Pracovní princip a kalibrace ultrazvukového průtokoměru

Ultrazvukový průtokoměr je průtokoměr rychlostního typu, který využívá ultrazvukových pulsů pro měření průtoku kapalin. Je charakterizován bezkontaktním měřením, širokým měřicím rozsahem, snadnou přenosností a instalací, silnou adaptabilitou na průměry potrubí, jednoduchostí použití a snadnou digitalizací. Je široce využíván pro měření rychlosti a průtoku plynů a kapalin přímo na místě. Tento článek seznamuje s návrhovými principy nejčastěji používaných ultrazvukových průtokoměrů, analyzuje a vyhodnocuje měřicí nejistotu jejich měřicích chyb a rozebírá metody pro zlepšení přesnosti měření přímo na místě.

I. Měřicí princip ultrazvukových průtokoměrů

Princip činnosti ultrazvukového průtokoměru je znázorněn na Obrázku 1. Jsou nainstalovány dva ultrazvukové sondy: níže umístěný převodník A vysílá ultrazvukové impulzní signály a výše umístěný převodník B je přijímá. Převodníky jsou upevněny pomocí vnějšího svěrného šroubu Z, každý na jedné straně potrubí s tekutinou ve stanovené vzdálenosti. Vnitřní průměr potrubí je d, rychlost ultrazvuku ve směru toku je V a úhel θ mezi směrem šíření ultrazvuku a směrem toku tekutiny je θ.

2. Analýza nejistot měření

Průtok tekutiny podle vzorce (3) se skládá ze čtyř částí: vnitřní průměr potrubí d, teoretická rychlost zvuku C v měřené tekutině, tangens úhlu lomu zvukové vlny tanθ a rozdíl času Δt mezi průtokem vpřed a zpět tekutiny procházející převodníkem AB. Analýza nejistot jejího měření je následující.

1. Hodnocení nejistoty způsobené opakovatelností měření vnitřního průměru potrubí d

Podle normy ** jsou jmenovitý průměr potrubí D a tloušťka stěny potrubí s pouze orientačními jmenovitými rozměry. Vnější průměr potrubí D a tloušťka stěny potrubí s musí být měřeny pokaždé. Proto má tato nejistota dvě složky, a to nejistotu měření měřeného objektu a nejistotu měření měřicího přístroje použitého na místě. Podle našich zkušeností z reálných měření na místě je nejistota měření vnitřního průměru potrubí d obvykle Urel (d) = 0,5 % (k = 2); proto je standardní nejistota způsobená měřením vnitřního průměru potrubí d následující:

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

2. Hodnocení nejistoty způsobené měřením rychlosti zvuku v tekutině C, urel(C)

Podle technických údajů je tato nejistota hodnocena jako třída B. Nejistota měření rychlosti zvuku v měřené kapalině je:

Urel(C) = 0,6 % (k = 2). Tuto hodnotu lze přímo uvést:

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

3. Nejistota způsobená opakovatelností měření vzdálenosti l mezi převodníky A a B

Hodnocení nejistoty urel (l) Nejistota měření vzdálenosti l mezi dolním převodníkem A a horním převodníkem B má dvě složky: opakovatelnost měření měřeného objektu a měřicí nejistotu měřicího přístroje použitého na místě. Na základě našich praktických zkušeností z terénních měření je standardní nejistota způsobená opakovatelností měření vzdálenosti l mezi převodníky A a B obecně

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

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

4. Úvod k časovému rozdílu Δt mezi průtokem vpřed a protiproudým průtokem přes převodníky AB

Hodnocení nejistoty u(Δt) Časový rozdíl Δt mezi prouděním vpřed a v protiproudu skrze převodníky AB v ultrazvukovém průtokoměru se měří odečtením času t1 od pulzu vyslaného z převodníku A do B ve směru proudění a t2 od pulzu vyslaného z B do A v protisměru (viz Obrázek 1). Podle vzorce (1) jsou jeho složky nejistoty hlavně určeny vzdáleností l mezi dolním převodníkem A a horním převodníkem B, vnitřním průměrem potrubí d a rychlostí zvuku C v měřené kapalině. Měřicí přesnost času a frekvence je nejvyšší mezi všemi obory měření. Chyba způsobená měřením časování pulzů ultrazvukového průtokoměru je zanedbatelná. Vzdálenost l, vnitřní průměr potrubí d a rychlost zvuku C v měřené kapalině jsou zahrnuty v jiných složkách nejistoty. Proto může být nejistota u(Δt) způsobená časovým rozdílem Δt mezi prouděním v horním a dolním směru skrze převodníky AB zanedbána.

III. Metody pro zlepšení přesnosti měření průtoku polem ultrazvukovými průtokoměry

Při měřeních na poli je prvním krokem provedení komplexní analýzy různých faktorů. Tyto faktory všechny určitým způsobem ovlivňují výsledné měření, jak je uvedeno níže.

1. Dopad nejistoty rychlosti zvuku C a empirické metody pro zlepšení přesnosti měření průtoku polem

Před zahájením měření na místě je třeba poskytnout měřené prostředí. Je-li prostředím plyn, mělo by být uvedeno konkrétní složení plynu, provozní teplota a provozní tlak. Rychlost zvuku v ultrazvuku lze zjistit podle příslušných norem s využitím výše uvedených informací. Vliv rychlosti zvuku C pracovního prostředí na ultrazvukový průtokoměr bude mít menší dopad na výsledky měření. Je-li prostředím kapalina, mělo by být uvedeno konkrétní označení kapaliny, provozní tlak, provozní teplota, přítomnost základních částic v kapalině. Nastavení rychlosti zvuku by mělo brát v úvahu vliv teploty. Rychlost zvuku vodných roztoků je větší než u vody, a u většiny tekutin platí, že čím vyšší je teplota, tím vyšší je rychlost zvuku. Jsou-li v tekutině přítomny částice (ale v rámci měřicího rozsahu), existují dva přístupy: 1. Rovnoměrně rozložené částice. V tomto případě je signál poměrně stabilní, což ztěžuje jeho detekci prostřednictvím měření. Měřené prostředí by mělo poskytnout příčinu a typ částic. Jakmile je znám typ částic, lze přiměřeně upravit rychlost zvuku tekutiny a porovnat kvalitu signálu, aby bylo dosaženo přesnějších výsledků měření. ② U nerovnoměrně rozložených částic se bude intenzita signálu výrazně měnit. V tomto případě je nejlepším postupem měřit po delší dobu a provést průměrování hodnot na několika bodech s dobrou kvalitou signálu.

2. Vzdálenost l mezi převodníky A a B a vnitřní průměr potrubí d

Vliv opakovatelnosti měření a metod pro zlepšení přesnosti měření na místě: Při výběru měřicího potrubí vyberte rovnou, stabilní část pracovního média, vzdálenou od čerpací stanice a ventilu. Je-li médiem v potrubí kapalina, vyberte také úsek potrubí, kde je méně pravděpodobné usazování nánosů na dně a hromadění vzduchu v horní části. Měření nejprve proveďte s vertikálně nainstalovaným snímačem, poté horizontálně. Je-li rozdíl mezi dvěma měřeními v rámci maximální přípustné chyby ultrazvukového průtokoměru a ostatní parametry zůstávají nezměněny, pokračujte po dalším nastavení parametrů k dalšímu měření. V opačném případě vyberte jiný úsek potrubí pro měření (je-li rozdíl mezi dvěma měřeními větší než přípustná chyba ultrazvukového průtokoměru, znamená to, že úsek potrubí není plně zaplněn pracovním médiem).

Při nastavování detailních parametrů pro další měření jsou hlavními faktory ovlivňujícími přesnost měření vzdálenost l mezi převodníky A a B a vnitřní průměr trubky d. Vzdálenost l se obvykle měří podle vzdálenosti l pomocí ocelového metru nebo posuvného měřítka. Pro měření vnitřního průměru trubky d lze přímo použít posuvné měřítko, pokud je vnější průměr trubky malý. U větších trubek je nejlepší použít přesné ocelové měřítko k měření obvodu a následně vypočítat průměr. Při měření trubek s výraznými vnitřními usazeninami a znečištěním lze zvýšit parametr stěny trubky s a snížit rychlost zvuku ve stěně. Při měření trubek s výraznou vnitřní korozeností lze parametr stěny trubky s snížit, avšak rychlost zvuku ve stěně zůstává nezměněna.

Na základě principu ultrazvukových průtokoměrů s měřením času průchodu tento článek analyzuje a vyhodnocuje měřicí nejistotu chyb ultrazvukových průtokoměrů. Na základě letitéch zkušeností našeho ústavu s terénním ověřováním ultrazvukových průtokoměrů navrhujeme a vysvětlujeme několik klíčových bodů pro zlepšení přesnosti měření ultrazvukových průtokoměrů v terénu.