Prinsip Kerja dan Kalibrasi Ultrasonik Flowmeter

Meter aliran ultrasonik adalah meter aliran jenis kelajuan yang menggunakan denyutan ultrasonik untuk mengukur aliran bendalir. Ia mempunyai ciri operasi tanpa sentuhan, julat pengukuran yang luas, mudah dibawa dan dipasang, adaptasi yang kuat terhadap diameter paip, senang digunakan, serta mudah didigitkan. Ia digunakan secara meluas untuk pengukuran kelajuan gas dan bendalir serta aliran di tapak. Artikel ini membincangkan prinsip reka bentuk meter aliran ultrasonik yang paling biasa digunakan, menganalisis dan menilai ketidakpastian pengukuran bagi ralat pengukurannya, serta membincangkan kaedah-kaedah untuk meningkatkan ketepatan pengukuran di tapak.

I. Prinsip Pengukuran Meter Aliran Ultrasonik

Prinsip operasi meter aliran ultrasonik ditunjukkan dalam Rajah 1. Dua probe ultrasonik dipasang: transduser A hulu menghantar isyarat gelombang ultrasonik, manakala transduser B hilir menerimanya. Transduser dipasang menggunakan kaedah klip luar Z, satu di setiap sisi paip penghantaran cecair pada jarak tertentu. Diameter dalam paip ialah d, halaju ultrasonik hilir ialah V, dan sudut θ antara arah penyebaran ultrasonik dengan arah aliran cecair ialah θ.

2. Analisis ketidakpastian pengukuran

Kadar aliran cecair berdasarkan formula (3) terdiri daripada empat bahagian: diameter dalam paip d, halaju bunyi teori C di dalam cecair yang diukur, tangen sudut pembiasan gelombang bunyi tanθ, dan perbezaan masa Δt antara aliran ke hadapan dan ke belakang cecair yang melalui transduser AB. Analisis ketidakpastian pengukurannya adalah seperti berikut.

1. Penilaian ketidakpastian yang diperkenalkan oleh kebolehulangan pengukuran diameter dalam paip d

Mengikut piawaian **, diameter nominal paip D dan ketebalan paip s hanyalah dimensi nominal anggaran. Diameter luar paip D dan ketebalan paip s mesti diukur setiap kali. Oleh itu, ketidakpastian ini mempunyai dua komponen, iaitu kebolehulangan pengukuran objek yang diukur dan ketidakpastian pengukuran instrumen pengukur yang digunakan di tapak. Berdasarkan pengalaman pengukuran sebenar kami di tapak, ketidakpastian pengukuran diameter dalam paip d secara amnya adalah Urel (d) = 0.5% (k = 2); oleh itu, ketidakpastian piawaian yang diperkenalkan oleh pengukuran diameter dalam paip d adalah:

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

2. Penilaian ketidakpastian yang diperkenalkan oleh pengukuran halaju bunyi bendalir C, urel(C)

Berdasarkan data teknikal, ketidakpastian ini dinilai sebagai Kelas B. Ketidakpastian pengukuran halaju bunyi dalam cecair yang diukur adalah:

Urel(C) = 0.6% (k = 2). Ini boleh dikutip secara langsung:

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

3. Ketidakpastian yang diperkenalkan oleh kesukaran mengulang pengukuran jarak l antara transduser A dan B

Penilaian ketidakpastian urel (l). Ketidakpastian pengukuran jarak l antara transduser A hilir dan transduser B hulu mempunyai dua komponen: kesukaran mengulang pengukuran objek yang diukur dan ketidakpastian pengukuran instrumen pengukur yang digunakan di tapak. Berdasarkan pengalaman pengukuran sebenar kami di lapangan, ketidakpastian piawai yang diperkenalkan oleh kesukaran mengulang pengukuran jarak l antara transduser A dan B biasanya

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

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

4. Pengenalan kepada Perbezaan Masa Δt antara Aliran Ke Hadapan dan Aliran Lawan Arah Melalui Transduser AB

Penilaian Ketakpastian u(Δt) Perbezaan masa Δt antara aliran ke hadapan dan aliran berlawanan arah melalui penukar AB dalam meter aliran ultrasonik diukur dengan menolak masa t1 daripada isyarat yang dihantar dari penukar A ke B dalam arah aliran ke hadapan dan t2 daripada isyarat yang dihantar dari B ke A dalam arah aliran berlawanan (lihat Rajah 1). Mengikut formula (1), komponen ketakpastian utamanya ditentukan oleh jarak l antara penukar bawah aliran A dan penukar atas aliran B, diameter dalam paip d, dan halaju bunyi C dalam cecair yang diukur. Ketepatan pengukuran masa dan frekuensi adalah yang tertinggi berbanding semua disiplin pengukuran lain. Ralat yang disebabkan oleh pengukuran penjelasan masa isyarat meter aliran ultrasonik boleh diabaikan. Jarak l, diameter dalam paip d, dan halaju bunyi C dalam cecair yang diukur termasuk dalam komponen ketakpastian lain. Oleh itu, ketakpastian u(Δt) yang diperkenalkan oleh perbezaan masa Δt antara cecair atas aliran dan bawah aliran yang melalui penukar AB boleh diabaikan.

III. Kaedah untuk Meningkatkan Ketepatan Pengukuran Medan pada Meter Aliran Ultrasonik

Dalam pengukuran medan, langkah pertama adalah untuk melakukan analisis menyeluruh terhadap pelbagai faktor. Faktor-faktor ini kesemuanya mempunyai kesan tertentu ke atas keputusan pengukuran akhir, seperti yang ditunjukkan di bawah.

1. Kesan Ketidakyakinan dalam Halaju Bunyi C dan Kaedah Empirikal untuk Meningkatkan Ketepatan Pengukuran Medan

Sebelum bermulanya pengukuran di lapangan, medium yang diukur perlu disediakan. Sekiranya medium tersebut adalah gas, komposisi gas tertentu, suhu operasi, dan tekanan operasi perlu disediakan. Halaju bunyi ultrasonik boleh diperoleh dengan merujuk kepada piawaian berkaitan menggunakan maklumat di atas. Pengaruh halaju bunyi C dalam medium kerja terhadap meter aliran ultrasonik akan mempunyai kesan yang kurang ketara terhadap keputusan pengukuran. Sekiranya medium tersebut adalah cecair, nama cecair tertentu, tekanan operasi, suhu operasi, tekanan operasi, dan kehadiran zarah terampai dalam cecair perlu disediakan. Tetapan halaju bunyi perlu mengambil kira kesan suhu. Halaju bunyi dalam larutan berair adalah lebih tinggi berbanding air, dan bagi kebanyakan bendalir, semakin tinggi suhu, semakin tinggi halaju bunyi. Apabila terdapat banyak zarah dalam bendalir (tetapi dalam julat pengukuran), terdapat dua pendekatan: 1. Zarah yang tertabur secara seragam. Dalam kes ini, isyarat adalah agak stabil, menyukarkan pengesanan melalui pengukuran. Medium yang diukur perlu memberikan punca dan jenis zarah tersebut. Setelah jenis zarah diketahui, halaju bunyi bendalir boleh dilaraskan dengan sewajarnya, dan kualiti isyarat boleh dibandingkan untuk memperoleh keputusan pengukuran yang lebih tepat. ② Dalam kes zarah yang tidak sekata, keamatan isyarat akan berubah secara ketara. Dalam kes ini, pendekatan terbaik adalah melakukan pengukuran dalam tempoh yang panjang dan mengambil purata bacaan pada beberapa titik dengan kualiti isyarat yang baik.

2. Jarak l antara penukar A dan B dan diameter dalam paip d

Kesan ulangan pengukuran dan kaedah untuk meningkatkan ketepatan pengukuran di tapak: Apabila memilih paip pengukuran, pilih bahagian yang lurus dan stabil bagi medium bekerja, jauh dari stesen pam injap. Jika medium dalam paip adalah cecair, pilih juga bahagian paip yang kurang berkemungkinan menyebabkan pengenapan di bahagian bawah dan penambahan udara di bahagian atas. Ukur secara awal dengan probe yang dipasang secara menegak, kemudian secara mendatar. Jika perbezaan antara dua pengukuran berada dalam julat ralat maksimum yang dibenarkan oleh meter aliran ultrasonik, dengan parameter yang lain tidak berubah, teruskan ke pengukuran seterusnya selepas tetapan parameter tambahan. Jika tidak, pilih semula paip untuk pengukuran (jika perbezaan antara dua pengukuran melebihi ralat yang dibenarkan oleh meter aliran ultrasonik, ini menunjukkan bahawa bahagian paip tidak sepenuhnya dipenuhi oleh medium bekerja).

Apabila menetapkan parameter terperinci untuk pengukuran seterusnya, faktor utama yang mempengaruhi kejituan pengukuran ialah jarak l di antara penukar A dan B serta diameter dalam paip d. Jarak l biasanya diukur dengan menggunakan pembaris keluli atau angkup vernier berdasarkan jarak l. Untuk mengukur diameter dalam paip d, angkup vernier boleh digunakan secara langsung apabila diameter luar paip adalah kecil. Bagi paip yang lebih besar, adalah lebih baik menggunakan pembaris keluli presisi untuk mengukur ukur lilit dan kemudian mengira diameter tersebut. Apabila mengukur paip dengan enapan dan kekotoran dalaman yang teruk, parameter dinding paip s boleh ditingkatkan manakala halaju bunyi dinding boleh dikurangkan. Apabila mengukur paip dengan kakisan dalaman yang teruk, parameter dinding paip s boleh dikurangkan, tetapi halaju bunyi dinding kekal tidak berubah.

Berdasarkan prinsip meter aliran ultrasonik jenis transit-time, kertas kerja ini menganalisis dan menilai ketidakpastian pengukuran ralat meter aliran ultrasonik. Berdasarkan pengalaman bertahun-tahun institusi kami dalam ujian di lapangan bagi meter aliran ultrasonik, kami mencadangkan dan menjelaskan beberapa poin utama untuk meningkatkan kejituan pengukuran di lapangan bagi meter aliran ultrasonik.