Разликата във времето Δt между транспортното и обратното течение през преобразувателите AB в ултразвуков измервател на поток е измерена чрез изваждане на времето t1 от импулса, предаден от преобразувател A към B в посоката на потока, и t2 от импулса, предаден от B към A в обратната посока (виж Фигура 1). Според формула (1), компонентите на несигурността се определят предимно от разстоянието l между преобразувателя по течението A и преобразувателя срещу течението B, вътрешния диаметър d на тръбата и скоростта на звука C в измерваната течност. Точността на измерване на времето и честотата е най-висока сред всички области на измерване. Грешката, предизвикана от тайминг измерването на импулса на ултразвуковия измервател на поток, може да се пренебрегне. Разстоянието l, вътрешният диаметър d на тръбата и скоростта на звука C в измерваната течност са включени в други компоненти на несигурността. Следователно, несигурността u(Δt), въведена от разликата във времето Δt между течностите по течението и срещу течението, преминаващи през преобразувателите AB, може да се пренебрегне.

III. Методи за подобряване на точността на ултразвуковите разходомери при полеви измервания

При полеви измервания, първата стъпка е да се направи задълбочен анализ на различни фактори. Всички тези фактори имат определено влияние върху крайния резултат от измерването, както е показано по-долу.

1. Влиянието на несигурността в скоростта на звука C и емпирични методи за подобряване на точността на полеви измервания

Преди започване на измерванията на терен, трябва да се осигури измерваната среда. Ако средата е газ, трябва да се посочи конкретният състав на газа, работната температура и работното налягане. Скоростта на ултразвуковото звучене може да се определи чрез консултация със съответните стандарти, като се използва гореспоменатата информация. Влиянието на скоростта на звука C на работната среда върху ултразвуковия разходомер ще има по-малко влияние върху резултатите от измерването. Ако средата е течност, трябва да се посочи конкретното име на течността, работното налягане, работната температура, наличието на възвисени частици в течността. Настройката на скоростта на звука трябва да отчита ефектите от температурата. Скоростта на звука във водните разтвори е по-голяма от тази на водата, а за повечето течности, колкото по-висока е температурата, толкова по-бърза е скоростта на звука. Когато в течността има много частици (но в рамките на измервателния обхват), съществуват два подхода: 1. Еднакво разпределени частици. В този случай сигналът е относително стабилен, което затруднява откриването чрез измерване. За измерваната среда трябва да се посочи причината и вида на частиците. След като се определи вида на частиците, скоростта на звука на течността може да се коригира подходящо, а качеството на сигнала може да се сравни, за да се получат по-точни резултати от измерванията. ② При случай на нееднородни частици интензитетът на сигнала значително ще колебае. В този случай най-добрият подход е да се извърши измерване за по-дълъг период от време и да се усреднят показанията в няколко точки с добро качество на сигнала.

2. Разстояние l между преобразувателите A и B и вътрешния диаметър d на тръбопровода

Влиянието на повторяемостта на измерванията и методите за подобряване на точността на измерванията на място: При избора на измервателния тръбопровод изберете права и стабилна секция от работната среда, намираща се на разстояние от помпената станция и вентила. Ако средата в тръбопровода е течност, изберете участък от тръбата, където е по-малко вероятно да се образува утайка в долната част и натрупване на въздух в горната част. Първоначално извършете измерване с вертикално монтирани сонди, след което хоризонтално. Ако разликата между двете измервания е в рамките на максимално допустимата грешка на ултразвуковия разходомер, при непроменени други параметри, продължете към следващото измерване след допълнителни параметрични настройки. В противен случай изберете друг тръбопровод за измерване (ако разликата между двете измервания надвишава допустимата грешка на ултразвуковия разходомер, това означава, че тръбният участък не е напълно запълнен с работната среда).

При задаване на детайлни параметри за следващото измерване, основните фактори, които влияят на точността на измерването, са разстоянието l между преобразувателите А и В и вътрешният диаметър d на тръбата. Разстоянието l обикновено се измерва с помощта на стоманена линия или шублер, въз основа на разстоянието l. За измерване на вътрешния диаметър d на тръбата, при малки външни диаметри на тръбата, може директно да се използва шублер. При по-големи тръби е най-добре да се използва прецизна стоманена линия за измерване на обиколката, а след това да се изчисли диаметърът. При измерване на тръби със сериозни вътрешни отлагания и замърсяване, параметърът на тръбната стена s може да бъде увеличен, а скоростта на звука в стената може да бъде намалена. При измерване на тръби със сериозна вътрешна корозия, параметърът на тръбната стена s може да бъде намален, но скоростта на звука в стената остава непроменена.

Въз основа на принципа на ултразвуковите разходомери с преобразувателен времеви метод, в тази статия се анализира и оценява несигурността при измерване на грешките на ултразвуковите разходомери. Въз основа на годините опит на нашия институт в полеви изпитания на ултразвукови разходомери, ние предлагаме и обясняваме няколко ключови точки за подобряване на точността на полевите измервания на ултразвукови разходомери.