Arbeitsprinzip und Kalibrierung des Ultraschalldurchflussmessers

Ein Ultraschall-Durchflussmessgerät ist ein Geschwindigkeits-Durchflussmessgerät, das Ultraschallimpulse verwendet, um den Fluidstrom zu messen. Es zeichnet sich durch berührungslose Messung, einen weiten Messbereich, einfache Handhabung und Installation, eine gute Anpassbarkeit an unterschiedliche Rohrdurchmesser sowie eine leichte Bedienbarkeit und Digitalisierbarkeit aus. Es wird häufig vor Ort zur Messung der Geschwindigkeit und des Durchflusses von Gasen und Flüssigkeiten eingesetzt. Dieser Artikel stellt die Konstruktionsprinzipien der am häufigsten verwendeten Ultraschall-Durchflussmessgeräte vor, analysiert und bewertet die Messunsicherheit der Messfehler und diskutiert Methoden zur Verbesserung der Messgenauigkeit vor Ort.

I. Messprinzip von Ultraschall-Durchflussmessgeräten

Das Funktionsprinzip eines Ultraschall-Durchflussmessgeräts ist in Abbildung 1 dargestellt. Zwei Ultraschallsensoren sind installiert: Der unterstromliegende Wandler A sendet Ultraschallimpulse, und der oberstromliegende Wandler B empfängt diese. Die Wandler sind mit der äußeren Klemmmethode Z montiert, jeweils auf gegenüberliegenden Seiten einer Fluidleitung in einem festgelegten Abstand. Der Innendurchmesser der Leitung ist d, die unterstromliegende Ultraschallgeschwindigkeit ist V, und der Winkel θ zwischen der Ultraschallausbreitungsrichtung und der Flüssigkeitsflussrichtung ist θ.

2. Analyse der Messunsicherheit

Die Fluidströmungsgeschwindigkeit gemäß Formel (3) besteht aus vier Teilen: dem Rohrinnendurchmesser d, der theoretischen Schallgeschwindigkeit c im gemessenen Fluid, dem Tangens des Brechungswinkels der Schallwelle tanθ und der Zeitdifferenz Δt zwischen der Vorwärts- und Rückwärtsströmung des Fluids durch den Wandler AB. Die Analyse der Messunsicherheit ist wie folgt.

1. Bewertung der Unsicherheit, die durch die Wiederholbarkeit der Messung des Innendurchmessers der Rohrleitung d verursacht wird

Laut der ** Norm sind der Nenndurchmesser des Rohres D und die Wanddicke des Rohres s nur ungefähre Nennmaße. Der Außendurchmesser des Rohres D und die Wanddicke des Rohres s müssen jedes Mal gemessen werden. Daher setzt sich diese Unsicherheit aus zwei Komponenten zusammen, nämlich der Messwiederholbarkeit des zu messenden Objekts und der Messunsicherheit des vor Ort verwendeten Messgeräts. Laut unseren praktischen Erfahrungen vor Ort liegt die Messunsicherheit des Innendurchmessers des Rohres d im Allgemeinen bei Urel (d) = 0,5 % (k = 2); folglich beträgt die Standardunsicherheit, die durch die Messung des Rohr-Innendurchmessers d verursacht wird:

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

2. Bewertung der durch die Messung der Schallgeschwindigkeit des Fluids C verursachten Unsicherheit, urel(C)

Laut den technischen Daten wird diese Unsicherheit als Klasse B bewertet. Die Unsicherheit der Schallgeschwindigkeitsmessung im gemessenen Medium beträgt:

Urel(C) = 0,6 % (k = 2). Dies kann direkt übernommen werden:

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

3. Unsicherheit, die durch die Messwiederholbarkeit der Distanz l zwischen den Wandlerköpfen A und B entsteht

Bewertung der Unsicherheit urel (l). Die Messunsicherheit der Distanz l zwischen dem unterstrom gelegenen Wandler A und dem oberstrom gelegenen Wandler B weist zwei Komponenten auf: die Messwiederholbarkeit des gemessenen Objekts und die Messunsicherheit des vor Ort verwendeten Messgeräts. Basierend auf unseren praktischen Erfahrungen vor Ort beträgt die Standardunsicherheit, die durch die Messwiederholbarkeit der Distanz l zwischen den Wandlerköpfen A und B entsteht, allgemein

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

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

4. Einführung in die Zeitdifferenz Δt zwischen Vorwärts- und Rückwärtsströmung durch die Wandlerköpfe AB

Bewertung der Unsicherheit u(Δt) Die Zeitdifferenz Δt zwischen Vorwärts- und Rückwärtsstrom durch die Wandler AB in einem Ultraschall-Durchflussmessgerät wird gemessen, indem die Zeit t1 des Pulses, das vom Wandler A zum Wandler B in Strömungsrichtung gesendet wird, und t2 des Pulses, das von B zu A in Gegenstromrichtung gesendet wird, voneinander subtrahiert (siehe Abbildung 1). Laut Formel (1) werden ihre Unsicherheitskomponenten hauptsächlich durch den Abstand l zwischen dem unterstromseitigen Wandler A und dem oberstromseitigen Wandler B, den Innendurchmesser d der Leitung sowie die Schallgeschwindigkeit c des gemessenen Mediums bestimmt. Die Messgenauigkeit von Zeit und Frequenz ist unter allen Messdisziplinen am höchsten. Der durch die Pulslaufzeitmessung des Ultraschall-Durchflussmessgeräts verursachte Fehler kann vernachlässigt werden. Der Abstand l, der Leitungsinnendurchmesser d und die Schallgeschwindigkeit c des gemessenen Mediums sind in anderen Unsicherheitskomponenten enthalten. Daher kann die Unsicherheit u(Δt), die durch die Zeitdifferenz Δt zwischen Oberstrom und Unterstrom beim Passieren der Wandler AB entsteht, ignoriert werden.

III. Methoden zur Verbesserung der Messgenauigkeit von Ultraschall-Durchflussmessern im Feld

Bei Feldmessungen ist der erste Schritt, eine umfassende Analyse verschiedener Faktoren durchzuführen. Diese Faktoren haben alle einen gewissen Einfluss auf das endgültige Messergebnis, wie unten gezeigt.

1. Die Auswirkung der Unsicherheit der Schallgeschwindigkeit c und empirische Methoden zur Verbesserung der Messgenauigkeit im Feld

Bevor die Felddatenmessung beginnt, sollte das zu messende Medium bereitgestellt werden. Falls das Medium ein Gas ist, sollten die spezifische Gaszusammensetzung, die Betriebstemperatur und der Betolung. Die Ultraschall-Schallgeschwindigkeit kann durch Konsultation der relevanten Standards unter Verwendung der oben genannten Informationen ermittelt werden. Der Einfluss der Schallgeschwindigkeit C des Arbeitsmediums auf den Ultraschall-Durchflussmesser wird die Messergebnisse weniger stark beeinflussen. Falls das Medium eine Flüssigkeit ist, sollten der spezifische Flüssigkeitsname, der Beturück, die Betriebstemperatur, der Beturück und das Vorhandensein von Schwebeteilchen in der Flüssigkeit angegeben werden. Bei der Schallgeschwindigkeitseinstellung sollten Temperaturwirkungen berücksichtigt werden. Die Schallgeschwindigkeit wässriger Lösungen ist höher als die von Wasser, und bei den meisten Flüssigkeiten gilt: je höher die Temperatur, desto höher die Schallgeschwindigkeit. Wenn viele Partikel in der Flüssigkeit enthalten sind (aber innerhalb des Messbereichs), gibt es zwei Vorgehensweisen: 1. Gleichmäßig verteilte Partikel. In diesem Fall ist das Signal relativ stabil, wodurch eine Erkennung durch Messung erschwert wird. Beim Messmedium sollten die Ursache und Art der Partikel angegeben werden. Sobald der Partikeltyp bekannt ist, kann die Schallgeschwindigkeit der Flüssigkeit entsprechend angepasst und die Signalqualität verglichen werden, um genauere Messergebnisse zu erhalten. ② Bei ungleichmäßiger Verteilung der Partikel schwankt die Signalintensität erheblich. In einem solchen Fall ist der beste Ansatz, die Messung über einen längeren Zeitraum durchzuführen und die Messwerte an mehreren Punkten mit guter Signalqualität zu mitteln.

2. Abstand l zwischen den Wandlergeräten A und B und Innendurchmesser d des Rohrs

Die Auswirkung der Messwiederholbarkeit und Methoden zur Verbesserung der Messgenauigkeit vor Ort: Beim Auswählen der Messleitung ist ein gerader, stabiler Abschnitt des Arbeitsmediums zu wählen, der von der Pumpstation abgesetzt ist. Ist das Medium in der Leitung flüssig, ist ebenfalls ein Leitungsabschnitt auszuwählen, bei dem am Boden keine Ablagerungen und am oberen Ende keine Luftansammlungen entstehen können. Zunächst ist die Messung mit vertikal installiertem Sensor durchzuführen, danach horizontal. Liegt die Differenz zwischen den beiden Messungen innerhalb des maximal zulässigen Fehlers des Ultraschall-Durchflussmessgeräts und bleiben andere Parameter unverändert, kann nach weiteren Parametereinstellungen die nächste Messung durchgeführt werden. Andernfalls ist eine andere Leitung für die Messung auszuwählen (wenn die Differenz zwischen den beiden Messungen den zulässigen Fehler des Ultraschall-Durchflussmessgeräts überschreitet, bedeutet dies, dass die Rohrleitung nicht vollständig mit dem Arbeitsmedium gefüllt ist).

Beim Festlegen der detaillierten Parameter für die nächste Messung sind die Hauptfaktoren, die die Messgenauigkeit beeinflussen, der Abstand l zwischen den Wandlerköpfen A und B sowie der Innendurchmesser d des Rohrs. Der Abstand l wird üblicherweise mit einem Stahllineal oder einer Schieblehre basierend auf dem Abstand l gemessen. Zum Messen des Rohr-Innendurchmessers d kann bei kleinen Rohraußendurchmessern direkt eine Schieblehre verwendet werden. Bei größeren Rohren ist es besser, den Umfang mit einem präzisen Stahllineal zu messen und daraus den Durchmesser zu berechnen. Bei Rohren mit starken inneren Ablagerungen und Verschmutzung kann der Rohrwandparameter s erhöht und die Schallgeschwindigkeit in der Wand verringert werden. Bei Rohren mit starker innerer Korrosion kann der Rohrwandparameter s verringert werden, wobei die Schallgeschwindigkeit in der Wand unverändert bleibt.

Auf der Grundlage des Prinzips von Durchflussmessgeräten mit transitiver Ultraschallzeit analysiert und bewertet dieser Artikel die Messunsicherheit von Fehlern bei Ultraschall-Durchflussmessgeräten. Aufgrund der jahrelangen Erfahrung unseres Instituts bei der Feldprüfung von Ultraschall-Durchflussmessgeräten schlagen und erläutern wir mehrere wesentliche Punkte zur Verbesserung der Messgenauigkeit von Ultraschall-Durchflussmessgeräten im Feld.