Werkprincipe en kalibratie van ultrasoon flowmeter

Een ultrasone stroomsnelheidsmeter is een snelheidsmeter die ultrasone pulsen gebruikt om de stroming van vloeistoffen te meten. Het biedt contactloze werking, een breed meetbereik, eenvoudige transport- en installatie-eigenschappen, sterke aanpassing aan pijpdiameters, gebruiksgemak en eenvoudige digitalisering. Het wordt veel gebruikt voor het meten van gas- en vloeistofsnelheid en stroming ter plaatse. In dit artikel worden de ontwerp beginselen van de meest gebruikte ultrasone stroomsnelheidsmeters geïntroduceerd, wordt de meetonzekerheid van hun meetfouten geanalyseerd en geëvalueerd, en worden methoden besproken voor het verbeteren van de meetnauwkeurigheid ter plaatse.

I. Meetprincipe van ultrasone stroomsnelheidsmeters

Het werkprincipe van een ultrasone flowmeter is weergegeven in figuur 1. Twee ultrasone sondes zijn geïnstalleerd: de stroomafwaartse transducer A zendt ultrasone pulsen uit, en de stroomopwaartse transducer B ontvangt deze. De transducers zijn gemonteerd met behulp van de externe klemmethode Z, een aan elke zijde van een vloeistofleiding op een bepaalde afstand van elkaar. De binnendiameter van de leiding is d, de stroomafwaartse ultrasone snelheid is V, en de hoek θ tussen de richting van de ultrasone voortplanting en de richting van de vloeistofstroom is θ.

2. Analyse van meetonzekerheid

De vloeistofstroomsnelheid volgens formule (3) bestaat uit vier delen: de binnendiameter van de leiding d, de theoretische geluidssnelheid C in de gemeten vloeistof, de tangens van de brekingshoek van het geluidsgolf tanθ en het tijdsverschil Δt tussen de heen- en terugstroom van de vloeistof door de transducer AB. De analyse van de meetonzekerheid is als volgt.

1. Evaluatie van de onzekerheid die wordt ingebracht door de herhaalbaarheid van de meting van de binnendiameter van de pijp d

Volgens de **-standaard zijn de nominale diameter van de pijp D en de wanddikte van de pijp s slechts benaderende nominale afmetingen. De buitendiameter van de pijp D en de wanddikte van de pijp s moeten elke keer worden gemeten. Daarom heeft deze onzekerheid twee componenten, namelijk de meetherhaalbaarheid van het te meten object en de meetonzekerheid van het ter plaatse gebruikte meetinstrument. Uit onze praktijkervaring met metingen ter plaatse blijkt dat de meetonzekerheid van de binnendiameter van de pijp d doorgaans Urel (d) = 0,5% (k = 2) is; dus is de standaardonzekerheid die wordt ingebracht door de meting van de binnendiameter van de pijp d:

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

2. Evaluatie van de onzekerheid die wordt ingebracht door de meting van de geluidssnelheid van het medium C, urel(C)

Volgens de technische gegevens wordt deze onzekerheid geëvalueerd als klasse B. De onzekerheid van de geluidssnelheidsmeting in de gemeten vloeistof is:

Urel(C) = 0,6% (k = 2). Dit kan direct worden aangehaald:

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

3. Onzekerheid veroorzaakt door de meetherhaalbaarheid van de afstand l tussen de transducers A en B

Evaluatie van de onzekerheid van urel(l). De meetonzekerheid van de afstand l tussen de transducer A stroomafwaarts en de transducer B stroomopwaarts heeft twee componenten: de meetherhaalbaarheid van het gemeten object en de meetonzekerheid van het ter plaatse gebruikte meetinstrument. Op basis van onze praktijkervaring met veldmetingen, wordt de standaardonzekerheid veroorzaakt door de meetherhaalbaarheid van de afstand l tussen de transducers A en B, is de onzekerheid meestal

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

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

4. Inleiding tot het tijdsverschil Δt tussen de doorstroming en de tegengestroomde stroming via transducers AB

Evaluatie van de onzekerheid u(Δt) Het tijdsverschil Δt tussen de stroomopwaartse en stroomafwaartse doorstroming door transducers AB in een ultrasone doorstroommeter wordt gemeten door het verschil te nemen tussen de tijd t1 van het puls die van transducer A naar B wordt verzonden in stroomopwaartse richting en t2 van het puls dat van B naar A wordt verzonden in stroomafwaartse richting (zie Figuur 1). Volgens formule (1) worden de onzekerheidscomponenten voornamelijk bepaald door de afstand l tussen de stroomafwaartse transducer A en de stroomopwaartse transducer B, de binnendiameter d van de leiding, en de geluidssnelheid C in het gemeten medium. De meetnauwkeurigheid van tijd en frequentie is het hoogst binnen alle meetdisciplines. De fout die wordt veroorzaakt door de pulstijdmeting van de ultrasone doorstroommeter is verwaarloosbaar. De afstand l, de binnendiameter d van de leiding en de geluidssnelheid C in het gemeten medium zijn onderdeel van andere onzekerheidscomponenten. Daarom kan de onzekerheid u(Δt) die wordt veroorzaakt door het tijdsverschil Δt tussen de stroomopwaartse en stroomafwaartse media die door transducers AB stromen, worden verwaarloosd.

III. Methoden voor het verbeteren van de nauwkeurigheid van veldmetingen van ultrasone flowmeters

Bij veldmetingen is de eerste stap een grondige analyse uitvoeren van verschillende factoren. Deze factoren hebben allemaal een zekere invloed op de uiteindelijke meetresultaten, zoals hieronder weergegeven.

1. De invloed van onzekerheid in de geluidssnelheid C en empirische methoden voor het verbeteren van de nauwkeurigheid van veldmetingen

Voorafgaand aan de metingen in het veld dient het te meten medium te worden verstrekt. Indien het medium een gas is, dient de specifieke gascompositie, de werktijdtemperatuur en de werkdruk te worden verstrekt. De geluidssnelheid van ultrasoon kan worden bepaald door raadpleging van de relevante normen met behulp van de bovenvermelde informatie. De invloed van de geluidssnelheid C van het werkmedium op de ultrasone flowmeter heeft minder invloed op de meetresultaten. Indien het medium een vloeistof is, dient de specifieke naam van de vloeistof, de werkdruk, de werktijdtemperatuur, de werkdruk en het voorkomen van zwevende deeltjes in de vloeistof te worden verstrekt. Bij de instelling van de geluidssnelheid dient rekening te worden gehouden met de temperatuureffecten. De geluidssnelheid van waterige oplossingen is hoger dan die van water, en voor de meeste vloeistoffen geldt dat hoe hoger de temperatuur, hoe groter de geluidssnelheid. Wanneer er veel deeltjes in de vloeistof aanwezig zijn (maar binnen het meetbereik), zijn er twee benaderingen: 1. Gelijkmatig verdeelde deeltjes. In dit geval is het signaal relatief stabiel, waardoor het moeilijk is om dit via metingen te detecteren. Voor het te meten medium dient de oorzaak en het type van de deeltjes te worden verstrekt. Zodra het type deeltjes bekend is, kan de geluidssnelheid van de vloeistof adequaat worden aangepast en kan de signaalkwaliteit worden vergeleken om nauwkeurigere meetresultaten te verkrijgen. ② In het geval van ongelijkmatig verdeelde deeltjes zal de signaalintensiteit sterk variëren. In dit geval is de beste aanpak om gedurende een lange periode te meten en het gemiddelde te nemen van de waarden op verschillende punten met een goede signaalkwaliteit.

2. Afstand l tussen transducers A en B en pijp binnendiameter d

De invloed van meetherhaalbaarheid en methoden voor het verbeteren van de meetnauwkeurigheid ter plaatse: Kies bij de selectie van de meetleiding een rechte, stabiele sectie van het werkmedium, op voldoende afstand van de pompstationklep. Als het medium in de leiding vloeibaar is, kies dan ook een pijpsectie waar sedimentatie op de bodem en luchtophoping bovenin minder waarschijnlijk is. Meet eerst met de sensor verticaal geïnstalleerd, daarna horizontaal. Als het verschil tussen de twee metingen binnen de maximaal toegestane fout van de ultrasone flowmeter ligt en alle andere parameters ongewijzigd blijven, ga dan verder met de volgende meting na aanvullende parametersinstellingen. Indien dit verschil de toegestane fout overschrijdt, selecteer dan opnieuw een andere pijpsectie voor de meting (als het verschil tussen de twee metingen groter is dan de toegestane fout van de ultrasone flowmeter, duidt dit erop dat de pijpsectie niet volledig gevuld is met het werkmedium).

Bij het instellen van gedetailleerde parameters voor de volgende meting, zijn de belangrijkste factoren die de meetnauwkeurigheid beïnvloeden de afstand l tussen de transducers A en B en de binnendiameter d van de pijp. De afstand l wordt meestal gemeten met een stalen liniaal of schuifmaat, afhankelijk van de afstand l. Voor het meten van de binnendiameter d van de pijp kan, indien de buitendiameter van de pijp klein is, direct een schuifmaat worden gebruikt. Voor grotere pijpen is het beter om de omtrek te meten met een nauwkeurige stalen liniaal en vervolgens de diameter te berekenen. Bij het meten van pijpen met ernstige interne afzettingen en vervuiling, kan de pijpwandparameter s worden verhoogd en de geluidssnelheid in de wand verlaagd worden. Bij het meten van pijpen met ernstige interne corrosie kan de pijpwandparameter s worden verlaagd, maar blijft de geluidssnelheid in de wand ongewijzigd.

Uitgaande van het principe van transittijd- ultrasone flowmeters, analyseert en evalueert dit artikel de meetonzekerheid van fouten in ultrasone flowmeters. Op basis van de jarenlange ervaring van ons instituut met veldtests van ultrasone flowmeters stellen wij enkele belangrijke punten voor en leggen wij uit hoe de meetnauwkeurigheid van ultrasone flowmeters ter plaatse kan worden verbeterd.