Газовий ультразвуковий витратомір відноситься до витратоміра, який встановлюється на трубопроводі з потоком газу та вимірює потік газу за допомогою ультразвукового принципу. Ультразвуковий газовий витратомір із одноканальним-проводом — це пристрій, обладнаний лише одним акустичним трактом, тоді як ультразвуковий газовий витратомір із двома чи більше акустичними трактами називається багато-ультразвуковим витратоміром газу.
Як працює ультразвуковий витратомір? Основним принципом вимірювання швидкості потоку за допомогою газового ультразвукового витратоміра є обчислення швидкості потоку, витрати, щільності та інших параметрів газової рідини шляхом вимірювання часу поширення ультразвукових хвиль у газовому середовищі. У цьому розділі в основному аналізується принцип роботи ультразвукового вимірювання потоку-часу проходження та фактори, що впливають на вимірювання потоку, а також проводяться моделювання, щоб покращити-точність вимірювання потоку, щоб підготуватися до вивчення методів вимірювання-ультразвукового потоку-газу-багатопрохідного потоку та моделювання механізму.
Аналіз принципу роботи ультразвукового вимірювання витрати-газу
Ультразвуковий метод-вимірювання-газу за-часу проходження — це-метод вимірювання-газу, у якому для визначення середньої швидкості потоку газу вздовж акустичного шляху використовується-різниця в часі розповсюдження-між двома ультразвуковими сигналами, що поширюються вниз і вгору. Коли ультразвукові хвилі поширюються в текучому газоподібному середовищі, швидкість їх поширення змінюється залежно від швидкості потоку газу.
Більш конкретно, швидкість поширення ультразвукових хвиль змінюється в тому ж напрямку, що й швидкість потоку газу: коли швидкість потоку газу збільшується, відповідно збільшується і швидкість ультразвукової хвилі, що поширюється в тому ж напрямку; навпаки, якщо швидкість газового потоку збільшується, будучи протилежним напрямку поширення ультразвуку, швидкість ультразвуку відповідно зменшиться.
Базова структура ультразвукового трубного-датчика потоку
Як показано на малюнку . 2.1, два ультразвукові перетворювачі, здатні як передавати, так і приймати ультразвукові імпульси (називаються зондами або перетворювачами), вбудовані з одного або з обох боків трубопроводу. Фактичний шлях ультразвукового сигналу між передавальним і приймальним перетворювачами називається акустичним шляхом; таким чином, пара перетворювачів утворює один акустичний шлях. Між перетворювачами та рідким середовищем розташована -мембрана, що передає звук, або ділянка стінки акустичного хвилеводу. В одноканальному ультразвуковому витратомірі лінія хвилеводу між двома ультразвуковими перетворювачами перетинає вісь приладу.
Рис. 2.1 Принципова схема ультразвукового вимірювання потоку-за час проходження
Як показано на малюнку . 2.1, діаметр труби дорівнює D. Відстань по прямій- лінії між торцевими поверхнями перетворювачів A і B, вбудованих по обидва боки трубопроводу, є довжиною -звукового шляху L (також називається акустичною відстанню L), а її співвідношення з діаметром D дорівнює
Рис. 2.1 Геометричне співвідношення між акустичною{1}}довжиною шляху та діаметром труби-час проходження ультразвуковий витратомір
де φ – кут нахилу акустичного тракту, тобто кут між акустичним трактом і віссю труби. Кут нахилу акустичного шляху також є кутом падіння ультразвукової хвилі. Кут падіння φ залежить від швидкості звуку в рідині, а також від швидкості звуку в клині та в матеріалі -стінки труби.
Загалом, зміна швидкості звуку з температурою в твердих матеріалах менша, ніж у газоподібних. Якщо зміна температури невелика, можна знехтувати впливом матеріалів стінки клина та-труби на точність вимірювання; однак, коли діапазон коливань температури великий, значні зміни швидкості звуку в матеріалах стінки клина та-труби повинні бути виправлені.
Для перетворювача з кутом падіння 30 градусів коефіцієнт пропускання відносно високий, втрати енергії невеликі, а необхідна напруга збудження низька. Такий перетворювач підходить для портативних ультразвукових витратомірів, які незручні для використання джерела змінного струму. Перетворювач із кутом падіння 45 градусів має відносно низький коефіцієнт пропускання, але може використовувати більший чіп перетворювача та вищу напругу збудження, і тому підходить для фіксованих ультразвукових витратомірів або тих, які можуть використовувати джерело живлення змінного струму.
Принцип роботи ультразвукового вимірювання потоку-газу
Технологія ультразвукового{1}}вимірювання -часу проходження потоку газу визначає середню осьову швидкість потоку Vz на площині, утвореній акустичним шляхом і віссю, шляхом вимірювання різниці в часі між ультразвуковими хвилями, що поширюються вниз і вгору за течією в газовому середовищі. Часи проходження ультразвукових хвиль відрізняються в нижньому та верхньому напрямках. Час транзиту вниз за течією становить:
Рис. 2.2. Рівняння-часу проходження ультразвуку вниз
а час проходження вгору становить
Рис. 2.3. Рівняння-часу проходження ультразвуку вгору
де С - швидкість звуку ультразвукової хвилі в нерухомій вимірюваній рідині, тобто швидкість звуку; Vz — це середня швидкість потоку рідини в осьовому напрямку на площині, утвореній траєкторією ультразвуку та віссю труби, яка також називається траєкторій-середньою швидкістю.
Якщо не врахувати вплив зміни швидкості-звуку через внутрішнє середовище труби, вираз для-середньої швидкості на шляху має вигляд
Рис. 2.4 Вираз для-усередненої осьової швидкості шляху
Вимірюючи час проходження ультразвукової хвилі tD і час проходження ультразвукової хвилі вгорі tU, різницю в часі між розповсюдженням угору та вниз розраховують як
Рис. 2.5 Визначення різниці в часі транзитного-вгорі та вниз за течією
Використовуючи метод-часу проходження, можна отримати-усереднену швидкість одного акустичного шляху. На основі середніх швидкостей різних акустичних шляхів і за допомогою відповідних алгоритмів можна обчислити середню швидкість, перпендикулярну до всього поперечного-перерізу, яка називається об’ємною{4}}усередненою швидкістю V.
Метод вимірювання середньої швидкості (об’єму) рідини в трубопроводі V шляхом вимірювання різниці-часу проходження між поширенням ультразвуку вище та нижче за течією називається методом вимірювання -часу ультразвукового потоку-. Витратомір, який вимірює потік рідини в трубопроводі за допомогою ультразвукового методу-часу проходження, називається ультразвуковим витратоміром-часу проходження.
Співвідношення між траєкторій-середньою швидкістю на акустичному шляху транзитного-часового ультразвукового витратоміра та об’ємною-середньою швидкістю в трубопроводі є
Рис. 2.6 Визначення поправочного коефіцієнта-швидкості потоку
де K називається коригуючим коефіцієнтом-швидкості потоку. Поправочний коефіцієнт-швидкості потоку виводиться з математичної моделі профілю розподілу швидкості в вимірювальній секції витратоміра. Відповідно до режиму потоку газу в трубопроводі можна отримати поправочний коефіцієнт-швидкості потоку. Таким чином, із рівнянь (2.4) і (2.6) середня швидкість газу в трубопроводі становить
Рис. 2.7 Зв’язок між середньою швидкістю-труби та середньою швидкістю шляху-
Об'ємну швидкість потоку можна отримати з рівняння (2.7) як
Рис. 2.8 Рівняння-об’ємної витрати
де A – площа-перерізу труби.
Після компенсації тиску та температури об’ємної витрати, масова витрата може бути отримана як
Рис. 2.9 Рівняння масової витрати-з поправкою тиск–температура–стисливість
де Z – коефіцієнт стисливості газу; P0 і P — параметри тиску при стандартних і фактичних умовах відповідно; T0 і T — значення температури за стандартних умов і фактичних умов відповідно; ρ0 – густина газового середовища за стандартних умов.
Після визначення швидкості потоку можна розрахувати об’єм рідини, що проходить через трубу заданого діаметру за певний період. Об’єм потоку F, який проходить через трубу за 1 год, дорівнює 79:
Рис. 2.10 Годинний об’єм рідини через трубу на основі-вимірювання часу проходження-принцип роботи ультразвукового витратоміра часу проходження
Основний принцип роботи багато-ультразвукового вимірювання потоку газу
Ультразвукові газові витратоміри можна розділити на одно-і багато-типи, обидва з яких базуються на принципі-часу проходження для ультразвукового вимірювання потоку. На даний момент серед аналогічних продуктів за кордоном кількість акустичних доріжок може досягати шести. У багато-ультразвуковому витратомірі ViV_iVi представляє-усереднену швидкість на iii--му акустичному шляху. Його отримують шляхом вимірювання часу проходження ультразвуку вниз і вгору, обчислення різниці в часі між ними, а потім обчислення-середньої швидкості шляху.
Відповідно до співвідношення між-середніми швидкостями кожного акустичного шляху та коригуючими коефіцієнтами-швидкості потоку, об’ємна-середня швидкість газу в трубопроводі може бути оцінена як
Рис. 2.11 Багатопроменевий-рівняння середньозваженої швидкості-як працює ультразвуковий витратомір
де WiW_iWi — ваговий коефіцієнт кожного акустичного шляху, і його значення залежить від прийнятого алгоритму інтеграції.
Рис. 2.12 Багатопрохідний об’ємний потік-рівняння швидкості-ультразвуковий витратомір, як це працює
Теоретично, чим більше акустичних шляхів, тим вищою має бути точність вимірювання. Однак практичний досвід показав, що коли кількість акустичних шляхів у поперечному-перерізі досягає чотирьох, подальше збільшення кількості шляхів дуже мало сприяє підвищенню точності, водночас значно збільшуючи вартість виробництва.
Аналіз факторів, що впливають на ультразвукове вимірювання витрати газу
Згідно з формулами розрахунку швидкості-потоку та-витрати газових ультразвукових витратомірів, швидкість потоку або витрата пов’язана з декількома аспектами, такими як геометричні параметри вимірювальної труби, поправочний коефіцієнт-швидкості потоку (або ваговий коефіцієнт) і виміряні значення часу поширення ультразвуку. З цих аспектів проводиться наступний аналіз.
Корекція коефіцієнта-швидкості потоку та підвищення точності вимірювання
У вищезазначеному ультразвуковому витратомірі-газу з транзитним часом дослідження ґрунтується на ідеальному стані, у якому-середня швидкість траєкторії рівномірно розподілена-перерізом труби. У практичних ситуаціях, через не-рівномірний розподіл швидкості рідини по поперечному-перерізу труби, швидкість, отримана розрахунком, насправді є-середньою швидкістю шляху вздовж напрямку поширення ультразвуку та осьового напрямку, отриманою з виміряної різниці часу-проходження ультразвуку. Остаточна розрахована об’ємна швидкість потоку неминуче призведе до помилок. Щоб забезпечити точність вимірювань, необхідно визначити зв’язок між ними та скоригувати фактичну виміряну швидкість за допомогою принципів гідромеханіки; тобто при вимірюванні за допомогою об’ємного витратоміра вводиться-коригувальний коефіцієнт витрати K.
Через складність станів-потоку рідини в трубопроводах отримані розподіли швидкості також є складними. Сучасні дослідження в основному обмежуються розподілом швидкостей в ідеальних умовах, тобто розподілом швидкостей при ламінарному потоці та повністю розвиненому турбулентному потоці в гладких трубах. Ламінарний потік і турбулентний потік є двома основними станами течії рідин у трубах. Ламінарний потік відноситься до стану, в якому частинки рідини не мають поперечного руху і розглядається лише осьовий рух; Турбулентний потік відноситься до стану, в якому частинки рідини мають як осьовий, так і поперечний рух. Оскільки характеристики потоку відрізняються в різних станах потоку в трубопроводі, виходять різні розподіли швидкостей.
На характеристики потоку рідини разом впливають середня швидкість у трубі, кінематична в'язкість і діаметр труби, тоді як число Рейнольдса ReReRe є важливим показником для оцінки стану потоку. Коли Re<2300Re < 2300Re<2300, the flow is laminar; when Re>4000Re > 4000Re>4000, the flow is turbulent. Re=2300Re = 2300Re=2300 is usually taken as the critical value for the transition from laminar to turbulent flow. When Re>2300Re > 2300Re>2300, рідина починає переходити в турбулентний стан, і ця перехідна область, як правило, також розглядається як турбулентний потік.
FAQ
Що таке ультразвуковий витратомір-газу?
Ультразвуковий витратомір-газу вимірює потік газу, надсилаючи ультразвукові імпульси вниз і вгору за течією та обчислюючи швидкість потоку на основі різниці в їхньому часі проходження.
Яка різниця між одно-і багато-ультразвуковими витратомірами?
Одно-канальний витратомір використовує одну пару перетворювачів і один акустичний шлях, тоді як багато-канальний витратомір використовує кілька акустичних шляхів на різних висотах або під різними кутами для кращого фіксування профілю швидкості та підвищення точності.
Навіщо потрібен коригуючий коефіцієнт-швидкості потоку?
Оскільки розподіл швидкості в трубі не є ідеально рівномірним, швидкість, виміряна вздовж окремого акустичного шляху, не дорівнює середній швидкості поперечного{0}}перерізу. Поправковий коефіцієнт пов’язує ці два.
Які фактори впливають на точність ультразвукового вимірювання витрати газу?
Ключові фактори включають спотворення профілю швидкості, умови встановлення, число Рейнольдса, склад газу та швидкість звуку, зміни температури та тиску та помилки обробки сигналу.
