Ultrahangos áramlásmérő működési elve és kalibrációja

Az ultrahangos áramlásmérő egy sebességi áramlásmérő, amely ultrahangos impulzusokat használ a folyadékáramlás mérésére. Előnyei közé tartozik a nem érintkező mérés, széles mérési tartomány, könnyű hordozhatóság és telepíthetőség, jó alkalmazkodóképesség a csőátmérőkhöz, egyszerű kezelhetőség és digitalizálhatóság. Széles körben használják gázok és folyadékok sebességének és áramlási mennyiségének helyszíni mérésére. Ez a cikk a leggyakrabban használt ultrahangos áramlásmérők tervezési elveit ismerteti, elemzi és értékeli a mérési hibáik mérési bizonytalanságát, valamint tárgyalja a helyszíni mérési pontosság javításának módszereit.

I. Az ultrahangos áramlásmérők mérési elve

Az ultrahangos áramlásmérő működési elvét az 1. ábra szemlélteti. Két ultrahangos érzékelőt szerelnek fel: az A jeladó érzékelő ultrahangos impulzusjeleket bocsát ki, és a B vevő érzékelő fogadja azokat. Az érzékelőket a külső bilincsmódszerrel (Z-módszer) szerelik fel, egy-egy darabot a folyadékvezeték két oldalára, előírt távolságra egymástól. A cső belső átmérője d, a lefelé irányuló ultrahangsebesség V, a hanghullám terjedési iránya és a folyadék áramlásának iránya közötti szög θ.

2. Mérési bizonytalanság elemzése

A folyadék áramlási sebessége a (3) képlet szerint négy részből áll: a cső belső átmérője d, a mért folyadékban lévő elméleti hangsebesség C, a hanghullám törési szögének tangense tanθ, valamint az AB érzékelőn keresztülhaladó folyadék előremenő és visszamenő áramlásának időkülönbsége Δt. A mérési bizonytalanság elemzése a következőképpen történik.

1. Az ismételhetőségből fakadó bizonytalanság értékelése a cső belső átmérőjének mérésénél d

A ** szabvány szerint a cső névleges átmérője D és a cső falvastagsága s csak hozzávetőleges névleges méretek. A cső külső átmérőjét D és a cső falvastagságát s minden egyes mérésnél meg kell mérni. Ezért ennek a bizonytalanságnak két összetevője van, nevezetesen a mérendő objektum mérési ismételhetősége és a helyszíni mérőeszköz mérési bizonytalansága. A gyakorlati helyszíni mérési tapasztalataink alapján a cső belső átmérőjének mérési bizonytalansága általában Urel (d) = 0,5% (k = 2); ezért a cső belső átmérőjének d méréséből fakadó standard bizonytalanság:

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

2. A folyadék hangsebességének méréséből fakadó bizonytalanság értékelése C, urel(C)

A műszaki adatok alapján ezt az bizonytalanságot B osztálynak értékeltük. A mért folyadékban a hangsebesség mérési bizonytalansága:

Urel(C) = 0,6% (k = 2). Ez közvetlenül idézhető:

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

3. A távolság mérési ismételhetőségéből fakadó bizonytalanság az A és B átalakítók között (l)

Az urel (l) bizonytalanság értékelése Az l távolság mérési bizonytalansága az A alsó vezetékű és a B felső vezetékű átalakító között két komponensből tevődik össze: a mérendő tárgy mérési ismételhetőségéből és a helyszínen használt mérőműszer mérési bizonytalanságából. A tényleges terepi mérési tapasztalataink alapján az A és B átalakítók közötti l távolság mérési ismételhetőségből fakadó szabványos bizonytalanság. A bizonytalanság általában

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

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

4. Az időkülönbség (Δt) bevezetése a közvetlen és az ellenkező irányú áramlás esetén az AB átalakítókon keresztül

Az u(Δt) bizonytalanság értékelése Az ultrahangos áramlásmérőben a transzduktorokon (AB) áthaladó egyenes és ellenáramlású folyadék közötti Δt időkülönbséget a t1 idő és a t2 idő kivonásával határozzák meg, ahol t1 az A transzduktorból B-be, az áramlási irányban küldött impulzus ideje, míg t2 a B-ből A-ba, ellenáramlásban küldött impulzus ideje (lásd az 1. ábrát). A (1) képlet szerint a bizonytalanság összetevőit elsősorban az l távolság (a B transzduktor és az A transzduktor között), a cső belső átmérője (d), valamint a mért folyadékban mért hangsebesség (C) határozzák meg. Az idő és frekvencia mérési pontossága a legmagasabb az összes mérési területen. Az ultrahangos áramlásmérő impulzusidőzítési méréséből fakadó hiba elhanyagolható. Az l távolság, a cső belső átmérője (d) és a folyadékban mért hangsebesség (C) más bizonytalansági összetevőkbe is beletartozik. Ezért az u(Δt) bizonytalanságot, amelyet az áramlásirányban és ellenkező irányban áthaladó folyadék közötti Δt időkülönbség okoz a transzduktorokon (AB) áthaladva, elhanyagolhatónak tekinthető.

III. Ultrahangos áramlásmérők terepi mérési pontosságának javítási módszerei

A terepi mérések során az első lépés különböző tényezők komplex elemzése. Ezek a tényezők mind befolyásolják a végső mérési eredményeket, az alábbiak szerint.

1. A hangsebesség C bizonytalanságának hatása és tapasztalati módszerek a terepi mérési pontosság javítására

A mérési helyszíni mérések megkezdése előtt meg kell adni a mérendő közeget. Ha a közeg gáz, akkor a gáz pontos összetételét, üzemi hőmérsékletét és üzemi nyomását kell megadni. A hangsebesség az előző információk alapján a vonatkozó szabványok felhasználásával kapható meg. A munkaközeg hangsebességének (C) az ultrahangos áramlásmérőre gyakorolt hatása kisebb mértékben befolyásolja a mérési eredményeket. Ha a közeg folyadék, akkor meg kell adni a folyadék pontos nevét, üzemi nyomását, üzemi hőmérsékletét, valamint azt, hogy a folyadék tartalmaz-e lebegő szennyeződést. A hangsebesség beállításnál figyelembe kell venni a hőmérsékleti hatásokat. Az oldatok hangsebessége nagyobb, mint a vízé, és a legtöbb folyadéknál a magasabb hőmérséklet gyorsabb hangsebességet eredményez. Ha a folyadék sok részecskét tartalmaz (de a mérési tartományon belül van), két megközelítés létezik: 1. Egyenletesen elosztott részecskék. Ebben az esetben a jel viszonylag stabil, így a mérés során nehezen észlelhető. A mérendő közegnél meg kell adni a részecskék okát és típusát. Ha a részecsketípus ismert, a folyadék hangsebessége megfelelő módon beállítható, és a jelminőségek összehasonlításával pontosabb mérési eredmények érhetők el. ② Egyenlőtlenül elosztott részecskék esetén a jel intenzitása jelentősen ingadozhat. Ebben az esetben a legjobb megoldás a mérés hosszabb időtartama alatt elvégezni, és több, jó jelminőségű pont mérési eredményeit átlagolni.

2. A távolság (l) a két átalakító (A és B) között és a cső belső átmérője (d)

A mérés ismételhetőségének hatása és módszerek a helyszíni mérési pontosság javítására: A mérőcső kiválasztásakor válasszon egyenes, stabil szakaszt a munkaközeg számára, amely távol van a szivattyúállomás szeleptől. Ha a csővezetékben lévő közeg folyadék, akkor olyan csőszakaszt is válasszon, amely kevésbé hajlamos arra, hogy az üledék a cső aljára és a levegő a tetejére gyűljön. Először mérjen úgy, hogy a mérőfej függőlegesen van felszerelve, majd vízszintesen. Ha a két mérés közötti különbség az ultrahangos áramlásmérő által megengedett maximális hibahatáron belül van, és más paraméterek nem változnak, akkor folytassa a következő mérést a további paraméterek beállítása után. Ellenkező esetben válasszon másik csőszakaszt a méréshez (ha a két mérés közötti különbség meghaladja az ultrahangos áramlásmérő által megengedett hibahatárt, az azt jelzi, hogy a csővezeték nincs teljesen feltöltve munkaközeggel).

A következő mérés részletes paramétereinek beállításakor a mérési pontosságot befolyásoló fő tényezők a távolság (l) az A és B átalakítók között, valamint a cső belső átmérője (d). A távolságot (l) általában acélvonalzó vagy vernier mikrométerrel mérik, a távolság (l) alapján. A cső belső átmérőjének (d) mérésére közvetlenül használható a vernier mikrométer, ha a cső külső átmérője kicsi. Nagyobb csövek esetén ajánlott a körkerület mérése nagy pontosságú acélvonalzóval, majd az átmérő kiszámítása. Amikor a csövek belső része erősen lerakódott vagy szennyezett, a csőfal paraméter (s) növelhető, a falban mért hangsebesség pedig csökkenthető. Erősen belülről korróziós csövek mérésekor a csőfal paraméter (s) csökkenthető, de a falban mért hangsebesség változatlan marad.

A méréstani időátviteli ultrahangos áramlásmérők elve alapján ez a tanulmány elemzi és értékeli az ultrahangos áramlásmérők mérési bizonytalanságát. Intézetünk évek óta tartó tapasztalatai alapján a terepi ultrahangos áramlásmérők vizsgálatában, javaslatot és magyarázatot adunk néhány kulcsfontosságú pontra, amelyek javítják az ultrahangos áramlásmérők terepi mérési pontosságát.