עקרון הפעולה והסימון של מדידת זרימה אולטראסונית

מדיד אולטראסוני הוא מדיד מהירות שמשתמש בפולסים אולטראסוניים כדי למדוד את זרימת הנוזל. הוא מופעל ללא מגע, טווח מדידה רחב, ניידות ותפעול קלים, התאמה לרוחב צינורות, נוחות בשימוש ופשטות בדיגיטציה. הוא משמש למדידה באתר של מהירות וזרימה של גזים ונוזלים. במאמר זה מוצגת עקרונות העיצוב של המדידים האולטראסוניים הנפוצים ביותר, ניתוח ו הערכה של אי הוודאות במדידה, וכן דיון בשיטות לשיפור דיוק המדידה באתר.

I. עקרון מדידה של מדידים אולטראסוניים

עקרון הפעולה של מדידת זרימה אולטראסונית מוצג בתרשים 1. מותקנים שני חיישנים אולטראסוניים: הממיר התחתון A משדר אותות אולטראסוניים, והממיר העליון B קולט אותם. הממירים מותקנים בשיטה החיצונית Z, אחד בכל צד של צינור הזורם במרחק מוגדר. הקוטר הפנימי של הצינור הוא d, מהירות הזרימה האולטראסונית במורד הזרם היא V, והזווית θ בין כיוון ההפצה של האולטראסאונד וכיוון זרימת הנוזל היא θ.

2. ניתוח אי ודאות במדידה

מהירות זרימת הנוזל לפי נוסחה (3) מורכבת מארבעה רכיבים: הקוטר הפנימי של הצינור d, המהירות התאורטית של הקול C בנוזל הנמדד, טנגנס זווית השבירה של הגל הקולי tanθ, וההפרש בזמן Δt בין הזרימה קדימה והזרימה אחורה של הנוזל דרך הממיר AB. ניתוח אי הודאות במדידה הוא כדלקמן.

1. הערכה של אי הוודאות שמביאה חזרתיות המדידה של הקוטר הפנימי של הצינור d

לפי הסטנדרט **, הקוטר הנומינלי של הצינור D והעובי של הצינור s הם רק ממדים נומינליים מקרבים. הקוטר החיצוני של הצינור D והעובי של הצינור s חייבים להימדד בכל פעם. לכן, לאי הוודאות הזו יש שני רכיבים, כלומר חזרתיות המדידה של האובייקט הנמדד ואי הוודאות במדידה של כלי המדידה הנעשה שימוש בו באתר. לפי ניסיון המדידה המעשי שלנו באתר, אי הוודאות במדידה של הקוטר הפנימי של הצינור d היא בדרך כלל Urel (d) = 0.5% (k = 2); לפיכך, אי הוודאות הסטנדרטית שמביאה מדידת הקוטר הפנימי של הצינור d היא:

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

2. הערכה של אי הוודאות שמביאה מדידת מהירות הקול של הנוזל C, urel(C)

לפי הנתונים הטכנולוגיים, אי הוודאות הזה מוערך כמחלקת B. אי הוודאות של מדידת מהירות הקול בנוזל הנמדד היא:

Urel(C) = 0.6% (k = 2). ניתן לצטט ישירות:

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

3. אי הוודאות שמביאה חזרתיות המדידה של המרחק l בין המגשש A למגשש B

הערכה של אי הוודאות של urel (l) לאי הוודאות במדידת המרחק l בין המגשש התחתון A למגשש העליון B יש שני רכיבים: חזרתיות המדידה של האובייקט הנמדד ואי הוודאות במדידה של כלי המדידה הנמצאים באתר. בהתבסס על ניסיון שלנו במדידות בשטח, אי הוודאות הסטנדרטית שמביאה חזרתיות המדידה של המרחק l בין המגשש A למגשש B היא בדרך כלל

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

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

4. ההפרש בזמן Δt בין הזרימה הישרה והזרימה המנוגדת דרך המגשש AB

הערכת אי הוודאות u(Δt) ההפרש בזמן Δt בין הזרימה הישרה לזרימה נגדית דרך הממיר A ו-B במונה זרימה אולטרא-סוני נמדד על ידי חיסור הזמן t1 מה펄ס שנשלח מהממיר A ל-B עם כיוון הזרימה, ו-t2 מה펄ס שנשלח מ-B ל-A נגד כיוון הזרימה (ראה איור 1). לפי נוסחה (1), רכיבי אי הוודאות שלו נקבעים בעיקר על ידי המרחק l בין הממיר התחתי A והממיר העליון B, הקוטר הפנימי של הצינור d, והמהירות הקולית C בנוזל הנמדד. דיוק המדידה של זמן ותדירות הוא הגבוה ביותר מבין כל תחומי המדידה. השגיאה שנוצרת עקב מדידת זמני פלס במונה זרימה אולטרא-סוני ניתנת להזנחה. המרחק l, הקוטר הפנימי של הצינור d, והמהירות הקולית C בנוזל הנמדד כלולים ברכיבי אי הוודאות האחרים. לפיכך, אי הוודאות u(Δt) שנוצרת עקב הפרש הזמנים Δt בין זרימת הנוזל העליון לתחתית שעובר דרך הממיר AB ניתנת להזנחה.

III. שיטות לשיפור דיוק מדידה בשדה של מדדי זרימה אולטרא-סוניים

במדידות בשדה, הצעד הראשון הוא לבצע ניתוח מקיף של גורמים שונים. לכל הגורמים האלה יש השפעה מסוימת על תוצאות המדידה הסופיות, כפי שמוצג להלן.

1. השפעת אי הוודאות במהירות הקול C ושיטות אמפיריות לשיפור דיוק מדידה בשדה

לפני תחילת מדידות בשטח יש לספק את המדיום הנמדד. אם המדיום הוא גז, יש לספק את הרכב הגז הספציפי, טמפרטורת הפעולה והלחץ הפעלי. מהירות הקול האולטרא-סונינית יכולה להימצא באמצעות ראיית התקנים הרלוונטיים תוך שימוש במידע שלעיל. ההשפעה של מהירות הקול C של המדיום על מדידת מדד זרימה אולטרא-סוני תלויה פחות במדידה עצמה. אם המדיום הוא נוזל, יש לספק את שם הנוזל הספציפי, לחץ הפעלה, טמפרטורת הפעלה, לחץ הפעלה, והאם קיימים חלקיקים תלויים בנוזל. הגדרת מהירות הקול צריכה להתחשב בהשפעת הטמפרטורה. מהירות הקול בפתרונות מימיים גבוהה מזו של מים, ובמקרים רבים ככל שטמפרטורת הנוזל גבוהה יותר, מהירות הקול עולה. כאשר הנוזל מכיל חלקיקים (בתוך טווח המדידה), יש שתי שיטות: 1. חלקיקים מפוזרים באופן אחיד. במקרה כזה, האות יציבה יחסית, ולכן קשה למדוד ולזהות את ההשפעה. יש לספק את סיבת קיומם וסוגם של החלקיקים במדיום הנמדד. כאשר סוג החלקיקים ידוע, ניתן לבצע התאמות מתאימות למהירות הקול של הנוזל, להשוות את איכות האות, ולקבל תוצאות מדידה מדויקות יותר. ② במקרה של חלוקה לא אחידה של החלקיקים, עוצמת האות תנמוך ותתנודד במידה רבה. במקרה כזה, הדרך הטובה ביותר היא לבצע מדידה לאורך זמן ממושך, ולמצע את התוצאות מנקודות מדידה שונות עם אותות באיכות טובה.

2. המרחק l בין המוחדרים A ו-B וקוטר הפנים של הצינור d

ההשפעה של חזרתיות המדידה והשיטות לשיפור דיוק המדידה באתר: בבחירת צינור המדידה, יש לבחור קטע ישר ויציב של תווך העבודה, הרחק מה Pompe ותורן. אם התווך בצינור הוא נוזל, יש לבחור גם קטע צינור שפחות סביר לגרום להישקע בתחתית ולצורך של א воздух בחלק העליון. למדוד תחילה עם הגלאק מותקן אנכית, ולאחר מכן אופקית. אם ההפרש בין שתי המדידות הוא בתוך השגיאה המרבית המותרת של מד הספיקה על-קולי, עם שאר הפרמטרים ללא שינוי, להמשיך למדידה הבאה לאחר הגדרות נוספות של הפרמטרים. אחרת, לבחור מחדש את צינור המדידה (אם ההפרש בין שתי המדידות חורג מהשגיאה המותרת של מד הספיקה על-קולי, הדבר מצביע על כך שקטע הצינור אינו מלא בתווך העבודה).

בעת הגדרת פרמטרים מדויקים למדידה הבאה, הגורמים העיקריים המשפיעים על דיוק המדידה הם המרחק l בין המעברים A ו-B והקוטר הפנימי d של הצינור. המרחק l נמדד לרוב בעזרת סרגל פליז או קליפר לפי המרחק l. למדידת הקוטר הפנימי d של הצינור, ניתן להשתמש ישירות בקליפר כאשר הקוטר החיצוני של הצינור קטן. לצינורות גדולים יותר, מומלץ למדוד את ההיקף בעזרת סרגל פליז מדויק ואז לחשב את הקוטר. בעת מדידת צינורות עם פיצויים ופסולת פנימית חמורה, ניתן להגדיל את פרמטר דופן הצינור s ולהפחית את מהירות הקול של דופן הצינור. בעת מדידת צינורות עם קורוזיה פנימית חמורה, ניתן להפחית את פרמטר דופן הצינור s, אך מהירות הקול של דופן הצינור תישאר ללא שינוי.

בהתבסס על עיקרון מדידת הספיקה של מדidores על-קוליים בזמני מעבר, מאמר זה מעריך ומנתח את אי הוודאות במדידה של שגיאות מדידת הספיקה במדidores על-קוליים. בהתבסס על שנות הניסיון של המוסד שלנו בבדיקות מيدניות של מדidores על-קוליים, אנו מציעים ומסבירים מספר נקודות מרכזיות לשיפור דיוק המדידה המידנית של מדidores על-קוליים.