Принцип работы и калибровка ультразвукового потокомера

Ультразвуковой расходомер представляет собой скоростной расходомер, который использует ультразвуковые импульсы для измерения потока жидкости. Он характеризуется бесконтактной работой, широким диапазоном измерений, удобством переноски и установки, высокой адаптируемостью к диаметрам труб, простотой использования и лёгкостью цифровой обработки. Он широко используется для измерения скорости и расхода газа и жидкости на месте. В этой статье рассматриваются принципы проектирования наиболее распространённых ультразвуковых расходомеров, проводится анализ и оценка неопределённости измерений их погрешностей, а также обсуждаются методы повышения точности измерений на месте.

I. Принцип измерения ультразвуковых расходомеров

Принцип работы ультразвукового расходомера показан на рисунке 1. Установлены два ультразвуковых датчика: датчик A, расположенный по потоку, передает ультразвуковые импульсные сигналы, а датчик B, расположенный против потока, их принимает. Датчики установлены с использованием внешнего зажимного метода Z, по одному с каждой стороны трубопровода с жидкостью на заданном расстоянии. Внутренний диаметр трубопровода равен d, скорость ультразвука по потоку равна V, угол θ между направлением распространения ультразвука и направлением потока жидкости составляет θ.

2. Анализ неопределенности измерений

Скорость потока жидкости в соответствии с формулой (3) состоит из четырех частей: внутреннего диаметра трубы d, теоретической скорости звука C в измеряемой жидкости, тангенса угла преломления звуковой волны tanθ и разности времени Δt между прямым и обратным потоком жидкости, проходящим через датчик AB. Анализ неопределенности его измерений следующий.

1. Оценка неопределенности, вносимой повторяемостью измерения внутреннего диаметра трубы d

Согласно стандарту, номинальный диаметр трубы D и толщина стенки трубы s являются лишь приблизительными номинальными размерами. Внешний диаметр трубы D и толщина стенки трубы s должны измеряться каждый раз. Таким образом, эта неопределенность имеет две составляющие: а именно, повторяемость измерений измеряемого объекта и неопределенность измерения используемого на месте измерительного прибора. Исходя из нашего практического опыта проведения измерений на месте, относительная неопределенность измерения внутреннего диаметра трубы d обычно составляет Urel (d) = 0,5% (k = 2); следовательно, стандартная неопределенность, вносимая измерением внутреннего диаметра трубы d, составляет:

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

2. Оценка неопределенности, вносимой измерением скорости звука в жидкости C, urel(C)

Согласно техническим данным, эта неопределенность оценивается как класс B. Неопределенность измерения скорости звука в измеряемой жидкости составляет:

Uотн(C) = 0,6 % (k = 2). Это можно использовать непосредственно:

uотн(C) = Uотн(C) / k = 0,6 % / 2 = 0,3 %

3. Неопределенность, возникающая из-за повторяемости измерений расстояния l между преобразователями A и B

Оценка неопределенности uотн(l). Неопределенность измерения расстояния l между нижним по потоку преобразователем A и верхним по потоку преобразователем B имеет две составляющие: повторяемость измерений объекта и неопределенность измерения измерительного прибора, используемого на месте. Основываясь на нашем практическом опыте полевых измерений, стандартная неопределенность, возникающая из-за повторяемости измерений расстояния l между преобразователями A и B, обычно составляет

Uотн(l) = 0,6 % (k = 2):

Uотн(l) = s/k = 0,5 %/2 = 0,25 %

4. Введение временной разности Δt между прямыми и противоточными потоками через преобразователи AB

Оценка неопределенности u(Δt) Разность во времени Δt между прямыми и противоточными потоками через преобразователи AB в ультразвуковом расходомере измеряется путем вычитания времени t1 импульса, переданного с преобразователя A на B в направлении прямого потока, и времени t2 импульса, переданного с B на A в направлении противотока (см. рисунок 1). Согласно формуле (1), составляющие неопределенности в основном определяются расстоянием l между нижестоящим преобразователем A и вышестоящим преобразователем B, внутренним диаметром трубы d и скоростью звука C в измеряемой жидкости. Точность измерения времени и частоты является наивысшей среди всех дисциплин измерения. Ошибка, вызванная измерением временных интервалов импульсов ультразвукового расходомера, может быть проигнорирована. Расстояние l, внутренний диаметр трубы d и скорость звука C в измеряемой жидкости включены в другие составляющие неопределенности. Таким образом, неопределенность u(Δt), вносимая разностью времени Δt между прохождением жидкости вверх и вниз по потоку через преобразователи AB, может быть проигнорирована.

III. Методы повышения точности полевых измерений ультразвуковых расходомеров

При проведении полевых измерений первым шагом является проведение всестороннего анализа различных факторов. Эти факторы оказывают определенное влияние на конечные результаты измерений, как показано ниже.

1. Влияние неопределенности скорости звука C и эмпирические методы повышения точности полевых измерений

Перед началом измерений на месте следует предоставить измеряемую среду. Если среда является газом, необходимо указать конкретный состав газа, рабочую температуру и рабочее давление. Скорость ультразвукового звука может быть определена с помощью соответствующих стандартов на основе указанной выше информации. Влияние скорости звука C рабочей среды на ультразвуковой расходомер окажет меньшее влияние на результаты измерений. Если среда является жидкостью, необходимо указать конкретное название жидкости, рабочее давление, рабочую температуру, наличие в жидкости взвешенных частиц. При настройке скорости звука следует учитывать влияние температуры. Скорость звука в водных растворах выше, чем в воде, а для большинства жидкостей с повышением температуры скорость звука увеличивается. Если в жидкости много частиц (но в пределах измерительного диапазона), существуют два подхода: 1. Равномерное распределение частиц. В этом случае сигнал относительно стабилен, и его сложно обнаружить с помощью измерений. Для измеряемой среды следует указать причину и тип частиц. Как только тип частиц известен, можно соответствующим образом отрегулировать скорость звука в жидкости и сравнить качество сигнала, чтобы получить более точные результаты измерений. ② В случае неравномерного распределения частиц интенсивность сигнала будет значительно колебаться. В этом случае лучшим решением является проведение измерений в течение длительного времени и усреднение показаний в нескольких точках с хорошим качеством сигнала.

2. Расстояние l между преобразователями A и B и внутренним диаметром трубы d

Влияние повторяемости измерений и методов повышения точности измерений на месте: При выборе измерительного трубопровода выберите прямой, устойчивый участок рабочей среды, удаленный от насосной станции и клапана. Если среда в трубопроводе является жидкостью, также выберите участок трубы, в котором меньше вероятность осаждения на дне и накопления воздуха вверху. Сначала проведите измерение с вертикально установленным датчиком, затем — горизонтально. Если разница между двумя измерениями находится в пределах максимально допустимой погрешности ультразвукового расходомера, при неизменных других параметрах перейдите к следующему измерению после дополнительных настроек параметров. В противном случае выберите другой участок трубопровода для измерения (если разница между двумя измерениями превышает допустимую погрешность ультразвукового расходомера, это означает, что участок трубы не полностью заполнен рабочей средой).

При установке подробных параметров для следующего измерения основными факторами, влияющими на точность измерения, являются расстояние l между преобразователями A и B и внутренний диаметр трубы d. Расстояние l обычно измеряется стальной линейкой или штангенциркулем в зависимости от расстояния l. Для измерения внутреннего диаметра трубы d штангенциркул можно использовать непосредственно, если внешний диаметр трубы мал. Для более крупных труб рекомендуется использовать прецизионную стальную линейку для измерения окружности, а затем рассчитать диаметр. При измерении труб с сильными внутренними отложениями и загрязнениями параметр стенки трубы s можно увеличить, а скорость звука в стенке уменьшить. При измерении труб с сильной внутренней коррозией параметр стенки трубы s можно уменьшить, но скорость звука в стенке остается неизменной.

На основе принципа ультразвуковых расходомеров транзитного времени, в данной статье анализируется и оценивается неопределенность измерения погрешностей ультразвуковых расходомеров. Опираясь на многолетний опыт нашего института в проведении полевых испытаний ультразвуковых расходомеров, предлагаются и объясняются несколько ключевых моментов, позволяющих повысить точность полевых измерений ультразвуковых расходомеров.