Principiul de funcționare și calibrarea fluxometrului cu ultrasunete

Un debitmetru ultrasonic este un debitmetru de tip viteză care utilizează impulsuri ultrasonice pentru a măsura debitul fluidului. Acesta are o funcționare non-contact, o gamă largă de măsurare, o portabilitate și instalare ușoară, o adaptabilitate bună la diametrele conductelor, este ușor de utilizat și de digitalizat. Este utilizat pe scară largă pentru măsurarea la fața locului a vitezei și debitului gazelor și lichidelor. Acest articol prezintă principiile de proiectare ale debitmetrelor ultrasonice cel mai frecvent utilizate, analizează și evaluează incertitudinea măsurătorilor erorilor acestora și discută metodele de îmbunătățire a preciziei măsurărilor la fața locului.

I. Principiul de măsurare al debitmetrelor ultrasonice

Principiul de funcționare al unui debitmetru ultrasunetic este prezentat în Figura 1. Sunt instalate două sonde ultrasenetice: transductorul A, situat în aval, transmite semnale de impulsuri ultrasenice, iar transductorul B, situat în amonte, le primește. Transductoarele sunt montate utilizând metoda externă cu cleme Z, câte una pe fiecare parte a conductei de fluid, la o distanță specificată. Diametrul interior al conductei este d, viteza ultrasenetică în aval este V, iar unghiul θ dintre direcția de propagare a ultrasunetelor și direcția de curgere a fluidului este θ.

2. Analiza incertitudinii măsurării

Debitul fluidului conform formulei (3) este compus din patru părți: diametrul interior al conductei d, viteza teoretică a sunetului C în fluidul măsurat, tangenta unghiului de refracție al undei sonore tanθ și diferența de timp Δt dintre curgerea înainte și înapoi a fluidului prin transductorul AB. Analiza incertitudinii măsurării este următoarea:

1. Evaluarea incertitudinii introduse de repetabilitatea măsurării diametrului interior al conductei d

Conform standardului **, diametrul nominal al conductei D și grosimea conductei s sunt doar dimensiuni nominale aproximative. Diametrul exterior al conductei D și grosimea conductei s trebuie măsurate de fiecare dată. Prin urmare, această incertitudine are două componente, și anume repetabilitatea măsurării obiectului măsurat și incertitudinea măsurării instrumentului de măsură utilizat pe teren. Conform experienței noastre reale de măsurare pe teren, incertitudinea relativă de măsurare a diametrului interior al conductei d este, în general, Urel(d) = 0,5% (k = 2); prin urmare, incertitudinea standard introdusă de măsurarea diametrului interior al conductei d este:

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

2. Evaluarea incertitudinii introduse de măsurarea vitezei sunetului în fluid C, urel(C)

Conform datelor tehnice, această incertitudine este evaluată ca fiind de Clasa B. Incertitudinea măsurării vitezei sunetului în fluidul măsurat este:

Urel(C) = 0,6% (k = 2). Aceasta poate fi citată direct:

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

3. Incertitudinea introdusă de repetabilitatea măsurării distanței l dintre transductori A și B

Evaluarea incertitudinii urel (l). Incertitudinea de măsurare a distanței l dintre transductorul aval A și transductorul amonte B are două componente: repetabilitatea măsurării obiectului măsurat și incertitudinea de măsurare a instrumentului de măsură utilizat pe teren. Pe baza experienței noastre reale de măsurare în teren, incertitudinea standard introdusă de repetabilitatea măsurării distanței l dintre transductori A și B este, în general

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

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

4. Introducere în Diferența de Timp Δt dintre curgerea directă și curgerea inversă prin transductori AB

Evaluarea incertitudinii u(Δt) Diferența de timp Δt dintre curgerea directă și inversă prin traductoarele AB într-un debitmetru ultrasunetic este măsurată prin scăderea timpului t1 al pulsului transmis de la transductorul A la B în direcția curgerii directe și t2 al pulsului transmis de la B la A în direcția curgerii inverse (vezi Figura 1). Conform formulei (1), componentele sale de incertitudine sunt determinate în principal de distanța l dintre transductorul aval A și transductorul amonte B, diametrul interior al conductei d și viteza sunetului C în fluidul măsurat. Precizia de măsurare a timpului și frecvenței este cea mai ridicată dintre toate disciplinele de măsurare. Eroarea cauzată de măsurarea temporizării pulsului la debitmetrul ultrasunetic poate fi ignorată. Distanța l, diametrul interior al conductei d și viteza sunetului C în fluidul măsurat sunt incluse în alte componente de incertitudine. Prin urmare, incertitudinea u(Δt) introdusă de diferența de timp Δt dintre fluidele amonte și aval care trec prin traductoarele AB poate fi ignorată.

III. Metode pentru îmbunătățirea preciziei măsurătorilor în teren ale debitmetrelor ultrasunice

În cazul măsurătorilor efectuate în teren, primul pas este realizarea unei analize cuprinzătoare a diverselor factori. Acești factori au cu toții un anumit impact asupra rezultatelor finale ale măsurătorilor, după cum se arată mai jos.

1. Impactul incertitudinii vitezei sunetului C și metode empirice pentru îmbunătățirea preciziei măsurătorilor în teren

Înainte de începerea măsurătorilor în teren, ar trebui să se furnizeze mediul măsurat. Dacă mediul este un gaz, trebuie furnizată compoziția specifică a gazului, temperatura de funcționare și presiunea de funcționare. Viteza sunetului ultrasonic poate fi obținută consultând standardele relevante folosind informațiile de mai sus. Influensa vitezei sunetului C a mediului de lucru asupra debitmetrului ultrasonic va avea un impact mai redus asupra rezultatelor măsurătorilor. Dacă mediul este un lichid, trebuie furnizate denumirea specifică a lichidului, presiunea de funcționare, temperatura de funcționare, presiunea de funcționare și prezența particulelor în suspensie în lichid. Setarea vitezei sunetului ar trebui să ia în considerare efectele temperaturii. Viteza sunetului în soluțiile apoase este mai mare decât în cazul apei, iar pentru majoritatea fluidelor, cu cât temperatura este mai mare, cu atât viteza sunetului este mai mare. Atunci când există multe particule în fluid (dar în limitele domeniului de măsurare), există două abordări: 1. Particule distribuite uniform. În acest caz, semnalul este relativ stabil, fiind dificil de detectat prin măsurare. Mediul măsurat trebuie să furnizeze cauza și tipul particulelor. Odată cunoscut tipul particulelor, viteza sunetului a fluidului poate fi ajustată corespunzător, iar calitatea semnalului poate fi comparată pentru a obține rezultate mai precise ale măsurătorilor. ② În cazul particulelor distribuite neuniform, intensitatea semnalului va fluctua semnificativ. În acest caz, cea mai bună abordare este să se efectueze măsurători pe o perioadă lungă de timp și să se facă o medie a citirilor din mai multe puncte cu o calitate bună a semnalului.

2. Distanța l dintre transductori A și B și diametrul interior al țevii d

Impactul repetabilității măsurătorilor și al metodelor de îmbunătățire a preciziei măsurătorilor efectuate pe teren: La alegerea conductei de măsurare, selectați o secțiune dreaptă și stabilă a mediului de lucru, situată departe de stația de pompare și de ventil. Dacă mediul din conductă este lichid, selectați de asemenea o secțiune de țeavă care să reducă riscul sedimentării la partea inferioară și acumulării de aer în partea superioară. Măsurați inițial cu sonda instalată vertical, apoi orizontal. Dacă diferența dintre cele două măsurători se încadrează în eroarea maximă admisă a debitmetrului ultrasunetic, păstrând ceilalți parametri neschimbați, continuați cu măsurătoarea următoare după ajustarea suplimentară a parametrilor. În caz contrar, selectați o altă secțiune de țeavă pentru măsurare (dacă diferența dintre cele două măsurători depășește eroarea admisă a debitmetrului ultrasunetic, acest lucru indică faptul că secțiunea de țeavă nu este complet umplută cu mediul de lucru).

La setarea parametrilor detaliați pentru următoarea măsurătoare, principalele factori care influențează precizia măsurătorii sunt distanța l dintre traductoarele A și B și diametrul interior d al țevii. Distanța l se măsoară, în general, cu un liniar de oțel sau un subler în funcție de distanța l. Pentru măsurarea diametrului interior d al țevii, sublerul poate fi utilizat direct atunci când diametrul exterior al țevii este mic. În cazul țevilor mai mari, este recomandat să se folosească un liniar de oțel de precizie pentru a măsura circumferința, iar apoi să se calculeze diametrul. Atunci când se măsoară țevi cu depuneri și murdărie interne severe, parametrul peretelui țevii s poate fi mărit, iar viteza sunetului în peretele țevii poate fi redusă. În cazul țevilor cu coroziune internă severă, parametrul peretelui țevii s poate fi micșorat, însă viteza sunetului în peretele țevii rămâne neschimbată.

În baza principiului contoarelor de debit ultrasonice de tip timp de tranziție, acest articol analizează și evaluează incertitudinea măsurătorilor erorilor contorului de debit ultrasonic. Pe baza experienței de ani întregi în testarea pe teren a contoarelor de debit ultrasonice din partea institutului nostru, propunem și explicăm câteva puncte esențiale pentru îmbunătățirea preciziei măsurătorilor pe teren a acestor contoare de debit ultrasonice.