Працюючий принцип і калібрація ультразвукового протікаметра

Ультразвуковий витратомір — це витратомір швидкісного типу, який використовує ультразвукові імпульси для вимірювання потоку рідини. Він має такі особливості: робота без контакту, широкий діапазон вимірювань, легка переносність і встановлення, висока адаптивність до діаметрів труб, простота використання та легкість цифрової обробки. Цей витратомір широко використовується для вимірювання швидкості та витрат газу і рідини на місці. У цій статті описано принципи проектування найбільш поширених ультразвукових витратомірів, проаналізовано та оцінено невизначеність вимірювань їхніх похибок, а також обговорено методи підвищення точності вимірювань на місці.

I. Принцип вимірювання ультразвукових витратомірів

На рисунку 1 показано принцип роботи ультразвукового лічильника. Встановлено два ультразвукових датчики: нижній перетворювач А передає ультразвукові імпульсні сигнали, а верхній перетворювач В їх отримує. Перетворювачі монтуються зовнішнім методом затискача Z, по одному з кожної сторони трубопроводу з рідиною на заданій відстані. Внутрішній діаметр трубопроводу дорівнює d, швидкість ультразвуку в напрямку потоку — V, а кут θ між напрямком поширення ультразвуку і напрямком потоку рідини дорівнює θ.

2. Аналіз невизначеності вимірювання

Швидкість потоку рідини згідно з формулою (3) складається з чотирьох частин: внутрішній діаметр труби d, теоретична швидкість звуку C у вимірюваній рідині, тангенс кута заломлення звукової хвилі tanθ та різниця часу Δt між прямим і зворотним потоком рідини, що проходить через перетворювач АВ. Аналіз невизначеності його вимірювання наведено нижче.

1. Оцінка невизначеності, внесеної повторюваністю вимірювання внутрішнього діаметра труби d

Згідно зі стандартом, номінальний діаметр труби D та товщина стінки труби s є лише приблизними номінальними розмірами. Зовнішній діаметр труби D та товщина стінки труби s мають бути виміряні щоразу. Тому ця невизначеність має дві складові, а саме: повторюваність вимірювання досліджуваного об'єкта та невизначеність вимірювання вимірювального приладу, використовуваного на місці. Згідно з нашим фактичним досвідом вимірювань на місці, невизначеність вимірювання внутрішнього діаметра труби d, як правило, становить Urel (d) = 0,5% (k = 2); тому стандартна невизначеність, внесена вимірюванням внутрішнього діаметра труби d, становить:

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

2. Оцінка невизначеності, внесеної вимірюванням швидкості звуку в рідині C, urel(C)

Згідно з технічними даними, ця невизначеність оцінюється як клас B. Невизначеність вимірювання швидкості звуку у вимірюваному середовищі дорівнює:

Uвідн(C) = 0,6% (k = 2). Це можна цитувати безпосередньо:

uвідн (C) = Uвідн (C) / k = 0,6% / 2 = 0,3%

3. Невизначеність, що вноситься повторюваністю вимірювання відстані l між перетворювачами A і B

Оцінка невизначеності uвідн (l). Невизначеність вимірювання відстані l між нижнім перетворювачем A і верхнім перетворювачем B має дві складові: повторюваність вимірювання об'єкта та невизначеність вимірювання вимірювального приладу, що використовується на місці. На підставі нашого фактичного досвіду польових вимірювань, стандартна невизначеність, що вноситься повторюваністю вимірювання відстані l між перетворювачами A і B, є загалом

Uвідн(l) = 0,6% (k = 2):

Uвідн(l) = s/k = 0,5%/2 = 0,25%

4. Введення часового різниці Δt між прямим і зворотним потоком через перетворювачі AB

Оцінка невизначеності u(Δt) Різниця часу Δt між прямим і зворотним потоком через перетворювачі AB в ультразвуковому витратомірі вимірюється шляхом віднімання часу t1 від імпульсу, переданого з перетворювача A до B у напрямку прямого потоку, і t2 від імпульсу, переданого з B до A у напрямку зворотного потоку (див. рисунок 1). Згідно з формулою (1), її складові невизначеності в основному визначаються відстанню l між нижнім перетворювачем A і верхнім перетворювачем B, внутрішнім діаметром труби d і швидкістю звуку C у вимірюваному середовищі. Точність вимірювання часу та частоти є найвищою серед усіх галузей вимірювань. Похибка, викликана вимірюванням часу імпульсів ультразвукового витратоміра, несуттєва. Відстань l, внутрішній діаметр труби d і швидкість звуку C у вимірюваному середовищі входять до інших складових невизначеності. Тому невизначеність u(Δt), внесену різницею часів Δt між проходженням середовища через перетворювачі AB у напрямку верхнього і нижнього потоків, можна нехтувати.

III. Методи підвищення точності польових вимірювань ультразвуковими витратомірами

Під час польових вимірювань першим кроком є комплексний аналіз різноманітних факторів. Ці фактори певним чином впливають на кінцеві результати вимірювань, як показано нижче.

1. Вплив невизначеності швидкості звуку C та емпіричні методи підвищення точності польових вимірювань

Перш ніж розпочати вимірювання на місці, слід забезпечити середовище, що вимірюється. Якщо середовище є газом, необхідно надати конкретний склад газу, робочу температуру та тиск. Швидкість поширення ультразвуку можна визначити, звернувшись до відповідних стандартів із використанням наведеної вище інформації. Вплив швидкості звуку C робочого середовища на ультразвуковий лічильник витрати матиме менший вплив на результати вимірювань. Якщо середовище є рідиною, слід вказати конкретну назву рідини, робочий тиск, робочу температуру, наявність завислих частинок у рідині. Під час встановлення швидкості звуку слід враховувати вплив температури. Швидкість звуку у водних розчинах вища, ніж у воді, а для більшості рідин чим вища температура, тим вища швидкість звуку. Якщо в рідині багато частинок (але в межах вимірювання), існують два підходи: 1. Рівномірно розподілені частинки. У цьому випадку сигнал є відносно стабільним, і виявити його вимірюванням важко. Для середовища, що вимірюється, слід вказати причину та тип частинок. Якщо тип частинок відомий, швидкість звуку в рідині можна відповідно скоригувати та порівняти якість сигналу, щоб отримати більш точні результати вимірювань. ② У разі нерівномірного розподілу частинок інтенсивність сигналу суттєво змінюватиметься. У цьому випадку найкращим підходом є тривале вимірювання та усереднення показників у кількох точках із доброю якістю сигналу.

2. Відстань l між перетворювачами A і B та внутрішній діаметр труби d

Вплив повторюваності вимірювань та методи підвищення точності вимірювань на місці: При виборі вимірювальної ділянки трубопроводу слід вибирати прямолінійну, стабільну ділянку робочого середовища, віддалену від насосної станції й клапана. Якщо середовище в трубопроводі є рідиною, слід також вибирати таку ділянку труби, де менш імовірне утворення осаду знизу та накопичення повітря зверху. Спочатку виконайте вимірювання з вертикально встановленим датчиком, потім — горизонтально. Якщо різниця між двома вимірюваннями знаходиться в межах максимально допустимої похибки ультразвукового лічильника, інші парамететри залишаються незмінними, продовжіть вимірювання після додаткових налаштувань параметрів. У протилежному випадку виберіть іншу ділянку трубопроводу для вимірювання (якщо різниця між двома вимірюваннями перевищує допустиму похибку ультразвукового лічильника, це вказує на те, що трубна ділянка не заповнена робочим середовищем).

При встановленні детальних параметрів для наступного вимірювання основними факторами, що впливають на точність вимірювання, є відстань l між перетворювачами A і B та внутрішній діаметр труби d. Відстань l зазвичай вимірюється за допомогою сталевої лінійки або штангенциркуля залежно від відстані l. Для вимірювання внутрішнього діаметра труби d можна безпосередньо використовувати штангенциркуль, якщо зовнішній діаметр труби малий. Для більших труб найкраще використовувати прецизійну сталеву лінійку для вимірювання довжини кола, а потім обчислювати діаметр. Під час вимірювання труб із сильними внутрішніми відкладеннями та забрудненням параметр стінки труби s може бути збільшений, а швидкість звуку у стінці труби може бути зменшена. При вимірюванні труб із сильним внутрішнім корозійним зношенням параметр стінки труби s може бути зменшений, але швидкість звуку у стінці труби залишається незмінною.

На основі принципу часу проходження ультразвукових витратомірів, у цій статті аналізується та оцінюється невизначеність вимірювання похибок ультразвукового лічильника. На основі багаторічного досвіду нашого інституту у польових випробуваннях ультразвукових витратомірів ми пропонуємо та пояснюємо кілька ключових питань щодо підвищення точності польових вимірювань ультразвуковими витратомірами.