Αρχή λειτουργίας και βαθμονόμηση του υπερηχητικού μετρητή ροής

Ένας μετρητής παροχής υπερήχων είναι ένας μετρητής τύπου ταχύτητας που χρησιμοποιεί υπερηχητικές διακυμάνσεις για να μετρήσει τη ροή του υγρού. Διαθέτει μη επαφή λειτουργία, ευρεία περιοχή μέτρησης, εύκολη φορητότητα και εγκατάσταση, ισχυρή προσαρμογή στις διαμέτρους των σωλήνων, εύκολη χρήση και ευκολία στην ψηφιοποίηση. Χρησιμοποιείται ευρέως για μετρήσεις στην περιοχή της ταχύτητας και παροχής αερίων και υγρών. Το άρθρο αυτό παρουσιάζει τις αρχές σχεδιασμού των πιο συνηθισμένων μετρητών παροχής υπερήχων, αναλύει και αξιολογεί την αβεβαιότητα μέτρησης των σφαλμάτων τους και συζητά μεθόδους βελτίωσης της ακρίβειας των μετρήσεων στο πεδίο.

I. Αρχή Μέτρησης Μετρητών Παροχής Υπερήχων

Η αρχή λειτουργίας ενός υπερηχητικού μετρητή ροής απεικονίζεται στο Σχήμα 1. Έχουν εγκατασταθεί δύο υπερηχητικοί αισθητήρες: ο αισθητήρας Α της κατερχόμενης ροής εκπέμπει υπερηχητικά παλμικά σήματα, ενώ ο αισθητήρας Β της ανερχόμενης ροής τα λαμβάνει. Οι αισθητήρες τοποθετούνται με τη μέθοδο εξωτερικής σύσφιγξης Ζ, ο ένας σε κάθε πλευρά του σωλήνα μεταφοράς υγρού, σε καθορισμένη απόσταση. Η εσωτερική διάμετρος του σωλήνα είναι d, η ταχύτητα του υπερήχου στην κατερχόμενη ροή είναι V, και η γωνία θ μεταξύ της κατεύθυνσης διάδοσης του υπερήχου και της κατεύθυνσης ροής του υγρού είναι θ.

2. Ανάλυση της αβεβαιότητας μέτρησης

Η ταχύτητα ροής του υγρού σύμφωνα με τον τύπο (3) αποτελείται από τέσσερα μέρη: την εσωτερική διάμετρο του σωλήνα d, τη θεωρητική ταχύτητα του ήχου C στο μετρούμενο υγρό, την εφαπτομένη της γωνίας διάθλασης του ηχητικού κύματος tanθ και τη διαφορά χρόνου Δt μεταξύ της ροής προς τα εμπρός και προς τα πίσω του υγρού που διέρχεται από τον αισθητήρα AB. Η ανάλυση της αβεβαιότητας μέτρησης είναι η ακόλουθη.

1. Αξιολόγηση της αβεβαιότητας που εισάγεται από την επαναληψιμότητα της μέτρησης της εσωτερικής διαμέτρου του σωλήνα d

Σύμφωνα με το ** πρότυπο, η ονομαστική διάμετρος του σωλήνα D και το πάχος του σωλήνα s είναι μόνο προσεγγιστικές ονομαστικές διαστάσεις. Η εξωτερική διάμετρος του σωλήνα D και το πάχος του σωλήνα s πρέπει να μετρώνται κάθε φορά. Επομένως, αυτή η αβεβαιότητα έχει δύο συστατικά, δηλαδή την επαναληψιμότητα μέτρησης του μετρούμενου αντικειμένου και την αβεβαιότητα μέτρησης του μετρητικού οργάνου που χρησιμοποιείται επιτόπου. Σύμφωνα με την πραγματική μας εμπειρία επιτόπου μέτρησης, η αβεβαιότητα μέτρησης της εσωτερικής διαμέτρου του σωλήνα d είναι συνήθως Urel (d) = 0,5% (k = 2)· επομένως, η τυπική αβεβαιότητα που εισάγεται από τη μέτρηση της εσωτερικής διαμέτρου του σωλήνα d είναι:

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

2. Αξιολόγηση της αβεβαιότητας που εισάγεται από τη μέτρηση της ταχύτητας ήχου του υγρού C, urel(C)

Σύμφωνα με τα τεχνικά δεδομένα, αυτή η αβεβαιότητα κατατάσσεται ως Κλάσης Β. Η αβεβαιότητα της μέτρησης της ταχύτητας του ήχου στο μετρούμενο υγρό είναι:

Urel(C) = 0,6% (k = 2). Αυτό μπορεί να αναφερθεί άμεσα:

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

3. Αβεβαιότητα που προκαλείται από την επαναληψιμότητα της μέτρησης της απόστασης l μεταξύ των μετατροπέων Α και Β

Αξιολόγηση της αβεβαιότητας urel (l) Η αβεβαιότητα μέτρησης της απόστασης l μεταξύ του καταντή μετατροπέα Α και του αναντή μετατροπέα Β έχει δύο συστατικά: την επαναληψιμότητα μέτρησης του μετρούμενου αντικειμένου και την αβεβαιότητα μέτρησης του μετρητικού οργάνου που χρησιμοποιείται επί τόπου. Με βάση την πραγματική μας εμπειρία σε μετρήσεις στο πεδίο, η τυπική αβεβαιότητα που προκαλείται από την επαναληψιμότητα της μέτρησης της απόστασης l μεταξύ των μετατροπέων Α και Β είναι

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

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

4. Εισαγωγή στη διαφορά χρόνου Δt μεταξύ της ροής προς τα εμπρός και της αντίστροφης ροής μέσω των μετατροπέων ΑΒ

Αξιολόγηση της αβεβαιότητας u(Δt) Η διαφορά χρόνου Δt μεταξύ της ομόρροπης και της αντίρροπης ροής μέσω των μετατροπέων AB σε έναν υπερηχητικό μετρητή παροχής μετράται αφαιρώντας τον χρόνο t1 από το παλμό που μεταδίδεται από τον μετατροπέα A στον B κατά την ομόρροπη φορά ροής και τον χρόνο t2 από το παλμό που μεταδίδεται από τον B στον A κατά την αντίρροπη φορά ροής (βλέπε Σχήμα 1). Σύμφωνα με τον τύπο (1), τα συστατικά της αβεβαιότητας καθορίζονται κυρίως από την απόσταση l μεταξύ του καταντή μετατροπέα A και του αναντή μετατροπέα B, την εσωτερική διάμετρο d του σωλήνα και την ταχύτητα ήχου C στο μετρούμενο υγρό. Η ακρίβεια μέτρησης χρόνου και συχνότητας είναι η υψηλότερη μεταξύ όλων των επιστημών που ασχολούνται με μετρήσεις. Το σφάλμα που προκαλείται από τη μέτρηση του χρονισμού των παλμών του υπερηχητικού μετρητή παροχής μπορεί να αγνοηθεί. Η απόσταση l, η εσωτερική διάμετρος d του σωλήνα και η ταχύτητα ήχου C στο μετρούμενο υγρό περιλαμβάνονται σε άλλα συστατικά αβεβαιότητας. Επομένως, η αβεβαιότητα u(Δt) που προκαλείται από τη διαφορά χρόνου Δt μεταξύ των ρευμάτων που κινούνται προς τα πάνω και προς τα κάτω από τους μετατροπείς AB μπορεί να αγνοηθεί.

III. Μέθοδοι βελτίωσης της ακρίβειας μετρήσεων στον τομέα για υπερηχητικούς μετρητές παροχής

Στις μετρήσεις στον τομέα, το πρώτο βήμα είναι να πραγματοποιηθεί μια ολοκληρωμένη ανάλυση διαφόρων παραγόντων. Αυτοί οι παράγοντες έχουν όλοι ορισμένη επίδραση στα τελικά αποτελέσματα των μετρήσεων, όπως φαίνεται παρακάτω.

1. Η επίδραση της αβεβαιότητας στην ταχύτητα του ήχου c και εμπειρικές μέθοδοι για τη βελτίωση της ακρίβειας μετρήσεων στον τομέα

Πριν ξεκινήσουν οι μετρήσεις στο πεδίο, θα πρέπει να παρασχεθεί το μέσο μέτρησης. Εάν το μέσο είναι αέριο, θα πρέπει να παρασχεθεί η συγκεκριμένη σύσταση του αερίου, η θερμοκρασία λειτουργίας και η πίεση λειτουργίας. Η ταχύτητα του υπερηχητικού ήχου μπορεί να προκύψει με αναφορά στα σχετικά πρότυπα χρησιμοποιώντας τις παραπάνω πληροφορίες. Η επίδραση της ταχύτητας ήχου C του εργασίας στην υπερηχητική παροχόμετρο θα επηρεάσει λιγότερο τα αποτελέσματα των μετρήσεων. Εάν το μέσο είναι υγρό, θα πρέπει να παρασχεθούν το συγκεκριμένο όνομα του υγρού, η πίεση λειτουργίας, η θερμοκρασία λειτουργίας, η πίεση λειτουργίας και η παρουσία αιωρούμενων σωματιδίων στο υγρό. Η ρύθμιση της ταχύτητας του ήχου θα πρέπει να λαμβάνει υπόψη τις επιδράσεις της θερμοκρασίας. Η ταχύτητα του ήχου σε υδατικά διαλύματα είναι μεγαλύτερη από αυτή του νερού και για τα περισσότερα ρευστά, όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία, τόσο πιο γρήγορα είναι η ταχύτητα του ήχου. Όταν υπάρχουν πολλά σωματίδια στο ρευστό (αλλά εντός του εύρους μέτρησης), υπάρχουν δύο προσεγγίσεις: 1. Ομοιόμορφα κατανεμημένα σωματίδια. Σε αυτή την περίπτωση, το σήμα είναι σχετικά σταθερό, καθιστώντας δύσκολη την ανίχνευση μέσω μέτρησης. Το μέσο μέτρησης θα πρέπει να παρέχει την αιτία και τον τύπο των σωματιδίων. Μόλις είναι γνωστός ο τύπος των σωματιδίων, η ταχύτητα του ήχου στο ρευστό μπορεί να ρυθμιστεί κατάλληλα και η ποιότητα του σήματος μπορεί να συγκριθεί για να επιτευχθούν πιο ακριβή αποτελέσματα μέτρησης. ② Στην περίπτωση μη ομοιόμορφων σωματιδίων, η ένταση του σήματος θα μεταβάλλεται σημαντικά. Σε αυτή την περίπτωση, η καλύτερη προσέγγιση είναι να πραγματοποιηθεί μέτρηση για μεγάλο χρονικό διάστημα και να υπολογιστεί ο μέσος όρος των μετρήσεων σε αρκετά σημεία με καλή ποιότητα σήματος.

2. Απόσταση l μεταξύ των μετατροπέων Α και Β και εσωτερική διάμετρος σωλήνα d

Η επίδραση της επαναληψιμότητας των μετρήσεων και οι μέθοδοι βελτίωσης της ακρίβειας των μετρήσεων στην τοποθεσία: Κατά την επιλογή της σωλήνωσης μέτρησης, επιλέξτε μια ευθεία, σταθερή περιοχή του εργαζόμενου μέσου, μακριά από τη βαλβίδα της αντλιοστασίου. Εάν το μέσο στη σωλήνωση είναι υγρό, επιλέξτε επίσης ένα τμήμα σωλήνα το οποίο είναι λιγότερο πιθανό να προκαλέσει ίζημα στον πυθμένα και συσσώρευση αέρα στην κορυφή. Αρχικά, πραγματοποιήστε μέτρηση με τον αισθητήρα τοποθετημένο κατακόρυφα, στη συνέχεια οριζόντια. Εάν η διαφορά μεταξύ των δύο μετρήσεων βρίσκεται εντός του μέγιστου επιτρεπόμενου σφάλματος της υπερηχητικής παροχόμετρου, με τις ίδιες τις άλλες παραμέτρους, προχωρήστε στην επόμενη μέτρηση μετά τις περαιτέρω ρυθμίσεις παραμέτρων. Διαφορετικά, επανεπιλέξτε τη σωλήνωση για μέτρηση (εάν η διαφορά μεταξύ των δύο μετρήσεων υπερβαίνει το επιτρεπόμενο σφάλμα της υπερηχητικής παροχόμετρου, αυτό δείχνει ότι το τμήμα της σωλήνωσης δεν είναι πλήρως γεμάτο με το εργαζόμενο μέσο).

Κατά τη ρύθμιση των λεπτομερών παραμέτρων για την επόμενη μέτρηση, οι κύριοι παράγοντες που επηρεάζουν την ακρίβεια της μέτρησης είναι η απόσταση l μεταξύ των μετατροπέων Α και Β και η εσωτερική διάμετρος d του σωλήνα. Η απόσταση l συνήθως μετράται με μεταλλική αριθμομηχανή ή διαστημόμετρο, βάσει της απόστασης l. Για τη μέτρηση της εσωτερικής διαμέτρου d του σωλήνα, το διαστημόμετρο μπορεί να χρησιμοποιηθεί απευθείας όταν η εξωτερική διάμετρος του σωλήνα είναι μικρή. Για μεγαλύτερους σωλήνες, είναι καλύτερο να χρησιμοποιηθεί μια ακριβής μεταλλική αριθμομηχανή για τη μέτρηση της περιφέρειας και στη συνέχεια να υπολογιστεί η διάμετρος. Κατά τη μέτρηση σωλήνων με σοβαρές εσωτερικές αποθέσεις και λερώματα, η παράμετρος του τοιχώματος του σωλήνα s μπορεί να αυξηθεί και η ταχύτητα του ήχου στο τοίχωμα μπορεί να μειωθεί. Όταν μετράτε σωλήνες με σοβαρή εσωτερική διάβρωση, η παράμετρος του τοιχώματος του σωλήνα s μπορεί να μειωθεί, αλλά η ταχύτητα του ήχου στο τοίχωμα παραμένει αμετάβλητη.

Με βάση την αρχή των υπερηχητικών μετρητών παροχής χρόνου διέλευσης, το παρόν άρθρο αναλύει και αξιολογεί την αβεβαιότητα μέτρησης των σφαλμάτων του υπερηχητικού μετρητή παροχής. Με βάση την πολυετή εμπειρία του ινστιτούτου μας στις επιτόπιες δοκιμές υπερηχητικών μετρητών παροχής, προτείνουμε και εξηγούμε αρκετά σημεία κλειδιά για τη βελτίωση της ακρίβειας των επιτόπιων μετρήσεων των υπερηχητικών μετρητών παροχής.