Zasada działania i kalibracja przepływometrów ultradźwiękowych

Przepływomierz ultradźwiękowy jest przepływomierzem typu prędkościowego, który wykorzystuje impulsy ultradźwiękowe do pomiaru przepływu cieczy. Charakteryzuje się pracą bezkontaktową, szerokim zakresem pomiarowym, łatwą przenośnością i instalacją, dużą adaptowalnością do średnic rur, prostotą obsługi oraz łatwością digitalizacji. Jest powszechnie stosowany do pomiarów w trybie on-site prędkości przepływu gazu i cieczy oraz ich wydajności. W artykule tym omówiono zasady projektowania najczęściej stosowanych przepływomierzy ultradźwiękowych, dokonano analizy i oceny niepewności pomiaru ich błędów oraz przedstawiono metody poprawy dokładności pomiarów w warunkach terenowych.

I. Zasada pomiaru przepływomierzy ultradźwiękowych

Zasada działania przepływomierza ultradźwiękowego pokazana jest na Rys. 1. Zainstalowane są dwa sondy ultradźwiękowe: dolny przetwornik A wysyła impulsy ultradźwiękowe, a górny przetwornik B je odbiera. Przetworniki są zamontowane metodą zewnętrznej chwytni Z, po jednej na każdej stronie rurociągu z cieczą, w określonej odległości. Średnica wewnętrzna rurociągu wynosi d, prędkość ultradźwięków w dół strumienia to V, a kąt θ pomiędzy kierunkiem propagacji ultradźwięków a kierunkiem przepływu cieczy to θ.

2. Analiza niepewności pomiaru

Prędkość przepływu cieczy zgodnie ze wzorem (3) składa się z czterech części: średnicy wewnętrznej rury d, teoretycznej prędkości dźwięku C w mierzonej cieczy, tangensa kąta załamania fali dźwiękowej tanθ oraz różnicy czasu Δt pomiędzy przepływem w kierunku do i od przetwornika AB. Analiza jej niepewności pomiaru jest następująca.

1. Ocena niepewności wynikającej z powtarzalności pomiaru średnicy wewnętrznej rury d

Zgodnie z normą **, średnica nominalna rury D oraz grubość ścianki rury s są jedynie przybliżonymi wartościami nominalnymi. Średnicę zewnętrzną rury D oraz grubość ścianki rury s należy mierzyć za każdym razem. W związku z tym niepewność ta ma dwa składniki, a mianowicie powtarzalność pomiaru badanego obiektu oraz niepewność pomiaru przyrządu pomiarowego stosowanego w warunkach terenowych. Zgodnie z naszym doświadczeniem z rzeczywistych pomiarów w terenie, niepewność pomiaru średnicy wewnętrznej rury d wynosi zazwyczaj Urel(d) = 0,5% (k = 2); dlatego standardowa niepewność wynikająca z pomiaru średnicy wewnętrznej rury d jest następująca:

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

2. Ocena niepewności wynikającej z pomiaru prędkości dźwięku w cieczy C, urel(C)

Zgodnie z danymi technicznymi, niepewność ta jest oceniana jako klasa B. Niepewność pomiaru prędkości dźwięku w mierzonej cieczy wynosi:

Urel(C) = 0,6% (k = 2). Można to bezpośrednio zacytować:

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

3. Niepewność wprowadzona przez powtarzalność pomiaru odległości l między przetwornikami A i B

Ocena niepewności urel (l) Niepewność pomiarowa odległości l między przetwornikiem dolnym A a przetwornikiem górnym B ma dwa składniki: powtarzalność pomiaru obiektu mierzonego oraz niepewność pomiarową stosowanego na miejscu przyrządu pomiarowego. Na podstawie naszego rzeczywistego doświadczenia z pomiarów terenowych, standardowa niepewność wprowadzona przez powtarzalność pomiaru odległości l między przetwornikami A i B wynosi zazwyczaj

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

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

4. Wprowadzenie do różnicy czasu Δt między przepływem a przepływem wstecznym przez przetworniki AB

Ocena niepewności u(Δt) Różnica czasu Δt pomiędzy przepływem w kierunku do przodu i przeciwnym przez przetworniki AB w przepływomierzu ultradźwiękowym jest mierzona poprzez odjęcie czasu t1, jaki upływa od wysłania impulsu z przetwornika A do B przy przepływie w kierunku do przodu, od czasu t2, jaki upływa przy przesyle impulsu z B do A w kierunku przeciwnym (patrz Rysunek 1). Zgodnie ze wzorem (1), jej składowe niepewności są głównie wyznaczane przez odległość l pomiędzy dolnym przetwornikiem A i górnym przetwornikiem B, średnicę wewnętrzną rury d oraz prędkość dźwięku C w mierzonej cieczy. Dokładność pomiaru czasu i częstotliwości jest najwyższa spośród wszystkich dziedzin pomiaru. Błąd spowodowany pomiarem czasu impulsu przepływomierza ultradźwiękowego można zaniedbać. Odległość l, średnica wewnętrzna rury d oraz prędkość dźwięku C w mierzonej cieczy zawarte są w innych składowych niepewności. Dlatego niepewność u(Δt) wprowadzona przez różnicę czasu Δt pomiędzy płynącym w górę i w dół strumieniem cieczy przechodzącym przez przetworniki AB może zostać zaniedbana.

III. Metody poprawiania dokładności pomiarów terenowych przepływomierzy ultradźwiękowych

W pomiarach terenowych pierwszym krokiem jest przeprowadzenie kompleksowej analizy różnych czynników. Wszystkie te czynniki mają pewny wpływ na końcowe wyniki pomiarów, jak pokazano poniżej.

1. Wpływ niepewności prędkości dźwięku C oraz empiryczne metody poprawiania dokładności pomiarów terenowych

Zanim rozpoczną się pomiary w terenie, należy dostarczyć ośrodek pomiarowy. Jeśli ośrodkiem jest gaz, należy podać jego skład, temperaturę roboczą oraz ciśnienie robocze. Prędkość dźwięku w ultradźwiękach można określić, odwołując się do odpowiednich norm z wykorzystaniem powyższych informacji. Wpływ prędkości dźwięku C ośrodka roboczego na przepływomierz ultradźwiękowy będzie miał mniejszy wpływ na wyniki pomiarów. Jeżeli ośrodkiem jest ciecz, należy podać jej konkretną nazwę, ciśnienie robocze, temperaturę robczą, ciśnienie robocze oraz obecność cząstek zawieszonych w cieczy. Ustawienie prędkości dźwięku powinno uwzględniać wpływ temperatury. Prędkość dźwięku w roztworach wodnych jest większa niż w wodzie, a dla większości płynów im wyższa temperatura, tym większa prędkość dźwięku. Gdy w płynie występuje dużo cząstek (lecz w zakresie pomiarowym), istnieją dwa podejścia: 1. Jednorodnie rozłożone cząstki. W tym przypadku sygnał jest stosunkowo stabilny, co utrudnia wykrycie poprzez pomiar. Należy podać przyczynę i rodzaj cząstek w ośrodku pomiarowym. Gdy rodzaj cząstek jest znany, można odpowiednio skorygować prędkość dźwięku płynu i porównać jakość sygnału, aby uzyskać dokładniejsze wyniki pomiarów. ② W przypadku nierównomiernego rozmieszczenia cząstek intensywność sygnału będzie się znacznie zmieniać. W takim przypadku najlepszym rozwiązaniem jest pomiar przeprowadzony przez dłuższy czas oraz uśrednienie wyników w kilku punktach o dobrej jakości sygnału.

2. Odległość l między przetwornikami A i B oraz średnica wewnętrzna rury d

Wpływ powtarzalności pomiaru i metody poprawy dokładności pomiaru w miejscu instalacji: Podczas wyboru rurociągu pomiarowego należy wybrać prosty, stabilny odcinek rurociągu z ośrodkiem roboczym, oddalony od stacji pompy i zaworu. Jeśli ośrodek w rurociągu jest cieczą, należy również wybrać odcinek rurociągu, w którym na dnie mniej prawdopodobne jest osadzanie się zanieczyszczeń, a na górze gromadzenie się powietrza. Najpierw wykonaj pomiar z pionowo zamontowanym czujnikiem, a następnie poziomo. Jeśli różnica między dwoma pomiarami mieści się w maksymalnym dopuszczalnym błędzie przepływomierza ultradźwiękowego, bez zmiany innych parametrów, przejdź do kolejnego pomiaru po dodatkowym ustawieniu parametrów. W przeciwnym razie wybierz inny odcinek rurociągu do pomiaru (jeśli różnica między dwoma pomiarami przekracza dopuszczalny błąd przepływomierza ultradźwiękowego, oznacza to, że odcinek rurociągu nie jest całkowicie wypełniony ośrodkiem roboczym).

Podczas ustawiania szczegółowych parametrów kolejnego pomiaru, głównymi czynnikami wpływającymi na dokładność pomiaru są odległość l pomiędzy przetwornikami A i B oraz średnica wewnętrzna rury d. Odległość l zazwyczaj mierzy się za pomocą taśmy stalowej lub suwmiarki w zależności od długości. W przypadku pomiaru średnicy wewnętrznej rury d, suwmiarkę można stosować bezpośrednio, jeśli średnica zewnętrzna rury jest mała. Dla większych rur najlepiej zmierzyć obwód za pomocą precyzyjnej taśmy stalowej, a następnie obliczyć średnicę. Podczas pomiaru rur o silnym zanieczyszczeniu wewnętrznym i osadach, warto zwiększyć parametr ścianki rury s i zmniejszyć prędkość dźwięku w ściance. W przypadku pomiaru rur o silnej korozji wewnętrznej, parametr ścianki rury s można zmniejszyć, jednak prędkość dźwięku w ściance pozostaje bez zmian.

W oparciu o zasadę działania przepływomierzy ultradźwiękowych czasu przelotu, w niniejszym artykule dokonano analizy i oceny niepewności pomiarowej błędów przepływomierza ultradźwiękowego. W oparciu o wieloletnie doświadczenie naszego instytutu w badaniach terenowych przepływomierzy ultradźwiękowych, zaproponowano oraz wyjaśniono kilka kluczowych punktów pozwalających na poprawę dokładności pomiarów terenowych przepływomierzy ultradźwiękowych.