Ультрадыбыстық шығын өлшегіштің жұмыс принципі мен калибрлеу

Ультрадыбыстық шығын өлшегіш – сұйық ағынын өлшеу үшін ультрадыбыстық импульстерді пайдаланатын жылдамдықтық шығын өлшегіш. Ол қатынауға тәуелді емес жұмыс істеу, үлкен өлшеу диапазоны, оңай тасымалдау мен орнату, құбырлардың әртүрлі диаметрлеріне бейімделу, пайдаланудың жеңілдігі мен цифрландыру мүмкіндігінің жеңілдігі сияқты ерекшеліктері бар. Ол газ бен сұйықтың жылдамдығы мен шығынын өлшеу үшін кеңінен қолданылады. Бұл мақалада ең кең таралған ультрадыбыстық шығын өлшегіштердің жобалау принциптері таныстырылған, өлшеу қателерінің өлшеу ауытқуы талданып бағаланған және өрістегі өлшеу дәлдігін арттыру әдістері талқыланған.

I. Ультрадыбыстық шығын өлшегіштердің өлшеу принципі

Ультрадыбыстық шығын өлшеуіштің жұмыс істеу принципі 1-суретте көрсетілген. Екі ультрадыбыстық датчик орнатылған: жылжыту трансдьюсері А ультрадыбыстық импульстік сигналдарды шығарады, ал жоғары бағыттағы трансдьюсер В оларды қабылдайды. Трансдьюсерлерді Z әдісі бойынша сыртқы қысқыш арқылы, әрбір құбырдың қарама-қарсы жағында белгіленген қашықтықта орнатады. Құбырдың ішкі диаметрі d, жылжыту бағытындағы ультрадыбыстың жылдамдығы V, ультрадыбыстың таралу бағыты мен сұйықтық ағынының бағыты арасындағы бұрыш θ.

2. Өлшеу қатесін талдау

(3) формуласы бойынша сұйықтық ағынының жылдамдығы төрт бөліктен тұрады: құбырдың ішкі диаметрі d, өлшеніп жатқан сұйықтағы дыбыстың теориялық жылдамдығы C, дыбыстың сыну бұрышының тангенциалдық бұрышы tanθ және трансдьюсер АВ арқылы өтетін сұйықтықтың түзуден кейінгі ағынының уақыт айырмасы Δt. Оның өлшеу қатесін талдау төмендегідей.

1. Түтік ішкі диаметрін қайта-қайта өлшеу енгізетін анықтылықты бағалау d

** стандарты бойынша, түтік номинал диаметрі D және түтіктің қабырғасының қалыңдығы s шамамен номинал өлшемдер болып табылады. Түтіктің сыртқы диаметрі D мен түтіктің қабырғасының қалыңдығын әрбір рет өлшейді. Сондықтан, бұл анықтылықтың екі құраушысы бар, яғни өлшенетін нысанның қайта өлшеу дәлдігі мен өлшеу құралының өлшеу анықтылығы. Біздің нақты өрістік өлшеу тәжірибемізге сәйкес, түтік ішкі диаметрін өлшеу анықтылығы әдетте Urel (d) = 0,5% (k = 2); сондықтан, түтік ішкі диаметрін өлшеу енгізетін стандартты анықтылық:

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

2. Сұйық дыбыс жылдамдығын өлшеу енгізетін анықтылықты бағалау C, urel(C)

Техникалық деректерге сәйкес, бұл анықсыздық 2-кластың мәні ретінде бағаланады. Өлшенген сұйықтың дыбыс жылдамдығының өлшеу анықсыздығы:

Urel(C) = 0,6% (k = 2). Бұл тікелей келтіруге болады:

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

3. А және В трансдьюсерлер арасындағы қашықтықты өлшеу қайталауынан туындаған анықсыздық

Urel (l) өлшеу анықсыздығының бағалауы А трансдьюсерінен төмен ағындағы және В трансдьюсерінен жоғары ағындағы l қашықтықтың өлшеу анықсыздығы екі компоненттен тұрады: өлшенетін нысанның өлшеу қайталауы мен өрістегі пайдаланылатын өлшеу құралының өлшеу анықсыздығы. Біздің нақты өрістік өлшеу тәжірибемізге сәйкес, А және В трансдьюсерлер арасындағы l қашықтықты өлшеу қайталауынан туындаған стандартты анықсыздық. Бұл анықсыздық әдетте

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

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

4. АВ трансдьюсерлері арқылы түзу және қарсы ағындар арасындағы уақыт айырмасы Δt туралы түсінік

А(В) датчигі арқылы трансформаторлардың тура және кері ағын ағынының уақыт айырымы Δt-нің анықталуы. Ультрадыбыстық шығын өлшеуіштегі А датчигінен В датчигіне қарай ағын бағытындағы импульстің уақыты t1 мен В датчигінен А датчигіне қарай қарсы ағын бағытындағы импульстің уақыты t2 алынып тасталынады (1-суретті қараңыз). Формула (1) бойынша оның анықталмаушылық компоненттері негізінен төменгі датчик А мен жоғарғы датчик В арасындағы l қашықтыққа, құбырдың ішкі диаметрі d-ге және өлшенетін сұйықтықтағы дыбыс жылдамдығы С-ге анықталады. Уақыт пен жиілікті өлшеу дәлдігі барлық өлшеу салаларында ең жоғары дәлдікке ие. Ультрадыбыстық шығын өлшеуіштің импульсті уақыт бойынша өлшеуінен туындаған қате ескерілмейді. l қашықтығы, құбырдың ішкі диаметрі d және өлшенетін сұйықтықтағы дыбыс жылдамдығы С басқа анықталмаушылық компоненттеріне енгізіледі. Сондықтан датчиктер АВ арқылы өтетін жоғарғы және төменгі ағындардың уақыт айырымынан туындайтын анықталмаушылық u(Δt) ескерілмейді.

III. Ультрадыбыстық шығын өлшеуіштердің өрістік өлшеу дәлдігін жақсарту әдістері

Өрістік өлшеулер кезінде алғашқы қадам әртүрлі факторларды толық талдау өткізу болып табылады. Осы факторлардың бәрі соңғы өлшеу нәтижелеріне белгілі бір әсер етеді, төмендегідей.

1. Дыбыс жылдамдығы C анықталмағандығының және өрістік өлшеу дәлдігін жақсарту үшін эмпирикалық әдістердің әсері

Алаңдық өлшеулер басталмас бұрын, өлшенетін орта қамтамасыз етілуі керек. Егер орта газ болса, нақты газ құрамы, жұмыс температурасы және жұмыс қысымы көрсетілуі қажет. Үлтетау дыбыс жылдамдығы жоғарыда көрсетілген ақпаратты пайдаланып, сәйкес стандарттар бойынша анықталады. Жұмыстық ортаның дыбыс жылдамдығы C-нің ультрадыбыстық шығын өлшеуішке әсері өлшеу нәтижелеріне аз әсер ететін болады. Егер орта сұйық болса, нақты сұйықтың атауы, жұмыс қысымы, жұмыс температурасы, қайталау қысымы және сұйықта қатты бөлшектердің болуы көрсетілуі қажет. Дыбыс жылдамдығын орнату температураның әсерін ескеруі тиіс. Сулы ерітінділердегі дыбыс жылдамдығы судың дыбыс жылдамдығынан жоғары, ал көпшілік сұйықтар үшін температура неғұрлым жоғары болса, дыбыс жылдамдығы соғұрлым жоғары болады. Сұйықта көп бөлшектер болған жағдайда (бірақ өлшеу шегінде), екі тәсіл бар: 1. Біркелкі таралған бөлшектер. Бұл жағдайда сигнал салыстырмалы тұрақты болып келеді, өлшеу арқылы анықтау қиын болады. Өлшенетін орта бөлшектердің пайда болу себебі мен түрін көрсетуі тиіс. Бөлшек түрі белгілі болған соң, сұйықтың дыбыс жылдамдығын тиімді түрде реттеуге болады және сигнал сапасын салыстырып, дәлірек өлшеу нәтижелерін алуға болады. ② Бөлшектер біркелкі болмаған жағдайда сигнал күші әлдеқайда тербеліс жасайды. Бұл жағдайда ең тиімді тәсіл ұзақ уақыт бойы өлшеу жүргізіп, сапасы жақсы сигнал нүктелерінің орташа мәнін алу болып табылады.

2. А және В трансдьюсерлері мен құбыр ішкі диаметрі d арасындағы қашықтық

Өлшеу қайталануының әсері және жергілікті өлшеу дәлдігін арттыру әдістері: Өлшеу құбырын таңдаған кезде, жұмыс ортасының түзілген, тұрақты бөлігін, сорғы станциясынан алыс орналасқан орынды таңдаңыз. Егер құбырдағы орта сұйық болса, төменгі жағында шөгіндінің пайда болуы мен жоғарғы жағында ауаның жиналуы ықтималдығы аз бөлімді таңдаңыз. Алғашқы өлшеуді тігінен орнатылған датчикпен, сосын көлденең өлшеңіз. Екі өлшеу арасындағы айырмашылық ультрадыбыстық шығын өлшеуіштің рұқсат етілген қателігінен аспайтын болса, басқа параметрлер өзгеріссіз қалса, келесі өлшеуге көшіңіз. Әйтпесе, құбырды қайта таңдаңыз (екі өлшеу нәтижесінің айырмашылығы ультрадыбыстық шығын өлшеуіштің рұқсат етілген қатесінен асса, бұл құбыр бөлігі жұмыс ортасымен толтырылмағанын білдіреді).

Келесі өлшемнің нақты параметрлерін орнату кезінде өлшеу дәлдігіне әсер ететін негізгі факторлар трансдьюсерлер A мен B арасындағы l қашықтық пен құбырдың ішкі диаметрі d болып табылады. l қашықтығы әдетте l қашықтық негізінде болат ереже немесе штангенциркульмен өлшенеді. Құбырдың ішкі диаметрі d өлшеу үшін құбырдың сыртқы диаметрі кіші болған жағдайда тікелей штангенциркуль қолдануға болады. Үлкен құбырлар үшін шеңберді өлшеп, сосын диаметрді есептеу үшін дәл болат ережені қолданған дұрыс. Ауыр ішкі шөгінділер мен ластануы бар құбырларды өлшегенде құбыр қабырғасының s параметрін арттыруға және қабырғадағы дыбыс жылдамдығын азайтуға болады. Ауыр ішкі коррозиясы бар құбырларды өлшегенде құбыр қабырғасының s параметрін азайтуға болады, бірақ қабырғадағы дыбыс жылдамдығы өзгеріссіз қалады.

Транзитті уақытты ультрадыбыстық шығын өлшеуіштер принципіне сүйене отырып, бұл мақалада ультрадыбыстық шығын өлшеуіш қателерінің өлшеу ауытқуын талдау мен бағалау жүргізіледі. Біздің институтымыздың ультрадыбыстық шығын өлшеуіштерді өрісте тексеру жөніндегі жылдар бойы жиналған тәжірибесіне сүйене отырып, ультрадыбыстық шығын өлшеуіштердің өрістегі өлшеу дәлдігін арттыру бойынша бірнеше негізгі мәселелер ұсынылып, түсіндіріледі.