Nguyên tắc hoạt động và hiệu chuẩn của máy đo lưu lượng siêu âm

Đồng hồ đo lưu lượng siêu âm là loại đồng hồ đo lưu lượng kiểu vận tốc, sử dụng xung siêu âm để đo lưu lượng chất lỏng. Thiết bị này có đặc điểm là hoạt động không tiếp xúc, phạm vi đo rộng, dễ di chuyển và lắp đặt, thích ứng tốt với các đường kính ống khác nhau, dễ sử dụng và dễ số hóa. Nó được sử dụng rộng rãi để đo vận tốc và lưu lượng khí và chất lỏng tại hiện trường. Bài viết này giới thiệu nguyên lý thiết kế của các loại đồng hồ đo lưu lượng siêu âm thường dùng nhất, phân tích và đánh giá độ không chắc chắn của sai số đo, đồng thời thảo luận các phương pháp cải thiện độ chính xác của phép đo tại hiện trường.

I. Nguyên lý đo lường của đồng hồ đo lưu lượng siêu âm

Nguyên lý hoạt động của đồng hồ đo lưu lượng siêu âm được thể hiện trong Hình 1. Hai đầu dò siêu âm được lắp đặt: cảm biến phía hạ lưu A phát tín hiệu xung siêu âm, và cảm biến phía thượng lưu B nhận các tín hiệu này. Các cảm biến được lắp đặt theo phương pháp kẹp bên ngoài Z, mỗi bên đặt một cái trên đường ống dẫn chất lỏng với khoảng cách xác định. Đường kính trong của đường ống là d, vận tốc siêu âm phía hạ lưu là V, và góc θ giữa hướng lan truyền siêu âm và hướng dòng chảy của chất lỏng là θ.

2. Phân tích độ không chắc chắn đo lường

Lưu tốc của chất lỏng theo công thức (3) bao gồm bốn thành phần: đường kính trong của ống d, vận tốc âm lý thuyết C trong chất lỏng được đo, tang của góc khúc xạ sóng âm tanθ, và độ chênh lệch thời gian Δt giữa chiều thuận và chiều ngược khi chất lỏng đi qua cặp cảm biến AB. Phân tích độ không chắc chắn đo lường của nó như sau.

1. Đánh giá độ không chắc chắn do tính lặp lại của phép đo đường kính trong của ống d

Theo tiêu chuẩn **, đường kính danh nghĩa của ống D và chiều dày thành ống s chỉ là các kích thước danh nghĩa gần đúng. Đường kính ngoài của ống D và chiều dày thành ống s phải được đo mỗi lần. Do đó, độ không chắc chắn này bao gồm hai thành phần, đó là tính lặp lại đo lường của đối tượng đo và độ không chắc chắn đo lường của thiết bị đo được sử dụng tại hiện trường. Theo kinh nghiệm đo thực tế tại hiện trường của chúng tôi, độ không chắc chắn đo lường đường kính trong của ống d thường là Urel (d) = 0,5% (k = 2); do đó, độ không chắc chắn tiêu chuẩn do phép đo đường kính trong của ống d gây ra là:

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

2. Đánh giá độ không chắc chắn do phép đo vận tốc âm thanh của chất lỏng C, urel(C)

Theo dữ liệu kỹ thuật, độ bất định này được đánh giá ở mức Lớp B. Độ bất định của phép đo vận tốc âm thanh trong chất lỏng được đo là:

Urel(C) = 0,6% (k = 2). Có thể trích dẫn trực tiếp:

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

3. Độ bất định gây ra bởi độ lặp lại phép đo khoảng cách l giữa hai đầu dò A và B

Đánh giá độ bất định của urel(l). Độ bất định đo khoảng cách l giữa đầu dò hạ lưu A và đầu dò thượng lưu B bao gồm hai thành phần: độ lặp lại phép đo của đối tượng được đo và độ bất định đo lường của thiết bị đo được sử dụng tại hiện trường. Dựa trên kinh nghiệm đo thực tế tại hiện trường của chúng tôi, độ bất định tiêu chuẩn gây ra bởi độ lặp lại phép đo khoảng cách l giữa hai đầu dò A và B thường là

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

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

4. Giới thiệu về độ chênh lệch thời gian Δt giữa dòng chảy xuôi và dòng chảy ngược qua các đầu dò AB

Đánh Giá Độ Bất Định u(Δt) Hiệu thời gian Δt giữa dòng chảy thuận và ngược qua các bộ chuyển đổi AB trong một lưu lượng kế siêu âm được đo bằng cách lấy thời gian t1 của xung truyền từ bộ chuyển đổi A đến B theo hướng dòng chảy thuận và trừ đi thời gian t2 của xung truyền từ B đến A theo hướng dòng chảy ngược (xem Hình 1). Theo công thức (1), các thành phần độ bất định của nó chủ yếu được xác định bởi khoảng cách l giữa bộ chuyển đổi hạ lưu A và bộ chuyển đổi thượng lưu B, đường kính trong d của ống dẫn, và vận tốc âm thanh C trong chất lỏng được đo. Độ chính xác đo thời gian và tần số là cao nhất trong tất cả các lĩnh vực đo lường. Sai số gây ra bởi phép đo thời gian xung của lưu lượng kế siêu âm có thể bỏ qua. Khoảng cách l, đường kính trong d của ống dẫn và vận tốc âm thanh C trong chất lỏng đo được bao gồm trong các thành phần bất định khác. Do đó, độ bất định u(Δt) gây ra bởi hiệu thời gian Δt giữa các chất lỏng đi qua các bộ chuyển đổi AB thượng lưu và hạ lưu có thể bỏ qua.

III. Các phương pháp cải thiện độ chính xác đo thực địa của lưu lượng kế siêu âm

Trong các phép đo thực địa, bước đầu tiên là thực hiện phân tích toàn diện các yếu tố khác nhau. Những yếu tố này đều có ảnh hưởng nhất định đến kết quả đo cuối cùng, như được trình bày dưới đây.

1. Tác động của độ bất định trong vận tốc âm thanh C và các phương pháp thực nghiệm để cải thiện độ chính xác đo thực địa

Trước khi bắt đầu các phép đo tại hiện trường, cần cung cấp thông tin về môi trường đo. Nếu môi trường là khí, cần cung cấp thành phần khí cụ thể, nhiệt độ hoạt động và áp suất hoạt động. Vận tốc âm thanh siêu âm có thể được xác định bằng cách tham khảo các tiêu chuẩn liên quan dựa trên các thông tin nêu trên. Ảnh hưởng của vận tốc âm thanh C của môi trường làm việc đối với đồng hồ đo lưu lượng siêu âm sẽ ít tác động đến kết quả đo. Nếu môi trường là chất lỏng, cần cung cấp tên chất lỏng cụ thể, áp suất hoạt động, nhiệt độ hoạt động, và tình trạng có tồn tại các hạt lơ lửng trong chất lỏng hay không. Việc cài đặt vận tốc âm thanh cần tính đến ảnh hưởng của nhiệt độ. Vận tốc âm thanh trong các dung dịch nước lớn hơn so với nước, và với hầu hết các chất lỏng, nhiệt độ càng cao thì vận tốc âm thanh càng nhanh. Khi trong chất lỏng có nhiều hạt (nhưng vẫn nằm trong phạm vi đo cho phép), có hai trường hợp như sau: ① Các hạt phân bố đồng đều. Trong trường hợp này, tín hiệu tương đối ổn định, khó phát hiện qua phép đo. Môi trường đo cần cung cấp nguyên nhân và loại hạt. Khi đã biết loại hạt, có thể điều chỉnh thích hợp vận tốc âm thanh của chất lỏng, so sánh chất lượng tín hiệu để thu được kết quả đo chính xác hơn. ② Trường hợp hạt phân bố không đều, cường độ tín hiệu sẽ dao động rõ rệt. Trong trường hợp này, phương pháp tối ưu nhất là thực hiện phép đo trong thời gian dài và tính trung bình các giá trị tại một số điểm có chất lượng tín hiệu tốt.

2. Khoảng cách l giữa các đầu dò A và B và đường kính trong của ống d

Tác động của độ lặp lại phép đo và các phương pháp cải thiện độ chính xác đo tại hiện trường: Khi lựa chọn đoạn ống đo, hãy chọn một đoạn ống thẳng, ổn định của môi chất làm việc, đặt cách xa trạm bơm và van. Nếu môi chất trong ống là chất lỏng, cần chọn đoạn ống ít có khả năng gây lắng đọng ở đáy và tích tụ không khí ở phía trên. Ban đầu, thực hiện phép đo với đầu dò được lắp đặt theo phương thẳng đứng, sau đó theo phương nằm ngang. Nếu độ chênh lệch giữa hai lần đo nằm trong giới hạn sai số cho phép tối đa của lưu lượng kế siêu âm, với các thông số khác không thay đổi, tiếp tục thực hiện phép đo tiếp theo sau khi thiết lập thêm các thông số. Ngược lại, cần chọn lại đoạn ống để đo (nếu độ chênh lệch giữa hai lần đo vượt quá sai số cho phép của lưu lượng kế siêu âm, điều đó cho thấy đoạn ống chưa được điền đầy bởi môi chất làm việc).

Khi thiết lập các thông số chi tiết cho phép đo tiếp theo, các yếu tố chính ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo là khoảng cách l giữa các đầu dò A và B và đường kính trong d của ống. Khoảng cách l thường được đo bằng thước thép hoặc thước kẹp có độ chính xác cao tùy theo khoảng cách l. Để đo đường kính trong d của ống, có thể dùng thước kẹp trực tiếp khi đường kính ngoài của ống nhỏ. Đối với các ống lớn hơn, tốt nhất là sử dụng thước thép chính xác để đo chu vi sau đó tính ra đường kính. Khi đo các ống có cặn bã và bám bẩn bên trong nghiêm trọng, có thể tăng thông số thành ống s và giảm vận tốc truyền âm trong thành ống. Khi đo các ống bị ăn mòn nghiêm trọng bên trong, thông số thành ống s có thể giảm nhưng vận tốc truyền âm trong thành ống vẫn giữ nguyên.

Dựa trên nguyên lý của đồng hồ đo lưu lượng siêu âm thời gian truyền, bài báo này phân tích và đánh giá độ không chắc chắn trong phép đo của lỗi đồng hồ đo lưu lượng siêu âm. Dựa trên nhiều năm kinh nghiệm của viện chúng tôi trong việc kiểm tra thực địa các đồng hồ đo lưu lượng siêu âm, chúng tôi đề xuất và giải thích một số điểm mấu chốt nhằm cải thiện độ chính xác đo thực địa của đồng hồ đo lưu lượng siêu âm.