Ultrasonik akış ölçümünün çalışma prensibi ve kalibrasyonu

Ultrasonik debimetre, sıvı akışını ölçmek için ultrasonik dalgaları kullanan bir hız tipi debimetredir. Temas gerektirmemesi, geniş bir ölçüm aralığına sahip olması, taşınabilirliği ve kurulum kolaylığı, boru çaplarına uyum sağlama özelliği, kullanımı kolay olması ve dijitalleşmeye uygun olması gibi özellikleri vardır. Gaz ve sıvıların hızı ve debisi için saha ölçümlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu makalede en yaygın kullanılan ultrasonik debimetrelerin tasarım prensipleri tanıtılmakta, ölçüm hatalarının ölçüm belirsizliği analiz edilip değerlendirilmekte ve saha ölçüm doğruluğunu artırma yöntemleri tartışılmaktadır.

I. Ultrasonik Debimetrelerin Ölçüm Prensibi

Bir ultrasonik debimetre'nin çalışma prensibi Şekil 1'de gösterilmiştir. İki adet ultrasonik prob monte edilmiştir: aşağı akış transdüseri A, ultrasonik darbe sinyalleri gönderir ve yukarı akış transdüseri B bunları alır. Transdüserler, Z harici kelepçe yöntemi kullanılarak monte edilir; bunlardan biri, akışkan boru hattında belirlenen bir mesafede borunun her iki yanına yerleştirilir. Borunun iç çapı d, aşağı akış yönündeki ultrasonik hız V ve ultrasonik dalganın ilerleme yönü ile akışkanın akış yönü arasındaki açı θ'dır.

2. Ölçüm belirsizliği analizi

Formül (3)'e göre hesaplanan akışkanın akış hızı dört bölümden oluşur: borunun iç çapı d, ölçülen akışkan içindeki teorik ses hızı C, ses dalgasının kırılma açısının tanjantı tanθ ve ileri ve geri yönde akan akışkanın AB transdüserinden geçişi sırasında ölçülen zaman farkı Δt. Ölçüm belirsizliği analizi aşağıda verilmiştir.

1. Boru iç çapı d ölçümünün tekrarlanabilirliğinden kaynaklanan belirsizliğin değerlendirilmesi

** standardına göre, borunun nominal çapı D ve boru kalınlığı s sadece yaklaşık nominal boyutlardır. Borunun dış çapı D ve boru kalınlığı s her seferinde ölçülmelidir. Bu nedenle, bu belirsizliğin iki bileşeni vardır; yani ölçülen nesnenin ölçüm tekrarlanabilirliği ve sahada kullanılan ölçüm cihazının ölçüm belirsizliği. Gerçek saha ölçüm deneylerimize göre, boru iç çapı d ölçümünün göreceli belirsizliği genellikle Urel (d) = %0,5 (k = 2) şeklindedir; bu nedenle, boru iç çapı d ölçümünden kaynaklanan standart belirsizlik şu şekildedir:

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

2. Akışkan ses hızı C ölçümünden kaynaklanan belirsizliğin değerlendirilmesi urel(C)

Teknik verilere göre bu belirsizlik Sınıf B olarak değerlendirilmiştir. Ölçülen akışkan içindeki ses hızı ölçümünün belirsizliği:

Urel(C) = 0,6% (k = 2). Bu değer doğrudan alınabilir:

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

3. A ve B transdüserleri arasındaki mesafe l'nin ölçüm tekrarlanabilirliğinden kaynaklanan belirsizlik

Urel (l)'nin belirsizliğinin değerlendirilmesi Aşağı akım transdüseri A ile yukarı akım transdüseri B arasındaki l mesafesinin ölçüm belirsizliğinin iki bileşeni vardır: ölçülen nesnenin ölçüm tekrarlanabilirliği ve sahada kullanılan ölçüm cihazının ölçüm belirsizliği. Gerçek saha ölçüm deneylerimize dayanarak A ve B transdüserleri arasındaki l mesafesinin ölçüm tekrarlanabilirliğinden kaynaklanan standart belirsizlik genellikle

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

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

4. İleri ve geri yöndeki akışların transdüserleri geçmesi arasındaki zaman farkı Δt'ye giriş

Belirsizliğin Değerlendirilmesi u(Δt) Bir ultrasonik debimetrede, ileri ve geri yönde transdüserler AB üzerinden akan akışkanların zaman farkı Δt'si, A transdüserinden B'ye ileri yönde akan akışkan yönünde iletilen t1 dalgacığından elde edilen zaman ile B'den A'ya geri yönde akan akışkan yönünde iletilen B'den A'ya dalgacığından elde edilen t2 zamanının çıkarılmasıyla ölçülür (Bkz. Şekil 1). Formül (1)'e göre belirsizlik bileşenleri esas olarak aşağı akış transdüseri A ile yukarı akış transdüseri B arasındaki mesafe l, boru iç çapı d ve ölçülen akışkan içindeki ses hızı C ile belirlenir. Zaman ve frekans ölçüm doğruluğu, tüm ölçüm disiplinleri arasında en yüksek olanıdır. Ultrasonik debimetre darbe zamanlama ölçümünden kaynaklanan hata ihmal edilebilir düzeydedir. Mesafe l, boru iç çapı d ve ölçülen akışkan içindeki ses hızı C diğer belirsizlik bileşenleri içinde yer alır. Bu nedenle, yukarı akış ve aşağı akış akışkanların transdüserler AB üzerinden geçmesi sırasında ortaya çıkan zaman farkı Δt'den kaynaklanan u (Δt) belirsizliği ihmal edilebilir düzeydedir.

III. Ultrasonik Akışmetrelerin Alan Ölçüm Doğruluğunu İyileştirme Yöntemleri

Alan ölçümlerinde, ilk adım çeşitli faktörlerin kapsamlı analizini yapmaktır. Bu faktörlerin hepsi, aşağıda gösterildiği gibi, nihai ölçüm sonuçlarına belirli bir etkiye sahiptir.

1. Ses Hızı C'deki Belirsizliğin Etkisi ve Alan Ölçüm Doğruluğunu İyileştirme Amacıyla Ampirik Yöntemler

Alan ölçümlerine başlamadan önce, ölçülen ortam sağlanmalıdır. Ortam bir gaz ise, özel gaz kompozisyonu, çalışma sıcaklığı ve çalışma basıncı sağlanmalıdır. Ultrasonik ses hızı, yukarıdaki bilgiler kullanılarak ilgili standartlara başvurularak elde edilebilir. Çalışma ortamının ses hızının C etkisi, ultrasonik debimetre üzerindeki ölçüm sonuçlarını daha az etkileyecektir. Ortam bir sıvı ise, özel sıvı adı, çalışma basıncı, çalışma sıcaklığı, çalışma basıncı ve sıvı içinde askıda partiküllerin varlığı sağlanmalıdır. Ses hızı ayarı, sıcaklık etkilerini göz önünde bulundurarak yapılmalıdır. Sulu çözeltilerin ses hızı suyunkinden daha büyüktür ve çoğu akışkan için sıcaklık arttıkça ses hızı da artar. Akışkan içinde birçok partikül bulunduğu zaman (ölçüm aralığı içinde olmak kaydıyla), iki farklı yaklaşım vardır: 1. Eşit şekilde dağılmış partiküller. Bu durumda sinyal nispeten kararlıdır ve ölçümle tespit edilmesi zordur. Ölçülen ortam, partiküllerin nedenini ve türünü belirtecek şekilde sağlanmalıdır. Partikül türü bilindiğinde, akışkanın ses hızı uygun şekilde ayarlanabilir ve sinyal kalitesi karşılaştırılarak daha doğru ölçüm sonuçları elde edilebilir. ② Partiküllerin eşit şekilde dağılmadığı durumlarda sinyal şiddeti önemli ölçüde dalgalanır. Bu durumda en iyi yaklaşım, uzun bir süre boyunca ölçüm yapmak ve sinyal kalitesinin iyi olduğu birkaç noktada ortalama değer almaktır.

2. A ve B transdüserleri arasındaki mesafe ile boru iç çapı d

Ölçüm tekrarlanabilirliğinin etkisi ve saha ölçüm doğruluğunu iyileştirme yöntemleri: Ölçüm hattı seçilirken, pompa istasyonundan uzakta, çalışma ortamının kararlı olduğu düz bir kesim seçilmelidir. Eğer boru içindeki ortam sıvı ise, aynı zamanda borunun alt kısmında tortulanma ve üst kısmında hava birikimi olasılığı düşük olan bir kesim tercih edilmelidir. İlk olarak prob dikey olarak yerleştirilip ölçüm yapılmalı, ardından yatay olarak ölçüm tekrarlanmalıdır. İki ölçüm arasındaki fark ultrasonik debimetre için izin verilen maksimum hata aralığında ise ve diğer parametreler değişmeden, diğer ölçüm adımına geçmeden önce ek parametre ayarları yapılmalıdır. Aksi takdirde, iki ölçüm arasındaki fark ultrasonik debimetre için izin verilen hata aralığını aşarsa, boru hattının çalışma ortamıyla tam olarak dolmadığı anlamına geleceğinden ölçüm için başka bir boru hattı seçilmelidir.

Bir sonraki ölçüm için detaylı parametreler belirlenirken ölçüm doğruluğünü etkileyen ana faktörler, transdüserler A ve B arasındaki mesafe l ile borunun iç çapı d'dir. Mesafe l, genellikle mesafe l'ye göre bir çelik cetvel ya da kumpas ile ölçülür. Borunun iç çapı d'nin ölçülmesinde, borunun dış çapı küçük olduğunda doğrudan kumpas kullanılabilmektedir. Daha büyük borular için çevrenin ölçülmesi ve ardından çapın hesaplanması amacıyla hassas bir çelik cetvel kullanılması en iyisidir. İçinde yoğun birikme ve kir olan boruların ölçümünde boru duvarı parametresi s artırılabilir ve duvar ses hızı azaltılabilir. İçinde yoğun korozyon olan boruların ölçümünde boru duvarı parametresi s azaltılabilir ancak duvar ses hızı değişmez kalmaktadır.

Geçiş zamanlı ultrasonik debimetrelerin prensibi temel alınarak bu makale, ultrasonik debimetre hatalarının ölçüm belirsizliğini analiz eder ve değerlendirir. Enstitümüzün ultrasonik debimetrelerin saha testi konusunda sahip olduğu yılların deneyimi ile ultrasonik debimetrelerin saha ölçüm doğruluğunu artırmak için birkaç önemli noktayı önerir ve açıklar.