Arbeidsprinsippet og kalibreringa til ultralydstrømmeter

En ultralydstrømningsmåler er en strømningsmåler av hastighetstypen som bruker ultralydpulser til å måle væskestrømning. Den har ikke-kontakt drift, et stort måleområde, enkel transport og installasjon, god tilpasningsevne til rørdiametre, enkel bruk og enkel digitalisering. Den brukes mye til feltmåling av gass- og væskeshastighet og strømning. Denne artikkelen presenterer designprinsippene for de mest brukte ultralydstrømningsmålerne, analyserer og evaluerer måleusikkerheten til målefeilene og drøfter metoder for å forbedre nøyaktigheten av feltmålinger.

I. Måleprinsipp for ultralydstrømningsmålere

Prinsippet for en ultralydstrømningsmåler er vist i figur 1. To ultralydsonder er installert: nedstrøms transdusor A sender ultralydpulssignaler, og oppstrøms transdusor B mottar dem. Transdusorene er montert ved hjelp av ekstern klemmemetode Z, en på hver side av en fluidledning i en spesifisert avstand. Ledningens indre diameter er d, den nedstrøms ultralydhastigheten er V, og vinkelen θ mellom ultralydforplantningsretningen og fluidstrømningsretningen er θ.

2. Måleusikkerhetsanalyse

Fluidstrømningshastigheten i henhold til formel (3) består av fire deler: rørets indre diameter d, den teoretiske lydhastigheten C i det målte fluidet, tangens til lydbølgenes brytningsvinkel tanθ og tidsforskjellen Δt mellom væskestrømmens frem- og tilbakestrømning gjennom transdusor AB. Måleusikkerhetsanalysen er som følger.

1. Vurdering av usikkerheten som skyldes gjentatt måling av rørets indre diameter d

Ifølge **-standarden er rørets nominelle diameter D og rørvollen s kun omtrentlige nominelle mål. Rørets ytre diameter D og rørvollen s måles hver gang. Derfor har denne usikkerheten to komponenter, nemlig målegjentakbarhet av måleobjektet og måleusikkerheten til det aktuelle måleinstrumentet. Ifølge vår praktiske erfaring fra feltmålinger, er måleusikkerheten for rørets indre diameter d generelt Urel (d) = 0,5 % (k = 2); derfor er standardusikkerheten som skyldes måling av rørets indre diameter d:

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

2. Vurdering av usikkerheten som skyldes måling av væskens lydhastighet C, urel(C)

Ifølge tekniske data er denne usikkerheten vurdert som klasse B. Usikkerheten i lydhastighetsmålingen i den målte væsken er:

Urel(C) = 0,6 % (k = 2). Dette kan siteres direkte:

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

3. Usikkerhet forårsaket av målegjenopptakeligheten til avstanden l mellom transducerne A og B

Vurdering av usikkerheten til urel (l) Måleusikkerheten til avstanden l mellom nedstrøms transducer A og oppstrøms transducer B har to komponenter: målegjenopptakeligheten til måleobjektet og måleusikkerheten til måleinstrumentet som brukes på stedet. Basert på vår faktiske feltmålingserfaring, er standardusikkerheten som skyldes målegjenopptakeligheten til avstanden l mellom transducerne A og B generelt

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

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

4. Introduksjon til tidsforskjellen Δt mellom fremover- og motstrøms gjennom transducere AB

Vurdering av usikkerheten u(Δt) Tidshullet Δt mellom fremover- og motstrøms strømning gjennom transdusere AB i en ultralydstrømmåler måles ved å trekke tiden t1 fra pulsene som sendes fra transducer A til B i strømningsretningen, fra t2 som er pulsen sendt fra B til A i motstrømsretningen (se figur 1). Ifølge formel (1) bestemmes usikkerhetskomponentene hovedsakelig av avstanden l mellom den nedstrøms plasserte transduceren A og den oppstrøms plasserte transduceren B, rørets indre diameter d og lydhastigheten C i den målte væsken. Målenøyaktigheten for tid og frekvens er høyest blant alle måledisipliner. Feilen som skyldes puls-tidsmåling i ultralydstrømmåleren kan neglisjeres. Avstanden l, rørets indre diameter d og lydhastigheten C i den målte væsken inngår i andre usikkerhetskomponenter. Derfor kan usikkerheten u(Δt) som skyldes tidshullet Δt mellom væskene som går oppstrøms og nedstrøms gjennom transdusere AB neglisjeres.

III. Metoder for å forbedre feltmålenøyaktighet for ultralydstrømningsmålere

Ved feltmålinger er det første trinnet å gjennomføre en grundig analyse av ulike faktorer. Disse faktorene har alle en viss innvirkning på de endelige måleresultatene, som vist nedenfor.

1. Innvirkning av usikkerhet i lydhastighet C og empiriske metoder for å forbedre feltmålenøyaktighet

Før målingene på feltet starter, bør det målte mediet leveres. Hvis mediet er en gass, bør den spesifikke gassammensetningen, driftstemperaturen og driftstrykket oppgis. Lydhastigheten for ultralyd kan finnes ved å konsultere relevante standarder ved hjelp av den ovennevnte informasjonen. Innflytelsen fra lydhastigheten C til det aktuelle mediet på ultralydstrømningsmåleren vil ha mindre innvirkning på måleresultatene. Hvis mediet er en væske, bør det oppgis navn på den spesifikke væsken, driftstrykk, driftstemperatur, driftstrykk og om det er tilstedeværelse av suspenderte partikler i væsken. Lydhastighetsinnstillingen bør ta hensyn til temperaturvirkninger. Lydhastigheten til vandige løsninger er høyere enn for vann, og for de fleste væsker gjelder at jo høyere temperatur, desto høyere lydhastighet. Når det er mange partikler i væsken (men innenfor måleområdet), er det to tilnærminger: 1. Jevnt fordelt partikler. I dette tilfellet er signalet relativt stabilt, noe som gjør det vanskelig å oppdage gjennom måling. Det målte mediet bør angi årsaken og typen partikler. Når partikkeltypen er kjent, kan lydhastigheten til væsken justeres passende, og signalkvaliteten kan sammenlignes for å oppnå mer nøyaktige måleresultater. ② I tilfelle av ujevne partikler vil signalmotstanden svinge betydelig. I dette tilfellet er den beste tilnærmingen å måle over en lengre periode og ta gjennomsnittet av målingene på flere punkter med god signalkvalitet.

2. Avstand l mellom transdusere A og B og rørets indre diameter d

Innvirkningen av målegjenopptakbarhet og metoder for å forbedre målenøyaktighet på stedet: Når målerørledningen velges, skal man velge et rett, stabilt avsnitt av arbeidsmediet, langt unna pumpestasjonen og ventilen. Hvis mediet i røret er væske, skal man også velge et røravsnitt som ikke lett fører til sedimentdannelse i bunnen og luftansamling i toppen. Mål først med sonde montert vertikalt, deretter horisontalt. Hvis differansen mellom de to målingene er innenfor den maksimale tillatte feilen til ultralydstrømningsmåleren, og andre parametre ikke endres, fortsett til neste måling etter ytterligere parametereinstilling. Hvis ikke, velg et annet røravsnitt for måling (hvis differansen mellom de to målingene overskrider tillatt feil for ultralydstrømningsmåleren, betyr det at røravsnittet ikke er fylt med arbeidsmediet).

Når du setter detaljerte parametere for neste måling, er hovedfaktorene som påvirker målenøyaktigheten avstanden l mellom transdusorene A og B og rørets indre diameter d. Avstanden l måles generelt med en stållinjal eller skyvelære basert på avstanden l. For å måle rørets indre diameter d, kan en skyvelære brukes direkte når rørets ytterdiameter er liten. For større rør, bør det brukes en presisjonsstål-linjal til å måle omkretsen, og deretter beregnes diameteren. Ved måling av rør med alvorlig internavleiring og tilsmussing, kan rørveggparameteren s økes og lydhastigheten i veggen kan reduseres. Ved måling av rør med alvorlig intern korrosjon, kan rørveggparameteren s reduseres, men lydhastigheten i veggen forblir uendret.

Basert på prinsippet for transit-time ultralydstrømningsmålere, analyserer og evaluerer denne artikkelen måleusikkerheten til feil i ultralydstrømningsmålere. Basert på vårt instituttets mange års erfaring med felttesting av ultralydstrømningsmålere, foreslår og forklarer vi flere nøkkelpunkter for å forbedre målenøyaktigheten i feltet for ultralydstrømningsmålere.