Arbejdsprincip og kalibrering af ultralydstrømmeteren

En ultralyd flowmåler er en hastighedsbaseret flowmåler, som anvender ultralydimpulser til måling af væskestrømning. Den er kendetegnet ved kontaktløs drift, et bredt måleområde, nem transport og installation, god tilpasningsevne til rørdiametre, nem brug og let digitalisering. Den anvendes bredt til feltmåling af gas- og væskeshastighed samt flow. Denne artikel introducerer designprincipperne for de mest almindelige ultralyd flowmålere, analyserer og vurderer måleusikkerheden i forbindelse med deres målefejl og drøfter metoder til forbedring af nøjagtigheden ved feltmålinger.

I. Måleprincip for ultralyd flowmålere

Princippet for en ultralydstrømningsmålers funktion er vist i figur 1. To ultralydsonder er installeret: nedstrøms transducer A sender ultralydimpulssignaler, og opstrøms transducer B modtager dem. Transducerne er monteret vha. den eksterne klæbemetode Z, én på hver side af en fluidledning med en bestemt afstand. Ledningens indvendige diameter er d, den nedstrømske ultralydhastighed er V, og vinklen θ mellem ultralydudbredelsesretningen og fluidstrømningsretningen er θ.

2. Måleusikkerhedsanalyse

Fluidstrømningshastigheden ifølge formel (3) består af fire dele: rørets indvendige diameter d, den teoretiske lydhastighed C i det målte fluid, tangens til lydbølgens refraktionsvinkel tanθ og tidsforskellen Δt mellem væskens fremad- og tilbagestrømning gennem transducer AB. Analysen af dens måleusikkerhed er som følger.

1. Vurdering af usikkerheden introduceret af gentageligheden af målingen af rørets indvendige diameter d

Ifølge standarden er rørets nominelle diameter D og rørvægtykkelsen s kun tilnærmede nominelle dimensioner. Rørets ydre diameter D og rørvægtykkelsen s skal måles hver gang. Derfor har denne usikkerhed to komponenter, nemlig målegentageligheden af det målte objekt og måleusikkerheden af det anvendte måleinstrument på stedet. Ifølge vores faktiske lokale måleerfaring er måleusikkerheden for rørets indvendige diameter d generelt Urel (d) = 0,5 % (k = 2); derfor er standardusikkerheden introduceret ved målingen af rørets indvendige diameter d:

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

2. Vurdering af usikkerheden introduceret ved måling af væskens lydhastighed C, urel(C)

Ifølge de tekniske data vurderes denne usikkerhed som klasse B. Usikkerheden ved lydhastighedsmålingen i den målte væske er:

Urel(C) = 0,6 % (k = 2). Dette kan direkte anføres:

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

3. Usikkerhed forårsaget af målegentageligheden af afstanden l mellem transducerne A og B

Vurdering af usikkerheden urel (l). Måleusikkerheden for afstanden l mellem nedstrøms transducer A og opstrøms transducer B har to komponenter: målegentageligheden af det målte objekt og måleusikkerheden for det anvendte måleinstrument på stedet. Udfra vores faktiske erfaringer med feltmålinger er standardusikkerheden, der skyldes målegentageligheden af afstanden l mellem transducerne A og B, generelt

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

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

4. Introduktion til tidsforskellen Δt mellem fremadrettet og modstrøms flow gennem transducerne AB

Vurdering af usikkerheden u(Δt) Tidsforskellen Δt mellem fremadrettet og modstrøms flow gennem transducere AB i en ultralydstrømningsmåler måles ved at trække tiden t1 fra pulsens udbredelse fra transducer A til B i flowretningen og t2 fra pulsens udbredelse fra B til A i modstrøms retning (se figur 1). Ifølge formel (1) bestemmes dens usikkerhedskomponenter hovedsageligt af afstanden l mellem den nederste transducer A og den øverste transducer B, rørets indvendige diameter d og lydhastigheden C i den målte væske. Målenøjagtigheden af tid og frekvens er den højeste blandt alle målediscipliner. Fejlen forårsaget af ultralydstrømningsmålerens pulstidsmåling kan ignoreres. Afstanden l, rørets indvendige diameter d og lydhastigheden C i den målte væske indgår i andre usikkerhedskomponenter. Derfor kan usikkerheden u(Δt), som introduceres af tidsforskellen Δt mellem væskens strømning opad og nedad gennem transducere AB, ignoreres.

III. Metoder til forbedring af feltmålingens nøjagtighed for ultralydstrømningsmålere

Ved feltmålinger er det første trin at udføre en omfattende analyse af forskellige faktorer. Disse faktorer har alle en vis indvirkning på de endelige måleresultater, som vist nedenfor.

1. Indvirkningen af usikkerhed i lydhastighed C og empiriske metoder til forbedring af feltmålingens nøjagtighed

Før målingerne påbegyndes, skal det målte medium angives. Hvis mediet er en gas, skal den specifikke gas sammensætning, driftstemperatur og driftstryk angives. Den ultralydlydhastighed kan opnås ved at henvise til de relevante standarder ved hjælp af ovenstående information. Indflydelsen af lydhastigheden C i det arbejdende medium på gennemstrømningsmåleren vil have mindre indflydelse på måleresultaterne. Hvis mediet er en væske, skal det specifikke væskens navn, driftstryk, driftstemperatur, driftstryk og tilstedeværelse af partikler i væsken angives. Lydhastighedsindstillingen skal tage højde for temperaturudsving. Lydhastigheden i vandige opløsninger er større end i vand, og for de fleste væsker gælder det, at jo højere temperatur, jo hurtigere lydhastighed. Når der er mange partikler i væsken (men inden for måleområdet), er der to tilgange: 1. Jævnt fordelt partikler. I dette tilfælde er signalet relativt stabilt, hvilket gør det vanskeligt at registrere ved måling. Det målte medium skal angive årsag og type af partikler. Når partikeltypen er kendt, kan lydhastigheden i væsken justeres passende, og signalkvaliteten kan sammenlignes for at opnå mere præcise måleresultater. ② I tilfælde af ujævne partikler vil signalmængden svinge markant. I dette tilfælde er den bedste tilgang at måle over en længere periode og gennemsnitlige aflæsningerne på flere punkter med god signalkvalitet.

2. Afstand l mellem transducere A og B og rørets indvendige diameter d

Indflydelsen af målenøjagtighed og metoder til forbedring af målenøjagtighed på stedet: Ved valg af målerør skal du vælge et lige, stabilt stykke af arbejdsmidlet, placeret væk fra pumpestationsventilen. Hvis mediet i røret er væske, skal du også vælge et rørstykke, hvor der sjældent opstår aflejringer i bunden og luftansamling i toppen. Mål først med sonde monteret lodret, derefter vandret. Hvis forskellen mellem de to målinger er inden for den maksimale tilladte fejl for ultralydstrømningsmåleren, og andre parametre er uændrede, kan du gå videre til næste måling efter yderligere parameterindstillinger. Ellers skal røret udskiftes til måling (hvis forskellen mellem de to målinger overskrider den tilladte fejl for ultralydstrømningsmåleren, betyder det, at rørstykket ikke er fyldt med arbejdsmidlet).

Ved indstilling af detaljerede parametre til næste måling er de vigtigste faktorer, der påvirker målenøjagtigheden, afstanden l mellem transducerne A og B og rørets indvendige diameter d. Afstanden l måles almindeligvis med en stållineal eller skydelære ud fra afstanden l. For at måle rørets indvendige diameter d kan en skydelære direkte anvendes, når rørets ydre diameter er lille. Ved større rør anbefales det at bruge en præcisionsstållineal til at måle omkredsen og herefter beregne diameteren. Ved måling af rør med alvorlig intern aflejring og tilsmudsning kan rørvegtparameteren s øges, og lydhastigheden i væggen kan sænkes. Ved måling af rør med alvorlig intern korrosion kan rørvegtparameteren s reduceres, men lydhastigheden i væggen forbliver uændret.

Udgående fra princippet for transit-time ultralyd flowmålere, analyserer og evaluerer denne artikel måleusikkerheden for ultralyd flowmåleres fejl. Udgående fra vores instituts års erfaring med felttest af ultralyd flowmålere foreslår og forklarer vi flere nøglepunkter for at forbedre nøjagtigheden af feltmålinger med ultralyd flowmålere.