Як піонери вультразвуковий витратомір природного газуЗа останні 5 років у промисловості вимірювань ми виявили, що з безперервним розширенням мереж міських газопроводів і безперервним підвищенням вимог до точності вимірювання газу традиційні механічні лічильники газу поступово виявляють такі проблеми, як сильний знос, обмежений коефіцієнт перепаду тиску та погана адаптованість до умов експлуатації газу під час тривалої-експлуатації. Ці проблеми ускладнюють виконання сучасних вимог вимірювання газу щодо високої точності, інтелекту та тривалого терміну служби. Ультразвукові витратоміри природного газу, завдяки їхнім перевагам у відсутності механічних рухомих частин, великому коефіцієнті зміни тиску, низькій втраті тиску та простоті оцифровки та дистанційного зв’язку, поступово стали важливим вибором у сфері вимірювання витрати газу. Для персоналу із закупівель важливо розуміти наступний зміст, перш ніж приймати рішення.
Дослідження розподілу швидкості потоку
Оскільки розподіл швидкості потоку рідини всередині трубопроводу безпосередньо впливає на шлях поширення ультразвукових сигналів, не-рівномірний розподіл швидкості потоку призведе до розсіювання та ослаблення ультразвукових сигналів різним ступенем під час поширення в трубопроводі, що призведе до таких явищ, як низьке відношення-до-шуму отриманих луна-сигналів і серйозна амплітуда затухання. Таким чином, забезпечення рівномірного розподілу швидкості газового потоку всередині трубопроводу є необхідною умовою для досягнення вимог точності вимірюванняультразвукові вимірювачі газу.
За звичайних умов потік рідини під впливом сил в’язкості може створювати два основних режими течії (ламінарний потік і турбулентний потік), які також пов’язані з такими факторами, як режим течії та кінематична в’язкість рідини, характеристики рідини та параметри трубопроводу. Ці два режими потоку зазвичай розрізняють числом Рейнольдса (Re).
Коли Re менше або дорівнює 2300, рідина знаходиться в стані ламінарного потоку. У цей час вплив сили в’язкості на частинки рідини більший, ніж сила інерції, режим течії відносно стабільний без турбулентних явищ, але існують лише осьові компоненти швидкості. Розподіл швидкості рівномірний, має параболічну форму. Швидкість потоку менша біля круглої стінки труби та поступово зростає до центру трубопроводу, профіль швидкості показаний на малюнку 3.29.
Швидкість потоку в кожній точці круглої труби пов’язана лише з відстанню r від цієї точки до осі трубопроводу, і її закон розподілу швидкості можна виразити як:
Де: vr – швидкість потоку на відстані r від осі трубопроводу; v_m – швидкість потоку на осі трубопроводу, яка є максимальною швидкістю потоку по всьому поперечному-перерізу; R - радіус трубопроводу.
Відношення між лінійною{0}}середньою швидкістю та площею-середньою швидкістю можна відповідно виразити за допомогою vm як:
Шляхом одночасного вирішення рівнянь (3.16) і (3.17) можна отримати поправковий коефіцієнт Рейнольдса, який можна виразити як:
Коли Re більше або дорівнює 4000, рідина знаходиться в турбулентному стані. У цей час вплив сили інерції на частинки рідини є більш значним, режим течії є відносно хаотичним, осьова та поздовжня складові швидкості існують одночасно, розподіл швидкості не-рівномірний, турбулентний опір зростає, а профіль швидкості показано на рисунку 3.30.
Оскільки процесу розповсюдження турбулентного потоку не вистачає відповідної теорії та спеціальних аналітичних методів, для подальших досліджень інженери зазвичай використовують степеневі ряди для приблизного розрахунку розподілу швидкостей у круглих трубах за турбулентних умов, який можна виразити як:
Де: значення n пов’язане з шорсткістю поверхні трубопроводу та числом Рейнольдса. За ідеальних умов, коли внутрішня стінка трубопроводу гладка, співвідношення між n і Re можна виразити формулою Прандтля як:
Тобто, коли відоме число Рейнольдса, можна обчислити значення n, таким чином визначивши турбулентну криву розподілу швидкості, показану на малюнку 3.30. Відношення між лінійною-середньою швидкістю та площею-середньою швидкістю можна виразити відповідно за допомогою v_m як:
Розв’язуючи рівняння (3.21) і (3.22) одночасно, залежність між поправочним коефіцієнтом Рейнольдса та n можна отримати як:
У повністю розвиненому турбулентному трубопроводі залежність між поправочним коефіцієнтом Рейнольдса та Re можна виразити як:
Практичні інженерні міркування
Усі наведені вище формули базуються на обговореннях, проведених за умов відсутності інших заважаючих факторів і достатньої довжини прямої труби до та після вимірювального трубопроводу. Однак у реальних інженерних додатках такі фактори, як спосіб встановлення перетворювача, клапани нагорі та вигини до та після вимірювального трубопроводу, спричинять відхилення у внутрішньому розподілі швидкості потоку, що ускладнить застосування у фактичних процесах вимірювання. Тому дослідження рівномірного розподілу швидкості потоку всередині русла надзвичайно важливі.
Конструкція ультразвукового витратоміра природного газу
Ультразвуковий витратомір природного газу — це пристрій, який використовує ультразвукову технологію для вимірювання витрати газу. Його структурне проектування та дослідження моделювання охоплюють кілька аспектів, таких як конструкція датчиків, динаміка рідини та акустичне поширення. Повнийультразвуковий витратомір газувключає канали потоку, перетворювачі та схеми вимірювання. Ця система виконує схему вимірювання та проектує програму на основі існуючих каналів потоку та перетворювачів.
Проектування та встановлення перетворювача
Ультразвукові витратоміри природного газу зазвичай мають два перетворювачі: передавач і приймач. Конструкція включає частоту, потужність і діапазон робочих температур перетворювача для адаптації до різних характеристик газу. Положення встановлення перетворювачів має важливий вплив на результати вимірювань. Як правило, передавачі та приймачі повинні бути симетрично розташовані в різних місцях на трубопроводі, щоб гарантувати, що шлях поширення ультразвукових сигналів залишається настільки рівномірним, наскільки це можливо.
Дизайн каналу рідини
При проектуванні рідинного каналу лічильника газу необхідно знати внутрішній діаметр трубопроводу, щоб відповідати діапазону потоку газу. Внутрішня поверхня трубопроводу повинна бути гладкою, щоб зменшити перешкоди потоку рідини. Також необхідно розробити пристрої регулювання потоку, щоб гарантувати, що швидкість рідини знаходиться в діапазоні вимірювання, уникаючи впливу надмірно швидкої або повільної швидкості потоку на вимірювання.
Зовнішній корпус і кріплення
Враховуючи складність робочого середовища, вибір матеріалів для зовнішнього корпусу зосереджується на виборі корозійно-{0}}стійких і-температур-стійких матеріалів, таких як нержавіюча сталь або інженерний пластик, які можуть ефективно захистити внутрішні електронні компоненти та перетворювачі. Водночас необхідно розробити надійний кріпильний механізм, який забезпечить стабільність лічильника газу в умовах роботи під високим -тиском. Кріпильний пристрій повинен враховувати простір для встановлення та умови навколишнього середовища трубопроводу.
Електротехніка та обробка сигналів
З точки зору обробки електрики та сигналу, розробка ефективної системи електричного з’єднання має однакове значення для забезпечення стабільної передачі та обробки сигналу, включаючи прийом, обробку та обчислення ультразвукових сигналів. Щоб перетворити різницю часу поширення ультразвуку в дані потоку, відповідні алгоритми повинні бути розроблені окремо.
Фактори точності вимірювання
Точність вимірювання ультразвукових витратомірів природного газу також залежить від багатьох факторів, таких як якість датчика, температура навколишнього середовища, швидкість потоку газу, склад газу та тиск. Серед них точність вимірювання ультразвукових витратомірів природного газу має сильну кореляцію з розподілом швидкості потоку, що вимагає, щоб розподіл рідини в вимірювальному трубопроводі міг адекватно відображати швидкість потоку в поперечному-перерізі каналу.
Основні міркування щодо дизайну
Крім того, слід враховувати наступні фактори при проектуванні каналів потоку ультразвукового витратоміра природного газу:
(1) Ослаблення амплітуди ультразвукового сигналу в каналі потоку при зміні швидкості потоку; (2) На ультразвукові сигнали мають якомога суттєвіше впливати зміни швидкості потоку рідини для покращення роздільної здатності вимірювань системи; (3) Миттєва швидкість потоку рідини, що проходить через вимірювальний трубопровід, має відповідати повним -вимогам системи щодо вимірювання.
Об’єднавши вищевказані фактори, розроблена модель потокового каналу ультразвукового витратоміра природного газу була розроблена та змодельована за допомогою програмного забезпечення SpaceClaim, модель показана на рисунку 3.31.
Малюнок 3.31
Конструкція проточного каналу лічильника газу складається з двох частин: частина, яка з’єднується з газопроводом, має круглу трубу, розміри якої ідентичні розмірам діафрагмових лічильників газу. Враховуючи ефект відбиття ультразвукових сигналів і реалізацію корекції розподілу швидкості потоку, частина вимірювання швидкості потоку має прямокутну структуру каналу потоку з трьома лопатками для випрямлення потоку, встановленими всередині. Виправляючі лопаті сприяють рівномірному розподілу швидкості потоку рідини. У той же час зменшення внутрішнього діаметра прямокутного каналу потоку означає, що за однакових умов швидкості потоку на вході миттєва швидкість потоку в прямокутному каналі потоку стає швидшою, різниця часу проходження збільшується, що може покращити роздільну здатність вимірювання витрати ультразвукового витратоміра природного газу. Щодо методу встановлення п’єзоелектричних перетворювачів, щоб забезпечити точність вимірювання в малих точках потоку ультразвукового витратоміра природного газу, довжину шляху розповсюдження потрібно збільшити. Однак збільшення довжини шляху призведе до втрати енергії під час розповсюдження сигналу, що вимагає балансу між точністю вимірювання системи та ступенем ослаблення сигналу з двох аспектів. Використовується AV--подібна монтажна структура з двома перетворювачами, симетричними відносно поздовжньої центральної лінії випрямляючих лопаток.
Генерація та якість сітки
Перед моделюванням гідродинаміки виконуються операції попередньої обробки на моделі каналу потоку ультразвукового витратоміра природного газу. Після завершення ремонту моделі та спрощення для отримання твердого тіла внутрішня область рідини моделі витягується, а сітка розділяється. Якість поділу сітки безпосередньо визначає надійність і стабільність подальших результатів моделювання. Водонепроникний робочий процес Fluent можна використовувати для виконання вищезазначеного процесу, встановлюючи діапазон розміру генерації поверхневої сітки на 0,1-4 мм, використовуючи 2 шари заповнення проміжків, застосовуючи визначення близькості до суцільних меж. Максимальна асимметрия сітки розділеної поверхні становить 0,69, що вказує на хорошу якість сітки. На цій основі використовується шестигранно-багатогранна об’ємна сітка заповнення, до області рідини додаються граничні шари, а кінцева ортогональна якість об’ємної сітки досягає 0,15. У поєднанні з експериментами щодо незалежності сітки кількість сіток моделі становить приблизно 1,2 мільйона. Розподіл об’ємної сітки показано на малюнку 3.32.
Малюнок 3.32
