Principio di funzionamento e taratura del misuratore di portata ad ultrasuoni

Un flussimetro ad ultrasuoni è un flussimetro di tipo velocità che utilizza impulsi ultrasuoni per misurare il flusso del fluido. Presenta un funzionamento senza contatto, un ampio intervallo di misurazione, facilità di trasporto e installazione, forte adattabilità ai diametri delle tubazioni, semplicità d'uso e facilità di digitalizzazione. È ampiamente utilizzato per la misurazione in loco della velocità e del flusso di gas e fluidi. Questo articolo illustra i principi di progettazione dei flussimetri ad ultrasuoni più comunemente utilizzati, analizza e valuta l'incertezza di misura degli errori di misurazione e discute i metodi per migliorare l'accuratezza delle misurazioni in loco.

I. Principio di misurazione dei flussimetri ad ultrasuoni

Il principio di funzionamento di un misuratore di portata ad ultrasuoni è mostrato nella Figura 1. Sono installati due sensori ad ultrasuoni: il trasduttore A a valle trasmette segnali a impulsi ultrasonici, e il trasduttore B a monte li riceve. I trasduttori sono montati utilizzando il metodo a morsetto esterno Z, uno su ciascun lato di una tubazione del fluido a una distanza specificata. Il diametro interno della tubazione è d, la velocità ultrasonica a valle è V e l'angolo θ tra la direzione di propagazione degli ultrasuoni e la direzione del flusso del fluido è θ.

2. Analisi dell'incertezza di misura

La portata del fluido, secondo la formula (3), è composta da quattro parti: il diametro interno della tubazione d, la velocità del suono teorica C nel fluido misurato, la tangente dell'angolo di rifrazione dell'onda sonora tanθ e la differenza di tempo Δt tra il flusso diretto e inverso del fluido che attraversa il trasduttore AB. L'analisi della sua incertezza di misura è la seguente.

1. Valutazione dell'incertezza introdotta dalla ripetibilità della misurazione del diametro interno della tubazione d

Secondo lo standard **, il diametro nominale della tubazione D e lo spessore della tubazione s sono soltanto dimensioni nominali approssimative. Il diametro esterno della tubazione D e lo spessore della tubazione s devono essere misurati ogni volta. Pertanto, questa incertezza ha due componenti, vale a dire la ripetibilità della misurazione dell'oggetto misurato e l'incertezza di misura dello strumento di misura utilizzato sul posto. Sulla base della nostra effettiva esperienza di misurazione sul campo, l'incertezza di misura del diametro interno della tubazione d è generalmente Urel (d) = 0,5% (k = 2); quindi, l'incertezza standard introdotta dalla misurazione del diametro interno della tubazione d è:

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

2. Valutazione dell'incertezza introdotta dalla misurazione della velocità del suono del fluido C, urel(C)

In base ai dati tecnici, questa incertezza viene valutata come Classe B. L'incertezza della misurazione della velocità del suono nel fluido misurato è:

Urel(C) = 0,6% (k = 2). Questa può essere direttamente riportata come:

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

3. Incertezza introdotta dalla ripetibilità della misura della distanza l tra i trasduttori A e B

Valutazione dell'incertezza di urel (l). L'incertezza di misura della distanza l tra il trasduttore a valle A e il trasduttore a monte B presenta due componenti: la ripetibilità della misura dell'oggetto misurato e l'incertezza di misura dello strumento utilizzato in sito. Sulla base della nostra effettiva esperienza di misura in campo, l'incertezza standard introdotta dalla ripetibilità della misura della distanza l tra i trasduttori A e B è generalmente

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

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

4. Introduzione al Tempo di Differenza Δt tra il flusso diretto e il flusso inverso attraverso i trasduttori AB

Valutazione dell'incertezza u(Δt) La differenza di tempo Δt tra il flusso diretto e il flusso contrario attraverso i trasduttori AB in un misuratore di portata ad ultrasuoni viene misurata sottraendo il tempo t1 del segnale trasmesso dal trasduttore A al trasduttore B nella direzione del flusso diretto e il tempo t2 del segnale trasmesso da B ad A nella direzione del flusso contrario (vedere Figura 1). Secondo la formula (1), le sue componenti di incertezza sono principalmente determinate dalla distanza l tra il trasduttore a valle A e il trasduttore a monte B, dal diametro interno d del tubo e dalla velocità del suono C nel fluido misurato. La precisione di misura di tempo e frequenza è la più alta tra tutte le discipline di misura. L'errore causato dalla misurazione del tempo degli impulsi del misuratore di portata ad ultrasuoni può essere ignorato. La distanza l, il diametro interno del tubo d e la velocità del suono C nel fluido misurato sono incluse in altre componenti di incertezza. Pertanto, l'incertezza u(Δt) introdotta dalla differenza di tempo Δt tra i fluidi a monte e a valle che passano attraverso i trasduttori AB può essere ignorata.

III. Metodi per Migliorare la Precisione delle Misure sul Campo dei Contatori a Ultrasuoni

Nelle misurazioni sul campo, il primo passo è effettuare un'analisi completa di diversi fattori. Questi fattori hanno tutti un certo impatto sui risultati finali delle misurazioni, come mostrato di seguito.

1. L'Impatto dell'Incertezza della Velocità del Suono C e Metodi Empirici per Migliorare la Precisione delle Misure sul Campo

Prima di iniziare le misurazioni sul campo, è necessario fornire il mezzo da misurare. Se il mezzo è un gas, devono essere forniti la composizione specifica del gas, la temperatura operativa e la pressione operativa. La velocità del suono ultrasonico può essere ottenuta consultando gli standard pertinenti utilizzando le informazioni sopra indicate. L'influenza della velocità del suono C del mezzo di lavoro sul misuratore di portata ultrasonico avrà un impatto minore sui risultati delle misurazioni. Se il mezzo è un liquido, devono essere forniti il nome specifico del liquido, la pressione operativa, la temperatura operativa, la pressione operativa e la presenza di particelle sospese nel liquido. L'impostazione della velocità del suono deve tenere in considerazione gli effetti della temperatura. La velocità del suono nelle soluzioni acquose è maggiore rispetto a quella dell'acqua e, per la maggior parte dei fluidi, più alta è la temperatura, maggiore sarà la velocità del suono. Quando nel fluido sono presenti molte particelle (ma entro il range di misurazione), si possono adottare due approcci: 1. Particelle distribuite uniformemente. In questo caso, il segnale è relativamente stabile, rendendo difficile rilevarlo attraverso la misurazione. Il mezzo da misurare deve fornire la causa e il tipo delle particelle. Una volta noto il tipo di particelle, la velocità del suono del fluido può essere opportunamente regolata e la qualità del segnale può essere confrontata per ottenere risultati di misurazione più precisi. ② Nel caso di particelle non uniformi, l'intensità del segnale fluttuerà significativamente. In questa situazione, il miglior approccio è effettuare misurazioni per un lungo periodo di tempo e calcolare la media delle letture in diversi punti con una buona qualità del segnale.

2. Distanza l tra i trasduttori A e B e diametro interno del tubo d

L'impatto della ripetibilità delle misure e i metodi per migliorare l'accuratezza delle misure in loco: Quando si seleziona la tubazione per la misurazione, scegliere un tratto rettilineo e stabile del mezzo operativo, lontano dalla valvola della stazione di pompaggio. Se il mezzo nella tubazione è liquido, selezionare inoltre un tratto di tubo dove si verifica meno frequentemente la sedimentazione sul fondo e l'accumulo d'aria in alto. Misurare inizialmente con la sonda installata in posizione verticale, quindi in posizione orizzontale. Se la differenza tra le due misurazioni rientra nell'errore massimo consentito del flussimetro a ultrasuoni, mantenendo invariati gli altri parametri, procedere alla misurazione successiva dopo ulteriori impostazioni dei parametri. In caso contrario, selezionare nuovamente la tubazione per la misurazione (se la differenza tra le due misurazioni supera l'errore consentito del flussimetro a ultrasuoni, ciò indica che la sezione del tubo non è completamente riempita dal mezzo operativo).

Quando si impostano i parametri dettagliati per la prossima misurazione, i principali fattori che influenzano l'accuratezza della misurazione sono la distanza l tra i trasduttori A e B e il diametro interno d del tubo. La distanza l viene generalmente misurata con un righello di acciaio o un calibro a corsoio in base alla distanza l. Per misurare il diametro interno d del tubo, è possibile utilizzare direttamente un calibro a corsoio quando il diametro esterno del tubo è piccolo. Per tubi più grandi, è preferibile utilizzare un righello di acciaio di precisione per misurare la circonferenza e successivamente calcolare il diametro. Quando si misurano tubi con depositi e incrostazioni interne gravi, è possibile aumentare il parametro dello spessore del tubo s e ridurre la velocità del suono nella parete. Quando si misurano tubi con corrosione interna grave, il parametro dello spessore del tubo s può essere ridotto, ma la velocità del suono nella parete rimane invariata.

Basato sul principio dei misuratori di portata ultrasonici a tempo di transito, questo documento analizza e valuta l'incertezza di misura degli errori del misuratore di portata ultrasonico. Sulla base dell'esperienza pluriennale del nostro istituto nei test sul campo dei misuratori di portata ultrasonici, vengono proposti ed illustrati diversi punti chiave per migliorare l'accuratezza delle misurazioni sul campo dei misuratori di portata ultrasonici.