Arbetsprincipen och kalibreringen av ultraljudsflödesmätare

En ultraljudsflödesmätare är en flödesmätare av hastighetstyp som använder ultraljudspulser för att mäta vätskeflöde. Den har kontaktfri drift, ett brett mätområde, enkel portabilitet och installation, god anpassningsförmåga till rördiametrar, enkel användning och lätt att digitalisera. Den används ofta för on-site-mätning av gas- och vätskehastighet och flöde. Denna artikel introducerar designprinciperna för de mest använda ultraljudsflödesmätarna, analyserar och utvärderar mätosäkerheten i deras mätfel samt diskuterar metoder för att förbättra mätprecisionen på plats.

I. Mätplincip för ultraljudsflödesmätare

Principen för en ultraljudsmätare illustreras i Figur 1. Två ultraljudssondare är installerade: nedströms transducer A sänder ultraljudspulssignaler, och uppströms transducer B tar emot dem. Transducerna är monterade med hjälp av den externa klämmetoden Z, en på varje sida av en fluidledning med ett specificerat avstånd. Rörets invändiga diameter är d, den nedströms ultraljudshastigheten är V, och vinkeln θ mellan ultraljudssignals utbredningsriktning och fluidflödets riktning är θ.

2. Mätosäkerhetsanalys

Fluidflödeshastigheten enligt formel (3) består av fyra delar: rörets invändiga diameter d, den teoretiska ljudhastigheten C i den uppmätta fluiden, tangens för ljudvågens brytningsvinkel tanθ och tidskillnaden Δt mellan fram- och returflödet av fluiden genom transducer AB. Analysen av dess mätosäkerhet är som följer.

1. Utvärdering av osäkerheten som introduceras av upprepbarheten i mätningen av rörets invändiga diameter d

Enligt **-standarden är rörets nominella diameter D och rörtjockleken s endast approximativa nominella mått. Rörets ytterdiameter D och rörtjockleken s måste mätas varje gång. Därför har denna osäkerhet två komponenter, nämligen mätobjektets mätupprepbarhet och mätinstrumentets mätosäkerhet som används på plats. Enligt vår faktiska mätning på plats är mätosäkerheten för rörets invändiga diameter d generellt Urel (d) = 0,5 % (k = 2); därmed är standardosäkerheten som introduceras av mätningen av rörets invändiga diameter d:

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

2. Utvärdering av osäkerheten som introduceras av mätningen av vätskans ljudhastighet C, urel(C)

Enligt tekniska data bedöms denna osäkerhet som klass B. Osäkerheten i ljudhastighetsmätningen i den uppmätta vätskan är:

Urel(C) = 0,6 % (k = 2). Detta kan citeras direkt:

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

3. Osäkerhet orsakad av mätupprepbarheten av avståndet l mellan transducerna A och B

Bedömning av osäkerheten urel (l). Mätosäkerheten för avståndet l mellan den nedströms placerade transducern A och den uppströms placerade transducern B har två komponenter: mätupprepbarheten hos mätobjektet och mätosäkerheten hos det mätinstrument som används på plats. Baserat på vår faktiska fältmätningserfarenhet är standardosäkerheten som orsakas av mätupprepbarheten av avståndet l mellan transducerna A och B generellt

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

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

4. Introduktion till tidsdifferensen Δt mellan medströms och motströms genomströmning genom transducerna AB

Utvärdering av osäkerheten u(Δt) Tidskillnaden Δt mellan framlänges- och motströmsflöde genom omvandlarna AB i en ultraljudsflödesmodul mäts genom att subtrahera tiden t1 från pulsen som sänds från omvandlare A till B i flödesriktningen och t2 från pulsen som sänds från B till A i motströmsriktningen (se figur 1). Enligt formel (1) bestäms dess osäkerhetskomponenter huvudsakligen av avståndet l mellan den nedströms placerade omvandlaren A och den uppströms placerade omvandlaren B, rörets innerdiameter d samt ljudhastigheten C i den mätta vätskan. Mätningen av tid och frekvens har högst noggrannhet bland alla mätområden. Felet som orsakas av ultraljudsflödesmodulens pulstidsmätning kan försummas. Avståndet l, rörets innerdiameter d samt ljudhastigheten C i den mätta vätskan ingår i andra osäkerhetskomponenter. Osäkerheten u(Δt) som orsakas av tidskillnaden Δt mellan vätskor som strömmar uppströms och nedströms genom omvandlarna AB kan därför försummas.

III. Metoder för att förbättra fältmätningens noggrannhet hos ultraljudsfläktaggare

Vid fältmätningar är det första steget att utföra en omfattande analys av olika faktorer. Dessa faktorer har alla en viss påverkan på de slutliga mätresultaten, enligt nedan.

1. Effekten av osäkerhet i ljudhastigheten C och empiriska metoder för att förbättra fältmätningens noggrannhet

Innan fältmätningar påbörjas bör det medium som ska mätas anges. Om mediet är en gas bör den specifika gasens sammansättning, driftstemperatur och drifttryck anges. Ljudhastigheten i gasen kan erhållas genom att rådfråga relevanta standarder med hjälp av ovanstående information. Påverkan från ljudhastigheten C i det aktuella mediet på ultraljudsvätskemätaren kommer att ha mindre inverkan på mätresultaten. Om mediet är en vätska bör det specifika vätskans namn, drifttryck, driftstemperatur, drifttryck samt förekomst av fasta partiklar i vätskan anges. Ljudhastighetsinställningen bör ta hänsyn till temperaturförhållandena. Ljudhastigheten i vattenlösningar är högre än i vatten, och för de flesta vätskor gäller att ju högre temperatur, desto högre ljudhastighet. När det finns många partiklar i vätskan (men inom mätområdet) finns det två tillvägagångssätt: 1. Jämnt fördelade partiklar. I detta fall är signalen relativt stabil, vilket gör det svårt att upptäcka genom mätning. Det medium som ska mätas bör ange orsaken till och typen av partiklar. När partikeltypen är känd kan ljudhastigheten i vätskan justeras på lämpligt sätt, och signalens kvalitet kan jämföras för att erhålla mer exakta mätresultat. ② Vid ojämnt fördelade partiklar kommer signalstyrkan att variera markant. I detta fall är det bästa tillvägagångssättet att mäta under en längre period och ta medelvärdet av värdena vid flera punkter med god signalkvalitet.

2. Avståndet l mellan transducerna A och B och rörets innerdiameter d

Påverkan av mätupprepbarhet och metoder för att förbättra mätprecision på plats: Vid val av mätsträcka ska en rak, stabil sektion av arbetsmediet väljas, på avstånd från pumpstationen och ventilen. Om mediet i röret är vätska ska också en rörsträcka väljas som minskar risken för att sediment ska bildas i botten och luft ska samlas i toppen. Mät först med sonden installerad vertikalt, därefter horisontellt. Om skillnaden mellan de två mätningarna ligger inom ultraljudsmätarens maximalt tillåtna fel och övriga parametrar är oförändrade, fortsätt till nästa mätning efter ytterligare parameterinställningar. Annars ska en ny rörsträcka väljas för mätning (om skillnaden mellan de två mätningarna överskrider den tillåtna felet för ultraljudsmätaren innebär det att rörsträckan inte är helt fylld med arbetsmedium).

När detaljerade parametrar ska konfigureras för nästa mätning är de främsta faktorerna som påverkar mätningens noggrannhet avståndet l mellan transducerna A och B samt rörets innerdiameter d. Avståndet l mäts vanligtvis med en stålmeter eller skjutmått beroende på avståndet l. För att mäta rörets innerdiameter d kan ett skjutmått användas direkt när rörets ytterdiameter är liten. För större rör är det bäst att använda en precisionsstålmeter för att mäta omkretsen och därefter beräkna diametern. Vid mätning av rör med kraftiga inre avlagringar och igensättning kan rörväggparametern s ökas och ljudhastigheten i väggen kan sänkas. Vid mätning av rör med kraftig inre korrosion kan rörväggparametern s minskas, men ljudhastigheten i väggen förblir oförändrad.

Utgående från principen för ultraljudsmätare för transittidsmätning analyserar och utvärderar denna text mätosäkerheten hos ultraljudsmätare. Med vår institutions års erfarenhet av fälttester av ultraljudsmätare föreslår och förklarar vi flera nyckelpunkter för att förbättra mätprecisionen hos ultraljudsmätare i fält.