Радни принцип и калибрација ултразвучног протокмера

Ултразвучни мерач протока је мерач протока типa брзине који користи ултразвучне импулсе за мерење протока флуида. Има неконтактни рад, широк опсег мерења, лаку преносивост и инсталацију, јаку прилагодљивост пречницима цеви, једноставну употребу и лакоћу дигитализације. Често се користи за мерење брзине и протока гасова и течности на терену. Овај чланак објашњава принципе пројектовања најчешће коришћених ултразвучних мерача протока, анализира и евалуира непоузданост мерења њихових грешака и обсуждује методе за побољшање тачности мерења на терену.

I. Принцип мерења ултразвучних мерача протока

Принцип рада ултразвучног мерача протока приказан је на слици 1. Инсталирана су два ултразвучна сонда: доњи трансдуктор А шаље ултразвучне импулсне сигнале, а горњи трансдуктор Б их прихвата. Трансдуктори су постављени коришћењем екстерног стега Z методом, по један са сваке стране цевовода са флуидом, на одређеном растојању. Унутрашњи пречник цеви је d, брзина ултразвука низводно је V, а угао θ између правца ширења ултразвука и правца струјања флуида је θ.

2. Анализа непоузданости мерења

Проток флуида према формули (3) састоји се од четири дела: унутрашњи пречник цеви d, теоријска брзина звука C у измереном флуиду, тангенс угла рефракције звучног таласа tanθ и временска разлика Δt између протока напред и назад кроз трансдуктор AB. Анализа непоузданости његовог мерења је следећа.

1. Procena nesigurnosti koju unosi ponovljivost merenja unutrašnjeg prečnika cevi d

Prema standardu **, nazivni prečnik cevi D i debljina zida cevi s su približne nominalne dimenzije. Spoljašnji prečnik cevi D i debljina zida cevi s moraju se meriti svaki put. Stoga, ova nesigurnost ima dve komponente, i to: ponovljivost merenja merenog objekta i nesigurnost merenja merne sonde na terenu. Prema našem stvarnom iskustvu sa terenskim merenjima, nesigurnost merenja unutrašnjeg prečnika cevi d iznosi uopšteno Urel (d) = 0,5% (k = 2); stoga je standardna nesigurnost koju unosi merenje unutrašnjeg prečnika cevi d sledeća:

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

2. Procena nesigurnosti koju unosi merenje brzine zvuka u fluidu C, urel(C)

Према техничким подацима, ова независност се оцењује као класа B. Независност мерења брзине звука у измереној течности је:

Urel(C) = 0,6% (k = 2). Ово се може директно навести:

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

3. Независност унесена понављањем мерења размака l између претварача A и B

Процена независности urel (l). Независност мерења размака l између доњег претварача A и горњег претварача B има две компоненте: понављање мерења мереног објекта и независност мерења мерног инструмента који се користи на терену. На основу наше стварне теренске мере, стандардна независност унесена понављањем мерења размака l између претварача A и B је независност углавном

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

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

4. Увод у временску разлику Δt између директног и супротног тока кроз претвараче AB

Процена несигурности u(Δt) Временска разлика Δt између протока у правцу напред и у супротном смеру кроз претвараче AB у ултразвучном мерачу протока мери се одузимањем времена t1 импулса који шаље претварач A ка B у смеру протока напред и t2 импулса који шаље претварач B ка A у супротном смеру (погледајте слику 1). Према формули (1), његове компоненте несигурности углавном зависе од размака l између доњег претварача A и горњег претварача B, унутрашњег пречника цеви d и брзине звука C у измереној течности. Тачност мерења времена и фреквенције је највиша у односу на све друге дисциплине мерења. Грешка коју узрокује мерење тајминга импулса ултразвучног мерача протока може се занемарити. Размак l, унутрашњи пречник цеви d и брзина звука C у измереној течности укључени су у друге компоненте несигурности. Стога, несигурност u(Δt) коју уноси временска разлика Δt између течности на горњем и доњем току која пролази кроз претвараче AB може се занемарити.

III. Metode za poboljšanje tačnosti merenja ultrazvučnih mernih instrumenata na terenu

Kod terenskih merenja, prvi korak je sprovesti sveobuhvatnu analizu različitih faktora. Svi ovi faktori imaju određen uticaj na konačne rezultate merenja, kao što je prikazano u nastavku.

1. Uticaj nesigurnosti brzine zvuka C i empirijske metode za poboljšanje tačnosti terenskih merenja

Пре него што започну мерна поља, треба да се обезбеди средство за мерење. Ако је средство гас, треба навести састав гаса, радну температуру и радни притисак. Брзину ултразвучног звука може се добити консултовањем одговарајућих стандарда коришћењем горенаведених информација. Утицај брзине звука C радног средства на ултразвучни мерач протока имаће мањи утицај на резултате мерења. Ако је средство течност, треба навести назив течности, радни притисак, радну температуру, постојање суспендованих честица у течности. Подешавање брзине звука треба да узме у обзир ефекте температуре. Брзина звука водених растворa већа је него код воде, а за већину течности важи да што је већа температура, већа је брзина звука. Када постоји много честица у флуиду (али у оквиру мерења), постоје два приступа: 1. Честице равномерно распоређене. У овом случају, сигнал је релативно стабилан, чиме се омемогућава откривање кроз мерење. Треба навести узрок и тип честица у мерном средству. Када се тип честица позна, брзина звука флуида се може прилагодити, а квалитет сигнала може се упоредити да би се добили прецизнији резултати мерења. ② У случају неједнаких честица, интензитет сигнала ће се значајно мењати. У овом случају, најбољи приступ је да се мерење врши дуже време и да се усредње вредности на неколико тачака са добром квалитетом сигнала.

2. Rastojanje l između pretvarača A i B i unutrašnji prečnik cevi d

Uticaj ponovljivosti merenja i metoda za poboljšanje tačnosti merenja na terenu: Prilikom izbora cevovoda za merenje, izaberite ravan, stabilan deo radnog medijuma, udaljen od pumpe i ventila. Ako je medijum u cevi tečan, izaberite deo cevi gde je manje verovatno da će doći do taloženja na dnu i nakupljanja vazduha na vrhu. Inicijalno izvršite merenje sa sonda postavljenom vertikalno, a zatim horizontalno. Ako je razlika između dva merenja unutar maksimalne dozvoljene greške ultrazvučnog merila za protok, a ostali parametri ostaju nepromenjeni, pređite na sledeće merenje nakon dodatnih podešavanja parametara. U suprotnom, izaberite drugi cevovod za merenje (ako je razlika između dva merenja veća od dozvoljene greške ultrazvučnog merila za protok, to ukazuje da cevovod nije potpuno ispunjen radnim medijumom).

Приликом постављања детаљних параметара за наредно мерење, главни фактори који утичу на тачност мерења су растојање l између претварача А и Б и унутрашњи пречник цеви d. Растојање l се углавном мери помоћу челичног лењира или нонијуса у зависности од растојања l. За мерење унутрашњег пречника цеви d, нонијус се може директно користити када је спољашњи пречник цеви мали. За веће цеви, најбоље је користити прецизан челични лењир за мерење обима, а затим израчунати пречник. Када се мере цеви са израженим унутрашњим таложењима и запушавањима, параметар зида цеви s може се повећати, а брзина звука кроз зид може се смањити. Када се мере цеви са израженом унутрашњом корозијом, параметар зида цеви s може се смањити, али брзина звука кроз зид остаје непромењена.

На основу принципа ултразвучних мерних уређаја за проток транзитног времена, овај рад анализира и евалуира мерење несигурности грешака ултразвучних мерних уређаја за проток. На основу година искуства нашог института у теренском тестирању ултразвучних мерних уређаја за проток, предлажемо и објашњавамо неколико кључних тачака за побољшање тачности теренских мерења ултразвучним мерним уређајима за проток.