Principi de funcionament i calibració del mesurador de flux ultrasònic

Un cabrestant ultrasònic és un tipus de cabrestant de velocitat que utilitza polsos ultrasònics per mesurar el cabal del fluid. Té com a característiques l'operació sense contacte, un ampli rang de mesura, facilitat per al transport i la instal·lació, una gran adaptabilitat als diàmetres de les canonades, facilitat d'ús i facilitat per a la digitalització. S'utilitza àmpliament per a la mesura in situ de la velocitat i el cabal de gasos i fluids. Aquest article presenta els principis de disseny dels cabrestants ultrasònics més habituals, analitza i avalua la incertesa de mesura dels errors de mesura i discuteix els mètodes per millorar la precisió de les mesures in situ.

I. Principi de Mesura dels Cabrestants Ultrasònics

El principi de funcionament d'un medidor ultrasònic de cabal es mostra a la Figura 1. S'instal·len dues sondes ultrasòniques: el transductor A situat aigües avall emet senyals d'impuls ultrasònic, i el transductor B situat aigües amunt els rep. Els transductors es muntan mitjançant el mètode de pinça externa Z, un a cada costat d'una canonada de fluid a una distància determinada. El diàmetre interior de la canonada és d, la velocitat ultrasònica aigües avall és V, i l'angle θ entre la direcció de propagació de l'ultrasònic i la direcció del flux del fluid és θ.

2. Anàlisi de la incertesa de mesura

El cabal del fluid segons la fórmula (3) consta de quatre parts: el diàmetre interior de la canonada d, la velocitat teòrica del so C al fluid mesurat, la tangent de l'angle de refracció de l'ona sonora tanθ, i la diferència de temps Δt entre el flux directe i invers del fluid que travessa el transductor AB. L'anàlisi de la seva incertesa de mesura és el següent.

1. Avaluació de la incertesa introduïda per la repetibilitat de la mesura del diàmetre interior del tub d

Segons l'estàndard **, el diàmetre nominal del tub D i el gruix del tub s són només dimensions nominals aproximades. Cada vegada s'ha de mesurar el diàmetre exterior del tub D i el gruix del tub s. Per tant, aquesta incertesa té dues components, a saber, la repetibilitat de mesura de l'objecte mesurat i la incertesa de mesura de l'instrument de mesura utilitzat en lloc. Segons la nostra experiència real de mesura in situ, la incertesa de mesura del diàmetre interior del tub d és generalment Urel (d) = 0,5% (k = 2); per tant, la incertesa estàndard introduïda per la mesura del diàmetre interior del tub d és:

urel(d) = urel(d) / k = 0,5% / 2 = 0,25%

2. Avaluació de la incertesa introduïda per la mesura de la velocitat del so del fluid C, urel(C)

Segons les dades tècniques, aquesta incertesa s'avalua com a classe B. La incertesa de la mesura de la velocitat del so en el fluid mesurat és:

Urel(C) = 0,6% (k = 2). Això es pot citar directament:

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

3. Incertesa introduïda per la repetibilitat de la mesura de la distància l entre els transductors A i B

Avaluació de la incertesa de urel (l). La incertesa de mesura de la distància l entre el transductor A aguallena i el transductor B aigua amunt té dues components: la repetibilitat de la mesura de l'objecte mesurat i la incertesa de mesura de l'instrument de mesura utilitzat en lloc. Basat en la nostra experiència real de mesura en el camp, la incertesa estàndard introduïda per la repetibilitat de la mesura de la distància l entre els transductors A i B és generalment

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

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

4. Introducció al temps diferencial Δt entre el flux directe i el contrari a través dels transductors AB

Avaluació de la incertesa u(Δt) La diferència de temps Δt entre el flux directe i el flux en contracorrent a través dels transductors AB en un comptador ultrasònic de flux es mesura restant el temps t1 de l'impuls transmès pel transductor A al B en la direcció del flux directe i t2 de l'impuls transmès de B a A en la direcció del flux en contracorrent (vegeu la Figura 1). Segons la fórmula (1), els seus components d'incertesa estan determinats principalment per la distància l entre el transductor aigües avall A i el transductor aigües amunt B, el diàmetre interior d del tub i la velocitat del so C en el fluid mesurat. La precisió de mesura del temps i la freqüència és la més elevada entre totes les disciplines de mesura. L'error causat per la mesura del temps d'impuls en el comptador ultrasònic de flux es pot ignorar. La distància l, el diàmetre interior d del tub i la velocitat del so C en el fluid mesurat formen part d'altres components d'incertesa. Per tant, la incertesa u(Δt) introduïda per la diferència de temps Δt entre els fluids aigües amunt i aigües avall que passen pels transductors AB es pot ignorar.

III. Mètodes per millorar la precisió de mesura en camp dels comptadors ultrasònics

En les mesures en camp, el primer pas és dur a terme una anàlisi completa dels diversos factors. Aquests factors tenen tots un cert impacte sobre els resultats finals de mesura, tal com es mostra a continuació.

1. L'impacte de la incertesa en la velocitat del so C i mètodes empírics per millorar la precisió de mesura en camp

Abans de començar les mesures en el camp, s'ha de proporcionar el medi que es mesurarà. Si el medi és un gas, s'ha de proporcionar la composició específica del gas, la temperatura de funcionament i la pressió de funcionament. La velocitat del so ultrasònic es pot obtenir consultant les normes pertinents utilitzant la informació anterior. La influència de la velocitat del so C del medi de treball sobre el comptador ultrasònic de cabal tindrà menys impacte sobre els resultats de la mesura. Si el medi és un líquid, s'ha de proporcionar el nom específic del líquid, la pressió de funcionament, la temperatura de funcionament, la pressió de funcionament i la presència de partícules en suspensió al líquid. La configuració de la velocitat del so hauria de tenir en compte els efectes de la temperatura. La velocitat del so en solucions aquoses és més elevada que en l'aigua, i per a la majoria dels fluids, com més elevada és la temperatura, més ràpida és la velocitat del so. Quan hi ha moltes partícules al fluid (però dins del rang de mesura), hi ha dues alternatives: 1. Partícules distribuïdes uniformement. En aquest cas, la senyal és relativament estable, dificultant-ne la detecció mitjançant mesures. El medi que es mesura hauria de proporcionar la causa i el tipus de partícules. Un cop conegut el tipus de partícula, es pot ajustar adequadament la velocitat del so del fluid i comparar la qualitat de la senyal per obtenir resultats de mesura més precisos. ② En el cas de partícules no uniformes, la intensitat de la senyal fluctuarà significativament. En aquest cas, la millor opció és mesurar durant un període prolongat i fer una mitjana de les lectures en diversos punts amb una bona qualitat de senyal.

2. Distància l entre els transductors A i B i diàmetre interior de la canonada d

L'impacte de la repetibilitat de les mesures i els mètodes per millorar la precisió de les mesures in situ: En seleccionar la canonada de mesura, trieu una secció recta i estable del medi de treball, allunyada de la vàlvula de la bomba. Si el medi a l'interior de la canonada és líquid, seleccioneu també una secció de canonada on sigui menys probable que es produeixin sedimentacions al fons i acumulació d'aire a dalt. Mesureu inicialment amb la sonda instal·lada verticalment i després horitzontalment. Si la diferència entre les dues mesures es troba dins l'error màxim permès pel cabalímetre ultrasònic, i amb la resta de paràmetres inalterats, continueu amb la mesura següent després de configurar altres paràmetres. En cas contrari, seleccioneu una altra canonada per a la mesura (si la diferència entre les dues mesures supera l'error permès pel cabalímetre ultrasònic, indica que la secció de la canonada no està completament plena del medi de treball).

A l'hora de configurar els paràmetres detallats per a la propera mesura, els principals factors que afecten la precisió de la mesura són la distància l entre els transductors A i B i el diàmetre interior d del tub. La distància l generalment es mesura amb una cinta mètrica d'acer o un calibrador amb nòni segons la distància l. Per mesurar el diàmetre interior d del tub, es pot utilitzar directament un calibrador amb nòni quan el diàmetre exterior del tub és petit. Per a tubs més grans, és millor utilitzar una cinta mètrica d'alta precisió per mesurar la circumferència i després calcular el diàmetre. A l'hora de mesurar tubs amb acumulacions internes greus i incrustacions, es pot augmentar el paràmetre del tub s i reduir la velocitat del so a la paret. A l'hora de mesurar tubs amb corrosió interna severa, es pot reduir el paràmetre del tub s, però la velocitat del so a la paret roman inalterada.

Basat en el principi dels comptadors de cabal ultrasònics de temps de trànsit, aquest document analitza i avalua la incertesa de mesura dels errors dels comptadors de cabal ultrasònics. Amb l'experiència de diversos anys del nostre institut en proves in situ de comptadors de cabal ultrasònics, proposem i expliquem diversos punts clau per millorar la precisió de mesura in situ dels comptadors de cabal ultrasònics.