अल्ट्रासोनिक फ्लोमीटर का कार्य सिद्धांत और कैलिब्रेशन

अल्ट्रासोनिक फ्लोमीटर एक वेग-प्रकार का फ्लोमीटर होता है जो तरल प्रवाह को मापने के लिए अल्ट्रासोनिक पल्स का उपयोग करता है। इसमें गैर-संपर्क संचालन, मापने की विस्तृत सीमा, सरल पोर्टेबिलिटी और स्थापना, पाइप व्यास के लिए मजबूत अनुकूलन क्षमता, उपयोग में आसानी और डिजिटाइज़ेशन में आसानी जैसे गुण होते हैं। इसका उपयोग व्यापक रूप से गैस और तरल वेग एवं प्रवाह के स्थानीय माप के लिए किया जाता है। यह लेख सबसे अधिक उपयोग किए जाने वाले अल्ट्रासोनिक फ्लोमीटर के डिज़ाइन सिद्धांतों का परिचय देता है, उनकी माप त्रुटियों की माप अनिश्चितता का विश्लेषण और मूल्यांकन करता है, तथा स्थानीय माप की सटीकता में सुधार के तरीकों पर चर्चा करता है।

I. अल्ट्रासोनिक फ्लोमीटर का माप सिद्धांत

अल्ट्रासोनिक फ्लोमीटर के संचालन सिद्धांत को चित्र 1 में दर्शाया गया है। दो अल्ट्रासोनिक प्रोब स्थापित किए गए हैं: डाउनस्ट्रीम ट्रांसड्यूसर A अल्ट्रासोनिक पल्स सिग्नल प्रेषित करता है, और अपस्ट्रीम ट्रांसड्यूसर B उन्हें प्राप्त करता है। ट्रांसड्यूसरों को Z विधि के द्वारा बाहर से क्लैंप किया गया है, प्रत्येक तरफ एक, निर्दिष्ट दूरी पर एक तरल पाइपलाइन के दोनों ओर। पाइपलाइन का आंतरिक व्यास d है, डाउनस्ट्रीम अल्ट्रासोनिक वेग V है, और अल्ट्रासोनिक संचरण दिशा और तरल प्रवाह दिशा के बीच कोण θ है।

2. मापन अनिश्चितता विश्लेषण

सूत्र (3) के अनुसार तरल प्रवाह दर में चार भाग शामिल होते हैं: पाइप का आंतरिक व्यास d, मापे गए तरल पदार्थ में सैद्धांतिक ध्वनि वेग C, ध्वनि तरंग अपवर्तन कोण की स्पर्शज्या tanθ, और ट्रांसड्यूसर AB से तरल के अग्र और पश्च प्रवाह के समय में अंतर Δt। इसके मापन अनिश्चितता विश्लेषण निम्नानुसार है।

1. पाइप d के आंतरिक व्यास के मापन की पुनरावृत्ति द्वारा पेश की गई अनिश्चितता का मूल्यांकन

** मानक के अनुसार, पाइप का नाममात्र व्यास D और पाइप की मोटाई s केवल अनुमानित नाममात्र आयाम हैं। पाइप का बाहरी व्यास D और पाइप की मोटाई s प्रत्येक बार मापी जानी चाहिए। इसलिए, इस अनिश्चितता में दो घटक हैं, अर्थात् मापित वस्तु के मापन पुनरावृत्ति और स्थान पर उपयोग किए जाने वाले मापने वाले यंत्र की मापन अनिश्चितता। हमारे वास्तविक स्थान पर मापने के अनुभव के अनुसार, पाइप d के आंतरिक व्यास के मापन में अनिश्चितता सामान्यतः Urel (d) = 0.5% (k = 2) है; इसलिए, पाइप आंतरिक व्यास d के मापन द्वारा पेश की गई मानक अनिश्चितता है:

urel(d) = urel(d) / k = 0.5% / 2 = 0.25%

2. द्रव ध्वनि वेग C, urel(C) के मापन द्वारा पेश की गई अनिश्चितता का मूल्यांकन

तकनीकी डेटा के अनुसार, इस अनिश्चितता को वर्ग B के रूप में मूल्यांकित किया गया है। मापे गए तरल पदार्थ में ध्वनि वेग मापन की अनिश्चितता है:

Urel(C) = 0.6% (k = 2)। इसे सीधे उद्धृत किया जा सकता है:

urel (C) = Urel (C) / k = 0.6% / 2 = 0.3%

3. ट्रांसड्यूसर A और B के बीच की दूरी l के मापन पुनरावृत्ति द्वारा पेश की गई अनिश्चितता

Urel (l) की अनिश्चितता का मूल्यांकन डाउनस्ट्रीम ट्रांसड्यूसर A और अपस्ट्रीम ट्रांसड्यूसर B के बीच दूरी l की मापन अनिश्चितता में दो घटक होते हैं: मापे गए वस्तु की मापन पुनरावृत्ति और स्थान पर उपयोग किए गए मापने वाले यंत्र की मापन अनिश्चितता। हमारे वास्तविक क्षेत्र मापन अनुभव के आधार पर, ट्रांसड्यूसर A और B के बीच दूरी l के मापन पुनरावृत्ति द्वारा पेश की गई मानक अनिश्चितता है यह अनिश्चितता सामान्यतः

Urel(l) = 0.6% (k = 2):

Urel(l) = s/k = 0.5%/2 = 0.25%

4. अग्रवाह और प्रतिवाह में ट्रांसड्यूसर AB के माध्यम से प्रवाह के समय अंतर Δt का परिचय

अनिश्चितता u(Δt) का मूल्यांकन एक अल्ट्रासोनिक प्रवाहमापी में अनुगामी और प्रतिगामी प्रवाह में ट्रांसड्यूसर AB के माध्यम से प्रवाह के समय अंतर Δt की गणना, अनुगामी प्रवाह दिशा में ट्रांसड्यूसर A से B तक संचरित पल्स के समय t1 में से प्रतिगामी दिशा में B से A तक संचरित पल्स के समय t2 को घटाकर मापा जाता है (चित्र 1 देखें)। सूत्र (1) के अनुसार, इसके अनिश्चितता घटक मुख्य रूप से धारा के नीचे के ट्रांसड्यूसर A और धारा के ऊपर के ट्रांसड्यूसर B के बीच की दूरी l, पाइप के आंतरिक व्यास d, और मापे गए तरल में ध्वनि वेग C द्वारा निर्धारित किए जाते हैं। समय और आवृत्ति के मापन की मापन सटीकता सभी मापन अनुशासनों में सबसे अधिक होती है। अल्ट्रासोनिक प्रवाहमापी पल्स समय मापन से होने वाली त्रुटि को नगण्य माना जा सकता है। मापे गए तरल में दूरी l, पाइप का आंतरिक व्यास d और ध्वनि वेग C अन्य अनिश्चितता घटकों में शामिल हैं। इसलिए, ट्रांसड्यूसर AB से होकर गुजरने वाले ऊपर की ओर और नीचे की ओर के तरल के समय अंतर Δt द्वारा पेश की गई अनिश्चितता u (Δt) को नगण्य माना जा सकता है।

III. अल्ट्रासोनिक फ्लो मीटर के फील्ड माप की सटीकता में सुधार के तरीके

क्षेत्र माप में, पहला कदम विभिन्न कारकों का एक व्यापक विश्लेषण करना है। ये सभी कारक अंतिम माप परिणामों पर एक निश्चित प्रभाव डालते हैं, जैसा कि नीचे दिखाया गया है।

1. ध्वनि वेग सी में अनिश्चितता और फील्ड माप सटीकता में सुधार के अनुभवजन्य तरीकों का प्रभाव

क्षेत्र में मापन शुरू करने से पहले, मापे जाने वाले माध्यम की आपूर्ति की जानी चाहिए। यदि माध्यम एक गैस है, तो विशिष्ट गैस संरचना, संचालन तापमान और संचालन दबाव प्रदान किया जाना चाहिए। उपरोक्त जानकारी का उपयोग करके प्रासंगिक मानकों की सलाह लेकर अल्ट्रासोनिक ध्वनि वेग प्राप्त किया जा सकता है। कार्यशील माध्यम के ध्वनि वेग C का अल्ट्रासोनिक फ्लोमीटर पर प्रभाव मापन परिणामों पर कम प्रभाव डालेगा। यदि माध्यम एक तरल है, तो विशिष्ट तरल का नाम, संचालन दबाव, संचालन तापमान, संचालन दबाव और तरल में निलंबित कणों की उपस्थिति प्रदान की जानी चाहिए। ध्वनि वेग सेटिंग तापमान प्रभावों को ध्यान में रखकर की जानी चाहिए। जलीय घोल का ध्वनि वेग पानी की तुलना में अधिक होता है, और अधिकांश तरल पदार्थों के लिए, तापमान जितना अधिक होगा, ध्वनि वेग उतना ही तेज होगा। जब तरल में कणों की संख्या अधिक होती है (लेकिन मापन सीमा के भीतर), तो दो दृष्टिकोण होते हैं: 1. समान रूप से वितरित कण। इस मामले में, संकेत अपेक्षाकृत स्थिर होता है, जिससे मापन के माध्यम से पता लगाना कठिन होता है। मापे जाने वाले माध्यम को कणों के कारण और प्रकार प्रदान करना चाहिए। एक बार कण प्रकार ज्ञात हो जाने के बाद, तरल के ध्वनि वेग को उचित ढंग से समायोजित किया जा सकता है, और संकेत गुणवत्ता की तुलना करके अधिक सटीक मापन परिणाम प्राप्त किए जा सकते हैं। ② असमान कणों की स्थिति में, संकेत तीव्रता में काफी उतार-चढ़ाव होगा। इस मामले में, सबसे अच्छा तरीका कई बिंदुओं पर अच्छी संकेत गुणवत्ता के साथ लंबे समय तक मापन करना और पठनों का औसत लेना है।

2. ट्रांसड्यूसर A और B और पाइप के आंतरिक व्यास d के बीच की दूरी l

मापन योग्यता की पुनरावृत्ति पर प्रभाव और स्थान पर मापने की सटीकता में सुधार के तरीके: मापन पाइपलाइन का चयन करते समय, कार्यशील माध्यम का एक सीधा, स्थिर भाग चुनें, पंप स्टेशन वाल्व से दूर। यदि पाइपलाइन में माध्यम तरल है, तो पाइप के उस भाग का चयन करें जिसमें नीचे अवसादन और शीर्ष पर हवा का संचयन कम होने की संभावना होती है। प्रारंभ में, प्रोब को ऊर्ध्वाधर स्थिति में स्थापित करके मापें, फिर क्षैतिज रूप से। यदि दो मापनों के बीच का अंतर अल्ट्रासोनिक फ्लोमीटर की अधिकतम अनुमेय त्रुटि के भीतर है और अन्य पैरामीटर अपरिवर्तित हैं, तो अन्य पैरामीटर सेटिंग्स के बाद अगले मापन पर जाएं। अन्यथा, मापन के लिए पाइपलाइन का पुनः चयन करें (यदि दो मापनों के बीच का अंतर अल्ट्रासोनिक फ्लोमीटर की अनुमेय त्रुटि से अधिक है, तो इसका तात्पर्य है कि पाइप का भाग कार्यशील माध्यम से भरा नहीं है)।

अगले मापन के लिए विस्तृत पैरामीटर सेट करते समय, मापन की सटीकता को प्रभावित करने वाले मुख्य कारक ट्रांसड्यूसर A और B के बीच की दूरी l और पाइप का आंतरिक व्यास d हैं। दूरी l को सामान्यतः दूरी l के आधार पर स्टील के पैमाने या वर्नियर कैलिपर से मापा जाता है। पाइप के आंतरिक व्यास d को मापने के लिए, जब पाइप का बाहरी व्यास छोटा होता है, तो सीधे वर्नियर कैलिपर का उपयोग किया जा सकता है। बड़े पाइपों के लिए, परिधि को मापने और फिर व्यास की गणना करने के लिए सटीक स्टील के पैमाने का उपयोग करना सबसे अच्छा होता है। गंभीर आंतरिक निक्षेप और गंदगी वाले पाइपों को मापते समय, पाइप की दीवार के पैरामीटर s को बढ़ाया जा सकता है और दीवार में ध्वनि वेग को घटाया जा सकता है। गंभीर आंतरिक संक्षारण वाले पाइपों को मापते समय, पाइप की दीवार के पैरामीटर s को घटाया जा सकता है, लेकिन दीवार में ध्वनि वेग अपरिवर्तित रहता है।

ट्रांज़िट-टाइम अल्ट्रासोनिक फ्लोमीटर के सिद्धांत के आधार पर, इस लेख में अल्ट्रासोनिक फ्लोमीटर त्रुटियों के मापन अनिश्चितता का विश्लेषण और मूल्यांकन किया गया है। हमारे संस्थान के अल्ट्रासोनिक फ्लोमीटर के क्षेत्र परीक्षण में वर्षों के अनुभव के आधार पर, हम अल्ट्रासोनिक फ्लोमीटर के क्षेत्र मापन की सटीकता में सुधार के लिए कई महत्वपूर्ण बिंदुओं का प्रस्ताव और स्पष्टीकरण प्रस्तुत करते हैं।