Ultrasoninen virtausmittari

Ulträäniläpimittari on nopeusmittari, joka käyttää ultraäänia nestevirtauksen mittaamiseen. Se toimii kosketuksetta, sillä on leveä mittausalue, helppo kantaa ja asentaa, se sopeutuu hyvin eri putkien halkaisijiin, sitä on helppo käyttää ja se soveltuu hyvin digitalisointiin. Sitä käytetään laajasti kaasujen ja nesteiden nopeuden ja virtaaman kenttämittauksissa. Tässä artikkelissa esitetään yleisimmin käytettyjen ulträäniläpimittarien suunnitteluperiaatteet, analysoidaan ja arvioidaan niiden mittausvirheiden mittausepävarmuutta sekä käsitellään menetelmiä kenttämittaustarkkuuden parantamiseksi.

I. Ulträäniläpimittarien mittausperiaate

Kuvassa 1 on esitetty ääniaaltovirtamittarin toimintaperiaate. Kaksi ääniaaltoanturia on asennettu: alavirtaan sijaitseva anturi A lähettää ääniaaltoimpulssisignaaleja, ja ylävirtaan sijaitseva anturi B vastaanottaa ne. Anturit on asennettu ulkoisella kiinnitysmenetelmällä Z, kumpikin puoli putkistoa varten määritellyllä etäisyydellä toisistaan. Putken sisähalkaisija on d, alavirtaan suhteellinen ääniaallon nopeus on V, ja ääniaallon etenemissuunnan ja nestevirran suunnan välinen kulma on θ.

2. Mittausepävarmuuden analysointi

Nestevirran virtaama kaavan (3) mukaan koostuu neljästä osatekijästä: putken sisähalkaisija d, mitatussa nesteessä teoreettinen äänen nopeus C, ääniaallon taittumiskulman tangentti tanθ sekä etu- ja takavirtauksessa anturin AB läpi kulkevan nestevirran aikaväli Δt. Sen mittausepävarmuusanalyysi on seuraava:

1. Mittauksen toistettavuudesta johtuvan epävarmuuden arviointi putken sisähalkaisijan d mittaamisessa

Mukaan standardin **, putken nimellishalkaisija D ja putken paksuus s ovat vain likimääräisiä nimellismittoja. Putken ulkohalkaisija D ja putken paksuus s on mitattava aina uudelleen. Näin ollen tässä epävarmuudessa on kaksi komponenttia, eli mitattavan kohteen mittaustarkkuus ja käytetyn mittauslaitteen mittausepävarmuus. Käytännön kokemuksemme mukaan putken sisähalkaisijan d mittausepävarmuus on yleensä Urel (d) = 0,5 % (k = 2); näin ollen putken sisähalkaisijan d mittauksesta aiheutuva standardiepävarmuus on:

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

2. Nesteen äänennopeuden C mittauksesta aiheutuvan epävarmuuden arviointi, urel(C)

Teknisten tietojen mukaan tämä epävarmuus luokitellaan luokkaan B. Äänenvoimakkuuden mittauksen epävarmuus mitatussa nesteessä on:

Urel(C) = 0,6 % (k = 2). Tätä voidaan käyttää suoraan:

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

3. Epävarmuus, jonka mittauksen toistettavuus aiheuttaa etäisyydessä l transducerien A ja B välillä

Epävarmuuden urel (l) arviointi Etäisyyden l epävarmuus alavirtaan sijaitsevan transducerin A ja ylävirtaan sijaitsevan transducerin B välillä koostuu kahdesta komponentista: mitattavan kohteen toistettavuus ja käytetyn mittalaitteen mittausepävarmuus. Käytännön mittauskokemusten perusteella transducerien A ja B välisen etäisyyden mittauksen toistettavuudesta aiheutuva standardiepävarmuus on yleensä

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

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

4. Aikavälin Δt esittely läpimenoa varten transducerien AB välillä myötä- ja vastavirtaan

Epävarmuuden u(Δt) arviointi. Ulträäniläpimittarin transduktoreiden AB läpi kulkevien virtojen suunta- ja vastavirtaisten kulkuaikojen erotusta Δt mitataan vähentämällä ajasta t1, joka liittyy pulssin lähetykseen transduktorista A transduktoriin B suuntaisessa virrassa, aika t2, joka liittyy pulssin lähetykseen B:stä A:han vastavirtauksessa (katso kuva 1). Kaavan (1) mukaan sen epävarmuuden komponentit määräytyvät pääasiassa etäisyydestä l alavirtaan sijoitetun transduktorin A ja ylävirtaan sijoitetun transduktorin B välillä, putken sisähalkaisijasta d ja äänen nopeudesta C mitatussa nesteessä. Ajan ja taajuuden mittauksen tarkkuus on korkein kaikista mittausalueista. Ulträäniläpimittarin pulssin ajoituksen mittausvirhe voidaan jättää huomiotta. Etäisyys l, putken sisähalkaisija d ja äänen nopeus C mitatussa nesteessä sisältyvät muihin epävarmuuden komponentteihin. Näin ollen aikaeron Δt aiheuttama epävarmuus u(Δt), joka johtuu ylä- ja alavirtanesteiden eri kulkuajoista transduktoreiden AB läpi, voidaan jättää huomiotta.

III. Äänivirtausmittareiden kenttämittaustarkkuuden parantamiseksi käytettävät menetelmät

Kenttämittauksissa ensimmäinen vaihe on eri tekijöiden kattava analysointi. Kaikilla näillä tekijöillä on tietty vaikutus lopputuloksiin, kuten alla on esitetty.

1. Äänenvirtausnopeuden C epävarmuuden vaikutus ja empiiriset menetelmät kenttämittaustarkkuuden parantamiseksi

Ennen kenttämittausten aloittamista on tarjottava mitattava väliaine. Jos väliaine on kaasu, on ilmoitettava sen tarkka kaasukoostumus, käyttölämpötila ja käyttöpaine. Äänennopeus voidaan määrittää tarvittaessa asiaankuuluvien standardien avulla edellä mainittujen tietojen perusteella. Työskentelyväliaineen äänennopeudella C ei ole suurta vaikutusta ultraäänivirtausmittarin mittaustuloksiin. Jos väliaine on neste, on tarjottava nesteen nimi, käyttöpaine, käyttölämpötila, käyttöpaine sekä mahdollisten kiintoaineiden esiintyminen nesteessä. Äänennopeuden asetuksessa on otettava huomioon lämpötilan vaikutus. Veden ja vesiliuosten äänennopeus on suurempi kuin veden, ja useimmille nesteille pätee, että mitä korkeampi lämpötila, sitä suurempi äänennopeus. Kun neste sisältää runsaasti kiintoaineita (mutta mittausalueen rajoissa), voidaan menetellä kahdella tavalla: 1. Tasaisesti jakautuneet kiintoaineet. Tällöin signaali on suhteellisen vakaa, ja sen havaitseminen mittaamalla on vaikeaa. Mittausväliaineen yhteydessä tulee ilmoittaa kiintoaineiden aiheuttajat ja niiden tyyppi. Kun kiintoaineen tyyppi tunnetaan, nesteen äänennopeutta voidaan säätää sopivasti ja signaalin laadun perusteella voidaan vertailla tuloksia tarkemman mittauksen saavuttamiseksi. ② Epätasaisesti jakautuneiden kiintoaineiden tapauksessa signaalin voimakkuus vaihtelee huomattavasti. Tällöin paras menetelmä on mitata useita kertoja pitkän ajan kuluessa ja laskea keskiarvo useista mittapisteistä, joissa signaalin laatu on hyvä.

2. Suomalainen Vähäisyys l A- ja B-muuttajien välillä ja putken sisädiametri d

Mittauskertaisuuden vaikutus ja paikalla tapahtuvan mittauksen tarkkuuden parantamista koskevat menetelmät: Mittausputken valinnassa on valittava suorasta, vakaasta työvälin osasta, joka on kaukana pumppausaseman venttiilistä. Jos putkiston aine on nestemäistä, on myös valittava putkikorkeus, jossa on vähemmän todennäköistä, että pohjalla syntyy sedimentaatiota ja yläosassa kerääntyy ilmaa. Mittaus suoritetaan ensin, kun luotain on asennettu pystysuoraan ja sitten vaakasuorasti. Jos kahden mittauksen ero on ultrasonisen virtausmittarin sallitun suurimman virheen sisällä ja muut muut muutokset ovat muuttumattomat, siirrytaan seuraavaan mittaukseen lisää parametrien asettamista suoritettuaan. Muussa tapauksessa valitaan uudelleen mittausputki (jos kahden mittauksen ero ylittää ultraäänimittarin sallitun virheen, se osoittaa, että putkiosa ei ole täytetty työaineella).

Kun asetetaan seuraavan mittauksen yksityiskohtaisia parametreja, mittatarkkuutta vaikuttavat pääasiassa transducerien A ja B välinen etäisyys l ja putken sisähalkaisija d. Etäisyyttä l mitattaessa käytetään yleensä teräsmittaa tai viivaimellista mittaa viitaten etäisyyteen l. Putken sisähalkaisijan d mittaamiseen voidaan suoraan käyttää viivaimellista mittaa, kun putken ulkohalkaisija on pieni. Suurempien putkien yhteydessä on suositeltavaa käyttää tarkkaa teräsmittaa kehän mittaamiseen, jonka jälkeen halkaisija lasketaan. Kun mitataan putkia, joissa on vakavaa sisäistä kerrostumaa ja likaa, putken seinämäparametria s voidaan suurentaa ja seinämän äänennopeutta voidaan pienentää. Kun mitataan putkia, joissa on vakavaa sisäistä korroosiota, putken seinämäparametria s voidaan pienentää, mutta seinämän äänennopeus pysyy ennallaan.

Tässä artikkelissa käsitellään transitioaikapohjaisiin ultraääniläpimittareihin perustuvaa mittausepävarmuutta ja arvioidaan ultraääniläpimittareiden virheitä. Laitoksen vuosien kokemuksen perusteella ultraääniläpimittareiden kenttätestauksessa esitetään ja selitetään useita keskeisiä näkökohtia ultraääniläpimittareiden kenttämäärityksen tarkkuuden parantamiseksi.