Princípio de funcionamento e calibração do caudalímetro ultrasónico

Um medidor de vazão ultrasônico é um medidor de vazão do tipo velocimétrico que utiliza pulsos ultrasônicos para medir o fluxo de fluidos. Ele apresenta como características a operação sem contato, ampla faixa de medição, facilidade de transporte e instalação, forte adaptabilidade a diâmetros de tubulação, facilidade de uso e de digitalização. É amplamente utilizado para medição in loco da velocidade e vazão de gases e fluidos. Este artigo apresenta os princípios de projeto dos medidores de vazão ultrasônicos mais comumente utilizados, analisa e avalia a incerteza de medição dos seus erros de medição e discute métodos para melhorar a precisão das medições in loco.

I. Princípio de Medição dos Medidores de Vazão Ultrasônicos

O princípio de funcionamento de um medidor de vazão ultrassônico é mostrado na Figura 1. Dois sondas ultrassônicas são instaladas: o transdutor A a jusante transmite sinais de pulso ultrassônico, e o transdutor B a montante os recebe. Os transdutores são montados utilizando o método de fixação externa Z, um em cada lado de uma tubulação de fluido a uma distância especificada. O diâmetro interno da tubulação é d, a velocidade ultrassônica a jusante é V, e o ângulo θ entre a direção de propagação ultrassônica e a direção do fluxo do fluido é θ.

2. Análise da incerteza de medição

A vazão do fluido, segundo a fórmula (3), é composta por quatro partes: o diâmetro interno do tubo d, a velocidade teórica do som C no fluido medido, a tangente do ângulo de refração da onda sonora tanθ e a diferença de tempo Δt entre o fluxo direto e reverso do fluido que atravessa o transdutor AB. A análise de sua incerteza de medição é a seguinte.

1. Avaliação da incerteza introduzida pela repetibilidade da medição do diâmetro interno do tubo d

De acordo com a ** norma, o diâmetro nominal do tubo D e a espessura do tubo s são apenas dimensões nominais aproximadas. O diâmetro externo do tubo D e a espessura do tubo s devem ser medidos a cada vez. Portanto, esta incerteza tem duas componentes, nomeadamente a repetibilidade da medição do objeto medido e a incerteza de medição do instrumento de medição utilizado no local. De acordo com a nossa experiência real de medição no local, a incerteza de medição do diâmetro interno do tubo d é geralmente Urel (d) = 0,5% (k = 2); portanto, a incerteza padrão introduzida pela medição do diâmetro interno do tubo d é:

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

2. Avaliação da incerteza introduzida pela medição da velocidade do som do fluido C, urel(C)

De acordo com os dados técnicos, esta incerteza é avaliada como Classe B. A incerteza da medição da velocidade do som no fluido medido é:

Urel(C) = 0,6% (k = 2). Isto pode ser diretamente citado:

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

3. Incerteza introduzida pela repetibilidade da medição da distância l entre os transdutores A e B

Avaliação da incerteza de urel (l). A incerteza de medição da distância l entre o transdutor A a jusante e o transdutor B a montante tem duas componentes: a repetibilidade da medição do objeto medido e a incerteza de medição do instrumento de medição utilizado no local. Com base na nossa experiência real de medição no campo, a incerteza padrão introduzida pela repetibilidade da medição da distância l entre os transdutores A e B é geralmente

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

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

4. Introdução ao Tempo de Diferença Δt Entre o Fluxo Direto e o Fluxo Contrário Através dos Transdutores AB

Avaliação da Incerteza u(Δt) A diferença de tempo Δt entre o fluxo direto e contracorrente através dos transdutores AB em um medidor de vazão ultrassônico é medida subtraindo o tempo t1 do pulso transmitido do transdutor A para B na direção do fluxo direto e t2 do pulso transmitido de B para A na direção do contracorrente (ver Figura 1). De acordo com a fórmula (1), seus componentes de incerteza são determinados principalmente pela distância l entre o transdutor a jusante A e o transdutor a montante B, o diâmetro interno do tubo d e a velocidade do som C no fluido medido. A precisão de medição de tempo e frequência é a mais alta entre todas as disciplinas de medição. O erro causado pela medição de temporização dos pulsos do medidor de vazão ultrassônico pode ser ignorado. A distância l, o diâmetro interno do tubo d e a velocidade do som C no fluido medido estão incluídas em outros componentes de incerteza. Portanto, a incerteza u(Δt) introduzida pela diferença de tempo Δt entre os fluidos a montante e a jusante ao passarem pelos transdutores AB pode ser ignorada.

III. Métodos para Melhorar a Precisão das Medições no Campo de Medidores de Vazão Ultrasônicos

Nas medições no campo, o primeiro passo é realizar uma análise abrangente dos diversos fatores. Todos esses fatores têm certa influência nos resultados finais das medições, conforme mostrado abaixo.

1. O Impacto da Incerteza na Velocidade do Som C e Métodos Empíricos para Melhorar a Precisão das Medições no Campo

Antes de iniciar as medições no campo, deve-se fornecer o meio a ser medido. Se o meio for um gás, devem ser fornecidos a composição específica do gás, a temperatura de operação e a pressão de operação. A velocidade do som ultrassônico pode ser obtida consultando as normas relevantes com base nas informações acima. A influência da velocidade do som C do meio de trabalho sobre o medidor de vazão ultrassônico terá menor impacto nos resultados de medição. Se o meio for um líquido, devem ser fornecidos o nome específico do líquido, a pressão de operação, a temperatura de operação, a pressão de operação e a existência de partículas em suspensão no líquido. A configuração da velocidade do som deve levar em conta os efeitos da temperatura. A velocidade do som nas soluções aquosas é maior do que a da água, e para a maioria dos fluidos, quanto maior a temperatura, maior a velocidade do som. Quando há muitas partículas no fluido (mas dentro da faixa de medição), existem duas abordagens: 1. Partículas distribuídas uniformemente. Neste caso, o sinal é relativamente estável, dificultando sua detecção através da medição. O meio medido deve indicar a causa e o tipo das partículas. Uma vez conhecido o tipo de partícula, pode-se ajustar adequadamente a velocidade do som do fluido e comparar a qualidade do sinal para obter resultados de medição mais precisos. ② No caso de partículas não uniformes, a intensidade do sinal variará significativamente. Neste caso, a melhor abordagem é realizar medições por um longo período e calcular a média das leituras em vários pontos com boa qualidade de sinal.

2. Distância l entre os transdutores A e B e diâmetro interno do tubo d

O impacto da repetibilidade das medições e métodos para melhorar a precisão das medições no local: Ao selecionar a tubulação para medição, escolha uma seção reta e estável do meio de trabalho, distante da válvula da estação de bombas. Se o meio na tubulação for líquido, selecione também uma seção de tubo onde seja menor a probabilidade de ocorrer sedimentação no fundo e acumulação de ar no topo. Inicialmente, realize a medição com a sonda instalada na vertical e, depois, na horizontal. Se a diferença entre as duas medições estiver dentro do erro máximo permitido pelo medidor de vazão ultrasônico, mantendo os demais parâmetros inalterados, prossiga para a próxima medição após ajustes adicionais dos parâmetros. Caso contrário, selecione novamente a tubulação para medição (se a diferença entre as duas medições exceder o erro permitido pelo medidor de vazão ultrasônico, isso indica que a seção do tubo não está completamente preenchida pelo meio de trabalho).

Ao definir os parâmetros detalhados para a próxima medição, os principais fatores que afetam a precisão da medição são a distância l entre os transdutores A e B e o diâmetro interno d do tubo. A distância l é geralmente medida com uma régua de aço ou paquímetro, com base na distância l. Para medir o diâmetro interno d do tubo, pode-se utilizar diretamente um paquímetro, quando o diâmetro externo do tubo for pequeno. Para tubos maiores, é preferível utilizar uma régua de aço de precisão para medir a circunferência e, em seguida, calcular o diâmetro. Ao medir tubos com depósitos e incrustações internas severas, o parâmetro da parede do tubo s pode ser aumentado e a velocidade do som na parede pode ser reduzida. Ao medir tubos com corrosão interna severa, o parâmetro da parede do tubo s pode ser reduzido, mas a velocidade do som na parede permanece inalterada.

Com base no princípio dos medidores de vazão ultrassônicos de tempo de trânsito, este artigo analisa e avalia a incerteza de medição dos erros dos medidores de vazão ultrassônicos. Com base nos anos de experiência de nosso instituto em testes de campo de medidores de vazão ultrassônicos, propomos e explicamos vários pontos-chave para melhorar a precisão das medições em campo dos medidores de vazão ultrassônicos.