U skladu s člankom 6. stavkom 2.

Ultrazvučni protocni mjerač je protocni mjerač tipa brzine koji koristi ultrazvučne impulse za mjerenje protoka tekućine. Ima nekontaktnu operaciju, široki raspon mjerenja, jednostučnu prijenosivost i instalaciju, jaku prilagodljivost promjerima cijevi, jednostotu uporabe i jednostotu digitalizacije. Široko se koristi za mjerenje brzine i protoka plina i tekućine na terenu. Ovaj članak objašnjava načela dizajna najčešće korištenih ultrazvučnih protocnih mjerača, analizira i evaluira mjeru nesigurnosti njihovih mjernih pogrešaka te raspravlja metode za poboljšanje točnosti mjerenja na terenu.

I. Mjerno načelo ultrazvučnih protocnih mjerača

Načelo rada ultrazvučnog mjerila protoka prikazano je na slici 1. Instalirana su dva ultrazvučna sonda: donji pretvornik A šalje ultrazvučne signale impulsa, a gornji pretvornik B ih prima. Pretvornici su montirani pomoću vanjskog stezaljki Z, svaki na jednoj strani cjevovoda s tekućinom na propisanoj udaljenosti. Unutarnji promjer cjevovoda je d, brzina ultrazvuka nizvodno je V, a kut θ između smjera širenja ultrazvuka i smjera toka tekućine je θ.

2. Analiza mjerne nesigurnosti

Protok tekućine prema formuli (3) sastoji se od četiri dijela: unutarnji promjer cijevi d, teorijska brzina zvuka C u mjerenoj tekućini, tangens kuta loma zvučnog vala tanθ i vremenska razlika Δt između prolaska tekućine u smjeru naprijed i natrag kroz pretvornik AB. Analiza njezine mjerne nesigurnosti je sljedeća.

1. Procjena nesigurnosti koju unosi ponovljivost mjerenja unutarnjeg promjera cijevi d

Prema standardu **, nominalni promjer cijevi D i debljina zida cijevi s su samo približne nazivne dimenzije. Vanjski promjer cijevi D i debljina zida cijevi s moraju se izmjeriti svaki put. Stoga, ova nesigurnost ima dvije komponente, a to su ponovljivost mjerenja mjerene veličine i mjerna nesigurnost mjernog instrumenta koji se koristi na terenu. Prema našem stvarnom iskustvu s mjerenjima na terenu, mjerna nesigurnost unutarnjeg promjera cijevi d iznosi općenito Urel (d) = 0,5% (k = 2); stoga je standardna nesigurnost koju unosi mjerenje unutarnjeg promjera cijevi d sljedeća:

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

2. Procjena nesigurnosti koju unosi mjerenje brzine zvuka fluida C, urel(C)

Prema tehničkim podacima, ova nesigurnost se procjenjuje kao klasa B. Nesigurnost mjerenja brzine zvuka u mjerenoj tekućini iznosi:

Urel(C) = 0,6% (k = 2). Ovo se može izravno citirati:

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

3. Nesigurnost unesena ponovljivosti mjerenja udaljenosti l između pretvornika A i B

Procjena nesigurnosti urel (l) Nesigurnost mjerenja udaljenosti l između donjeg pretvornika A i gornjeg pretvornika B ima dvije komponente: ponovljivost mjerenja mjerene veličine i nesigurnost mjernog instrumenta koji se koristi na terenu. Na temelju našeg stvarnog iskustva s mjerenjima na terenu, standardna nesigurnost unesena ponovljivosti udaljenosti l između pretvornika A i B je općenito

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

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

4. Uvod u vremensku razliku Δt između strujanja nizvodno i uzvodno kroz pretvornike AB

Procjena nesigurnosti u(Δt) Vremenska razlika Δt između prolaska struje naprijed i unazad kroz pretvarače AB u ultrazvučnom mjerilu protoka mjeri se tako da se vrijeme t1 oduzme od impulsa koji se šalje s pretvarača A do B u smjeru strujanja naprijed, i t2 od impulsa koji se šalje s B do A u smjeru strujanja unazad (vidi Sliku 1). Prema formuli (1), komponente nesigurnosti u velikoj mjeri određuje udaljenost l između donjeg pretvarača A i gornjeg pretvarača B, unutarnji promjer cijevi d i brzina zvuka C u mjerenoj tekućini. Točnost mjerenja vremena i frekvencije najveća je među svim disciplinama mjerenja. Greška izazvana mjerenjem vremenskog označavanja impulsa ultrazvučnog mjerila protoka može se zanemariti. Udaljenost l, unutarnji promjer cijevi d i brzina zvuka C u mjerenoj tekućini uključeni su u druge komponente nesigurnosti. Stoga, nesigurnost u (Δt) koju unosi vremenska razlika Δt između prolaska tekućine s gornjeg i donjeg toka kroz pretvarače AB može se zanemariti.

III. Metode za poboljšanje točnosti mjerenja ultrazvučnih mjerača protoka na terenu

Kod terenskih mjerenja, prvi korak je provedba sveobuhvatne analize različitih čimbenika. Svi ovi čimbenici imaju određeni utjecaj na konačne rezultate mjerenja, kao što je prikazano u nastavku.

1. Utjecaj nesigurnosti brzine zvuka C i empirijske metode za poboljšanje točnosti terenskih mjerenja

Prije početka mjerenja na terenu, treba osigurati mjerenu sredinu. Ako je sredina plin, treba navesti sastav plina, radnu temperaturu i radni tlak. Brzinu zvuka u ultrazvuku može se odrediti konzultacijom relevantnih standarda koristeći navedene informacije. Utjecaj brzine zvuka C radne sredine na ultrazvučni protokomjer manje će utjecati na rezultate mjerenja. Ako je sredina tekućina, treba navesti točan naziv tekućine, radni tlak, radnu temperaturu, te prisutnost suspendiranih čestica u tekućini. Postavka brzine zvuka treba uzeti u obzir utjecaj temperature. Brzina zvuka u vodenim otopinama veća je nego u vodi, a za većinu tekućina vrijedi pravilo da što je viša temperatura, to je veća brzina zvuka. Kada u tekućini ima puno čestica (ali unutar mjernog raspona), postoje dva pristupa: 1. Čestice su jednoliko raspoređene. U tom slučaju signal je relativno stabilan, pa je teško detektirati mjerenjem. Mjerena sredina treba navesti uzrok i vrstu čestica. Kada se zna vrsta čestica, brzinu zvuka u tekućini može se prilagoditi i usporediti kvalitetu signala kako bi se dobili točniji rezultati mjerenja. ② Kod nejednolike raspodjele čestica, jačina signala znatno će fluktuirati. U tom slučaju najbolje je izvršiti mjerenje tijekom duljeg vremenskog razdoblja i usrednjeti očitanja na nekoliko točaka s dobrim kvalitetom signala.

2. Razmak l između pretvornika A i B te unutarnji promjer cijevi d

Utjecaj ponovljivosti mjerenja i metoda za poboljšanje točnosti mjerenja na terenu: Prilikom odabira mjernog cjevovoda, odaberite ravan, stabilan dio radnog medija, udaljen od pumpe i ventila. Ako je medij u cijevi tekućina, također odaberite dio cijevi u kojem je manje vjerojatno da će doći do taloženja na dnu i nakupljanja zraka na vrhu. Inicijalno izmjerite s onim postavljenim vertikalno, a zatim horizontalno. Ako je razlika između dva mjerenja unutar maksimalne dopuštene pogreške ultrazvučnog protokomjera, uz ostale nepromijenjene parametre, prijeđite na sljedeće mjerenje nakon dodatnih postavki parametara. U suprotnom, ponovno odaberite cjevovod za mjerenje (ako je razlika između dva mjerenja veća od dopuštene pogreške ultrazvučnog protokomjera, to ukazuje da cjevovod nije potpuno ispunjen radnim medijem).

Kada se postavljaju detaljni parametri za sljedeće mjerenje, glavni čimbenici koji utječu na točnost mjerenja su udaljenost l između pretvornika A i B te unutarnji promjer cijevi d. Udaljenost l se generalno mjeri pomoću čeličnog metra ili šublera, ovisno o udaljenosti l. Za mjerenje unutarnjeg promjera cijevi d, šubler se može izravno koristiti kada je vanjski promjer cijevi malen. Za veće cijevi, preporučuje se korištenje preciznog čeličnog metra za mjerenje opsega, a zatim se izračunava promjer. Kada se mjeri cijev s teškim unutarnjim naslagama i zapušenjem, parametar stijenke cijevi s može se povećati, a brzina zvuka u stijenki smanjiti. Kada se mjeri cijev s teškom unutarnjom korozijom, parametar stijenke cijevi s može se smanjiti, ali brzina zvuka u stijenki ostaje nepromijenjena.

Na temelju principa ultrazvučnih protokomjera s vremenskim prijelazom, ovaj rad analizira i procjenjuje mjerenu nesigurnost grešaka ultrazvučnih protokomjera. Na temelju godinama iskustva našeg instituta u poljskom ispitivanju ultrazvučnih protokomjera, predlažemo i objašnjavamo nekoliko ključnih točaka za poboljšanje točnosti mjerenja ultrazvučnih protokomjera na terenu.