หลักการทํางานและการปรับระดับของ Ultrasonic Flowmeter

โฟลว์มิเตอร์อัลตราโซนิกเป็นโฟลว์มิเตอร์ชนิดความเร็วที่ใช้สัญญาณอัลตราโซนิกในการวัดการไหลของของไหล โดยมีคุณสมบัติที่ไม่ต้องสัมผัสโดยตรง ช่วงการวัดกว้าง พกพาและติดตั้งง่าย ปรับตัวได้ดีกับขนาดท่อที่หลากหลาย ใช้งานง่าย และสามารถดิจิไทซ์ได้ง่าย นิยมใช้กันอย่างแพร่หลายในการวัดความเร็วและอัตราการไหลของก๊าซและของไหลในพื้นที่จริง บทความนี้จะอธิบายหลักการออกแบบของโฟลว์มิเตอร์อัลตราโซนิกที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย วิเคราะห์และประเมินความไม่แน่นอนในการวัดค่าความผิดพลาด รวมถึงอภิปรายถึงวิธีการปรับปรุงความแม่นยำในการวัดในพื้นที่จริง

I. หลักการวัดของโฟลว์มิเตอร์อัลตราโซนิก

หลักการดำเนินงานของเครื่องวัดอัตราการไหลแบบอัลตราโซนิกแสดงไว้ในรูปที่ 1 มีการติดตั้งตัวรับสัญญาณอัลตราโซนิกสองตัว โดยตัวส่งสัญญาณ A จะส่งสัญญาณพัลส์อัลตราโซนิกไปยังตัวรับสัญญาณ B ที่อยู่ด้านท่อต้นน้ำ ตัวรับสัญญาณทั้งสองติดตั้งโดยใช้วิธียึดแบบหนีบด้านนอก Z ไว้คนละด้านของท่อส่งของเหลว โดยมีระยะห่างตามที่กำหนด เส้นผ่านศูนย์กลางภายในของท่อคือ d ความเร็วของคลื่นอัลตราโซนิกในทิศทางท่อทางเดินคือ V และมุม θ ระหว่างทิศทางการแพร่กระจายของคลื่นอัลตราโซนิกกับทิศทางการไหลของของเหลวคือ θ

2. การวิเคราะห์ความไม่แน่นอนในการวัด

อัตราการไหลของของเหลวตามสูตร (3) ประกอบด้วย 4 ส่วน ได้แก่ เส้นผ่านศูนย์กลางภายในของท่อ d ความเร็วเสียงทฤษฎี C ในของเหลวที่วัด ค่า tanθ ของมุมหักเหของคลื่นเสียง และความแตกต่างของเวลา Δt ระหว่างการไหลไปข้างหน้าและถอยหลังของของเหลวผ่านตัวรับสัญญาณ AB การวิเคราะห์ความไม่แน่นอนในการวัดมีดังนี้

1. การประเมินความไม่แน่นอนที่เกิดจากการทำซ้ำการวัดเส้นผ่านศูนย์กลางภายในของท่อ d

ตามมาตรฐาน ** ระบุไว้ว่า เส้นผ่านศูนย์กลางท่อที่กำหนด D และความหนาของท่อ s เป็นเพียงขนาดที่กำหนดโดยประมาณเท่านั้น จำเป็นต้องทำการวัดเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อ D และความหนาของท่อ s ทุกครั้ง ดังนั้น ความไม่แน่นอนนี้มีสององค์ประกอบ ได้แก่ การทำซ้ำการวัดวัตถุที่วัด และความไม่แน่นอนในการวัดของเครื่องมือวัดที่ใช้ในพื้นที่จริง ตามประสบการณ์การวัดในพื้นที่จริงของเรา ความไม่แน่นอนในการวัดเส้นผ่านศูนย์กลางภายในของท่อ d โดยทั่วไปคือ Urel (d) = 0.5% (k = 2) ดังนั้น ความไม่แน่นอนมาตรฐานที่เกิดจากการวัดเส้นผ่านศูนย์กลางภายในของท่อ d คือ:

urel(d) = urel(d) / k = 0.5% / 2 = 0.25%

2. การประเมินความไม่แน่นอนที่เกิดจากการวัดความเร็วเสียงของของไหล C, urel(C)

จากข้อมูลทางเทคนิค ความไม่แน่นอนนี้ถูกประเมินอยู่ในระดับคลาส B ความไม่แน่นอนของการวัดความเร็วเสียงในของเหลวที่วัดคือ

Urel(C) = 0.6% (k = 2) สามารถอ้างอิงได้โดยตรงว่า

urel (C) = Urel (C) / k = 0.6% / 2 = 0.3%

3. ความไม่แน่นอนที่เกิดจากการทำซ้ำการวัดระยะห่าง l ระหว่างตัวส่งสัญญาณ A และ B

การประเมินความไม่แน่นอนของ urel (l) ความไม่แน่นอนในการวัดระยะห่าง l ระหว่างตัวส่งสัญญาณ A ด้านท้ายและตัวส่งสัญญาณ B ด้านต้นมีสององค์ประกอบ ได้แก่ ความซ้ำซ้อนในการวัดของวัตถุที่วัด และความไม่แน่นอนในการวัดของเครื่องมือวัดที่ใช้ในพื้นที่จริง ตามประสบการณ์การวัดจริงของเรา ความไม่แน่นอนมาตรฐานที่เกิดจากการทำซ้ำการวัดระยะห่าง l ระหว่างตัวส่งสัญญาณ A และ B โดยทั่วไปมีค่าความไม่แน่นอน

Urel(l) = 0.6% (k = 2):

Urel(l) = s/k = 0.5%/2 = 0.25%

4. แนะนำเกี่ยวกับความแตกต่างของเวลา Δt ระหว่างการไหลไปข้างหน้าและการไหลย้อนกลับผ่านตัวส่งสัญญาณ AB

การประเมินความไม่แน่นอน u(Δt) ความต่างของเวลา Δt ระหว่างการไหลไปข้างหน้าและไหลย้อนกลับผ่านตัวแปลงสัญญาณ AB ในมาตรวัดอัลตราโซนิก วัดโดยการนำเวลารวม t1 ซึ่งเป็นเวลาของสัญญาณที่ส่งจากตัวแปลงสัญญาณ A ไป B ในทิศทางการไหลไปข้างหน้า และ t2 ซึ่งเป็นเวลาของสัญญาณที่ส่งจาก B ไป A ในทิศทางการไหลย้อนกลับ มาหักล้างกัน (ดูรูปที่ 1) ตามสูตร (1) ส่วนประกอบของความไม่แน่นอนนั้นถูกกำหนดเป็นหลักโดยระยะห่าง l ระหว่างตัวแปลงสัญญาณ A ที่อยู่ด้านท้ายน้ำและตัวแปลงสัญญาณ B ที่อยู่ด้านต้นน้ำ เส้นผ่าศูนย์กลางภายในของท่อ d และความเร็วเสียง C ในของไหลที่วัดค่า ความเที่ยงตรงในการวัดเวลาและความถี่นั้นสูงที่สุดเมื่อเทียบกับสาขาวิชาชีพการวัดทั้งหมด ข้อผิดพลาดที่เกิดจากการวัดจังหวะเวลาของสัญญาณมาตรวัดอัลตราโซนิกสามารถละเลยได้ ระยะห่าง l เส้นผ่าศูนย์กลางภายในของท่อ d และความเร็วเสียง C ในของไหลที่วัดค่า รวมอยู่ในองค์ประกอบของความไม่แน่นอนอื่น ๆ ดังนั้น ความไม่แน่นอน u (Δt) ที่เกิดจากความต่างของเวลา Δt ระหว่างของไหลที่ไหลผ่านตัวแปลงสัญญาณ AB ทั้งด้านต้นน้ำและด้านท้ายน้ำ สามารถละเลยได้

III. วิธีการปรับปรุงความเที่ยงตรงของการวัดในสนามของเครื่องวัดอัลตราโซนิกแบบไหลเวียน

ในการวัดค่าในสนาม ขั้นตอนแรกคือการวิเคราะห์องค์ประกอบต่าง ๆ อย่างครอบคลุม เนื่องจากองค์ประกอบเหล่านี้มีผลกระทบต่อผลลัพธ์การวัดสุดท้ายในระดับหนึ่ง ดังแสดงด้านล่าง

1. ผลกระทบจากความไม่แน่นอนของความเร็วเสียง C และวิธีการเชิงประจักษ์เพื่อปรับปรุงความเที่ยงตรงของการวัดในสนาม

ก่อนที่จะเริ่มต้นการวัดในสนาม ควรจัดเตรียมตัวกลางที่ใช้วัดไว้ล่วงหน้า หากรถ้าตัวกลางเป็นก๊าซ ควรให้ข้อมูลองค์ประกอบของก๊าซเฉพาะ รวมถึงอุณหภูมิการใช้งานและแรงดันในการใช้งาน โดยสามารถหาค่าความเร็วเสียงอัลตราโซนิกได้จากการอ้างอิงมาตรฐานที่เกี่ยวข้องโดยใช้ข้อมูลดังกล่าว ผลกระทบจากความเร็วเสียง C ของตัวกลางการทำงานที่มีต่อเครื่องวัดอัตราการไหลแบบอัลตราโซนิก จะมีผลต่อผลการวัดน้อยมาก หากตัวกลางเป็นของเหลว ควรให้ชื่อของเหลวเฉพาะ แรงดันในการใช้งาน อุณหภูมิการใช้งาน และข้อมูลเกี่ยวกับการมีอยู่ของอนุภาคแขวนลอยในของเหลวนั้น ค่าความเร็วเสียงควรคำนึงถึงผลของอุณหภูมิประกอบด้วย ความเร็วเสียงของสารละลายที่มีน้ำเป็นส่วนประกอบหลักจะสูงกว่าน้ำ และสำหรับของไหลส่วนใหญ่ เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ความเร็วเสียงก็จะเพิ่มขึ้นตามไปด้วย เมื่อมีอนุภาคจำนวนมากในของไหล (แต่ยังอยู่ในช่วงที่สามารถวัดได้) จะมีสองกรณี ดังนี้: 1. อนุภาคกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอ ในกรณีนี้สัญญาณจะค่อนข้างคงที่ ทำให้ยากต่อการตรวจจับผ่านการวัด ตัวกลางที่วัดควรให้ข้อมูลเกี่ยวกับสาเหตุและประเภทของอนุภาค เมื่อรู้ประเภทของอนุภาคแล้ว สามารถปรับค่าความเร็วเสียงของของไหลให้เหมาะสม จากนั้นเปรียบเทียบคุณภาพของสัญญาณเพื่อให้ได้ผลการวัดที่แม่นยำยิ่งขึ้น ② ในกรณีที่อนุภาคมีการกระจายตัวไม่สม่ำเสมอ สัญญาณจะมีความแปรปรวนของความเข้มอย่างมาก ในกรณีเช่นนี้ วิธีที่ดีที่สุดคือการวัดเป็นเวลานาน และหาค่าเฉลี่ยของค่าที่อ่านได้จากหลายจุดที่มีคุณภาพของสัญญาณดี

2. ระยะทาง l ระหว่างตัวส่งสัญญาณ A และ B และเส้นผ่าศูนย์กลางภายในของท่อ d

ผลกระทบของความซ้ำซ้อนในการวัดและการปรับปรุงความแม่นยำในการวัดภาคสนาม: เมื่อเลือกท่อสำหรับการวัด ควรเลือกส่วนที่ตรงและมีความมั่นคงของตัวกลางการทำงาน อยู่ห่างจากสถานีปั๊มและวาล์ว หากตัวกลางในท่อเป็นของเหลว ควรเลือกส่วนท่อที่มีแนวโน้มน้อยที่จะเกิดการสะสมตะกอนที่ก้นท่อและอากาศสะสมอยู่ด้านบน วัดเริ่มต้นด้วยการติดตั้งโพรบในแนวตั้ง จากนั้นจึงในแนวระดับ หากความแตกต่างของผลการวัดทั้งสองอยู่ในช่วงความผิดพลาดสูงสุดที่เครื่องวัดอัลตราโซนิกอนุญาต โดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงพารามิเตอร์อื่น ๆ ให้ดำเนินการวัดขั้นตอนต่อไปหลังตั้งค่าพารามิเตอร์เพิ่มเติม แต่หากความแตกต่างของผลการวัดทั้งสองเกินกว่าความผิดพลาดที่อนุญาตของเครื่องวัดอัลตราโซนิก แสดงว่าส่วนท่อนั้นไม่ได้เต็มไปด้วยตัวกลางการทำงาน ควรเลือกส่วนท่อใหม่เพื่อทำการวัด

เมื่อตั้งค่าพารามิเตอร์โดยละเอียดสำหรับการวัดครั้งถัดไป ปัจจัยหลักที่มีผลต่อความแม่นยำในการวัด คือ ระยะห่าง l ระหว่างตัวแปลงสัญญาณ A และ B และเส้นผ่านศูนย์กลางภายใน d ของท่อ โดยทั่วไประยะห่าง l จะถูกวัดด้วยไม้บรรทัดเหล็กหรือเวอร์เนียร์คาลิเปอร์ตามระยะห่าง l สำหรับการวัดเส้นผ่านศูนย์กลางภายใน d ของท่อ สามารถใช้เวอร์เนียร์คาลิเปอร์วัดโดยตรงเมื่อเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกของท่อเล็ก สำหรับท่อที่ใหญ่กว่า ควรใช้ไม้บรรทัดเหล็กแบบละเอียดวัดเส้นรอบวงแล้วคำนวณหาค่าเส้นผ่านศูนย์กลาง เมื่อวัดท่อที่มีตะกรันหรือสิ่งสะสมภายในอย่างรุนแรง ค่าพารามิเตอร์ผนังท่อ s สามารถเพิ่มขึ้นได้ และความเร็วเสียงในผนังท่อสามารถลดลงได้ เมื่อวัดท่อที่มีการกัดกร่อนภายในอย่างรุนแรง ค่าพารามิเตอร์ผนังท่อ s สามารถลดลงได้ แต่ความเร็วเสียงในผนังท่อจะคงเดิม

บนพื้นฐานของหลักการวัดอัลตราโซนิกแบบเวลาผ่าน (transit-time ultrasonic flowmeters) เอกสารฉบับนี้ได้วิเคราะห์และประเมินความไม่แน่นอนในการวัดค่าความผิดพลาดของเครื่องวัดอัลตราโซนิก บนพื้นฐานของประสบการณ์หลายปีของสถาบันเราในการทดสอบภาคสนามของเครื่องวัดอัลตราโซนิก เราได้เสนอแนะและอธิบายประเด็นสำคัญหลายประการที่ช่วยเพิ่มความแม่นยำในการวัดภาคสนามของเครื่องวัดอัลตราโซนิก