Un debitmetru cu ultrasunete de gaz se referă la un debitmetru care este instalat pe o conductă cu gaz care curge și măsoară debitul de gaz prin intermediul principiului ultrasonic. Un debitmetru cu ultrasunete de gaz cu o singură cale-se referă la un dispozitiv echipat cu o singură cale acustică, în timp ce un debitmetru cu ultrasunete pentru gaz cu două sau mai multe căi acustice se numește debitmetru cu ultrasunete pentru gaz cu mai multe-căi.
Cum funcționează un debitmetru cu ultrasunete? Principiul de bază pentru măsurarea vitezei de curgere cu un debitmetru cu ultrasunete de gaz este de a calcula viteza de curgere, debitul, densitatea și alți parametri ai fluidului gazos prin măsurarea timpului de propagare a undelor ultrasonice în mediul gazos. Acest capitol analizează în principal principiul de funcționare al măsurării cu ultrasunete în timp de tranzit-și factorii care afectează măsurarea debitului și efectuează studii de simulare cu privire la modul de îmbunătățire a preciziei-măsurării debitului, astfel încât să se facă pregătiri pentru studiul metodelor de măsurare a debitului ultrasonic de gaz cu mai multe{-căi- și modelarea mecanismelor.
Analiza principiului de funcționare al măsurării cu ultrasunete a debitului de gaz în timpul tranzitului-
Metoda de măsurare-debitului ultrasonic de gaz-timp de tranzit este o metodă de măsurare a fluxului de gaz-în care, pe aceeași lungime de cale a gazului, diferența de timp-de propagare dintre două semnale ultrasonice care călătoresc în aval și în amonte este utilizată pentru a determina viteza medie a fluxului de gaz de-a lungul căii acustice. Când undele ultrasonice se propagă într-un mediu gazos care curge, viteza lor de propagare variază cu viteza curgerii gazului.
Mai precis, viteza de propagare a undelor ultrasonice se modifică în aceeași direcție cu viteza curgerii gazului: atunci când viteza curgerii gazului crește, viteza undei ultrasonice care se propagă în aceeași direcție crește, de asemenea, în mod corespunzător; invers, dacă viteza de curgere a gazului crește în timp ce este opusă direcției de propagare a ultrasunetelor, viteza ultrasonică va scădea în mod corespunzător.
Structura de bază a unei conducte cu ultrasunete{0}}Senzor de debit
După cum se arată în figura . 2.1, două traductoare cu ultrasunete capabile să transmită și să primească impulsuri ultrasonice (denumite sonde sau traductoare) sunt încorporate pe o parte sau pe ambele părți ale conductei. Calea reală a semnalului ultrasonic între traductoarele de transmisie și cea de recepție se numește calea acustică; astfel, o pereche de traductoare formează o cale acustică. Între traductoare și mediul fluid este dispusă o membrană-transmițătoare a sunetului sau o secțiune a peretelui ghidajului de undă acustică. Într-un debitmetru cu ultrasunete cu o singură cale-, linia ghidului de undă dintre cele două traductoare ultrasonice intersectează axa instrumentului.
Fig. 2.1 Diagrama schematică a principiului măsurării cu ultrasunete-timpului de tranzit
După cum se arată în fig.. 2.1, diametrul conductei este D. Distanța în linie dreaptă-dintre fețele de capăt ale traductoarelor A și B încorporate pe ambele părți ale conductei este lungimea-acustică L (numită și distanța acustică L), iar relația sa cu diametrul D este
Fig. 2.1 Relația geometrică dintre-lungimea traseului acustic și diametrul conductei-timp de tranzit debitmetru ultrasonic
unde φ este unghiul de înclinare al căii acustice, adică unghiul dintre calea acustică și axa conductei. Unghiul de înclinare al căii acustice este, de asemenea, unghiul de incident al undei ultrasonice. Unghiul incident φ este afectat de viteza sunetului în fluid, precum și de viteza sunetului în pană și în materialul de perete-țevii.
În general, variația vitezei sunetului cu temperatura în materialele solide este mai mică decât în materialele gazoase. Când variația de temperatură nu este mare, influența materialelor peretelui-penei și țevilor asupra preciziei măsurării poate fi neglijată; cu toate acestea, atunci când intervalul de variație a temperaturii este mare, schimbarea mare a vitezei sunetului în materialele de perete-penei și țevilor trebuie corectată.
Pentru un traductor cu un unghi de incident de 30 de grade, coeficientul de transmisie este relativ mare, pierderea de energie este mică și tensiunea de excitare necesară este scăzută. Un astfel de traductor este potrivit pentru debitmetre cu ultrasunete portabile care nu sunt convenabile pentru utilizarea unei surse de curent alternativ. Un traductor cu un unghi de incident de 45 de grade are un coeficient de transmisie relativ scăzut, dar poate adopta un cip traductor mai mare și o tensiune de excitație mai mare și, prin urmare, este potrivit pentru debitmetre cu ultrasunete fixe sau care pot utiliza o sursă de curent alternativ.
Principiul de funcționare al Măsurării cu ultrasunete a debitului de gaz în timpul tranzitului-
Tehnologia de măsurare-debitului ultrasonic de gaz-timp de tranzit determină viteza medie axială a curgerii Vz pe planul format de calea acustică și axă, prin măsurarea diferenței de timp dintre undele ultrasonice care se propagă în aval și în amonte în mediul gazos. Timpii de tranzit al undelor ultrasonice diferă în direcțiile în aval și în amonte. Timpul de tranzit în aval este:
Fig. 2.2 Ecuația timpului de tranzit cu ultrasunete în aval-
iar timpul de tranzit în amonte este
Fig. 2.3 Ecuația timpului de tranzit cu ultrasunete în amonte-
unde C este viteza sunetului undelor ultrasonice în fluidul măsurat staționar, adică viteza sunetului; Vz este viteza medie de curgere a fluidului în direcția axială pe planul format de calea ultrasonică și axa conductei, numită și viteza medie a traseului-.
Atunci când influența variației-vitezei sunetului din cauza mediului intern al conductei nu este luată în considerare, expresia pentru viteza medie a traseului-este
Fig. 2.4 Expresia pentru viteza axială medie a traseului-
Măsurând timpul de tranzit în aval tD și timpul de tranzit în amonte tU al undei ultrasonice, diferența de timp dintre propagarea în amonte și în aval se obține ca
Fig. 2.5 Definiția diferenței de timp de tranzit în amonte-aval-
Folosind metoda timpului de tranzit-, poate fi obținută viteza medie a traseului-a unei căi acustice. Pe baza vitezelor medii ale diferitelor căi acustice și folosind algoritmi adecvați, poate fi calculată viteza medie perpendiculară pe întreaga secțiune transversală-, care se numește viteza medie de volum-V.
Metoda de măsurare a vitezei medii V a fluidului de conductă (volum) prin măsurarea diferenței de timp de tranzit-între propagarea ultrasonică în amonte și în aval se numește metoda de măsurare a fluxului ultrasonic-timp de tranzit-. Un debitmetru care măsoară debitul de fluid al conductei utilizând metoda ultrasonică-timp de tranzit este denumit debitmetru cu ultrasunete-timp de tranzit.
Relația dintre traseul-viteza medie pe calea acustică a unui debitmetru cu ultrasunete-timp de tranzit și viteza medie de volum-în conductă este
Fig. 2.6 Definiția factorului de corecție a vitezei-debitului
unde K se numește factor de corecție a vitezei-debitului. Factorul de corecție al vitezei-debitului este derivat din modelul matematic al profilului de distribuție a vitezei în secțiunea de măsurare a debitmetrului. În funcție de regimul de curgere a gazului în conductă, se poate obține factorul de corecție al vitezei-debitului. Astfel, din ecuațiile (2.4) și (2.6), viteza medie a gazului în conductă este
Fig. 2.7 Relația dintre viteza medie a conductei-și viteza medie a traseului-
Debitul volumetric poate fi obținut din ecuația (2.7) ca
Fig. 2.8 Ecuația debitului-volumului
unde A este aria-secțiunii transversale a conductei.
După compensarea presiunii și temperaturii debitului volumetric, debitul masic poate fi obținut ca
Fig. 2.9 Ecuația debitului de masă-cu corecția presiune-temperatura-compresibilitate
unde Z este factorul de compresibilitate a gazului; P0 și P sunt parametrii de presiune în condiții standard și, respectiv, în condiții reale; T0 și T sunt valorile temperaturii în condiții standard și, respectiv, în condiții reale; iar ρ0 este densitatea mediului gazos în condiții standard.
Odată obținută viteza de curgere, se poate calcula volumul de fluid care trece printr-o conductă cu un diametru dat într-o anumită perioadă. Volumul de curgere F care trece prin conductă în 1 oră este 79:
Fig. 2.10 Volumul orar de fluid prin conductă pe baza principiului de funcționare al debitmetrului ultrasonic-măsurarea timpului de tranzit-timp de tranzit
Principiul de funcționare de bază al măsurării cu ultrasunete a debitului de gaz cu mai multe căi-
Debitmetrele cu ultrasunete de gaz pot fi împărțite în tipuri de-căi unice și de mai multe-căi, ambele fiind bazate pe principiul timpului de tranzit-pentru măsurarea debitului cu ultrasunete. În prezent, printre produse similare din străinătate, numărul de căi acustice poate fi de până la șase. Într-un debitmetru cu ultrasunete cu mai multe-căi, ViV_iVi reprezintă viteza medie a traseului-pe cea de-a treia-calea acustică. Se obține prin măsurarea timpilor de tranzit ultrasonic în aval și în amonte, calculând diferența de timp dintre aceștia și apoi calculând viteza medie a traseului-.
În funcție de relația dintre traseul-vitezele medii ale fiecărei căi acustice și factorii de corecție a vitezei-debitului, viteza medie a volumului-a gazului în conductă poate fi estimată ca
Fig. 2.11 Ecuația vitezei medii ponderate cu mai multe căi--cum funcționează debitmetrul cu ultrasunete
unde WiW_iWi este coeficientul de ponderare al fiecărei căi acustice, iar valoarea acestuia depinde de algoritmul de integrare adoptat.
Fig. 2.12 Debitmetru cu ultrasunete cu mai multe căi{-debit volumetric-ecuație-cum funcționează
În teorie, cu cât sunt mai multe căi acustice, cu atât trebuie să fie mai mare precizia măsurării. Cu toate acestea, experiența practică a arătat că, atunci când numărul de căi acustice de-a lungul secțiunii transversale-atinge patru, creșterea în continuare a numărului de căi contribuie foarte puțin la îmbunătățirea preciziei, în timp ce crește semnificativ costul de producție.
Analiza factorilor care afectează măsurarea debitului de gaz cu ultrasunete
În conformitate cu formulele de calcul-vitezei și debitului-debitului debitmetrelor ultrasonice cu gaz, viteza de curgere sau debitul este legată de mai multe aspecte, cum ar fi parametrii geometrici ai conductei de măsurare, factorul de corecție a vitezei debit-(sau coeficientul de ponderare) și valorile măsurate ale timpului de propagare a ultrasunetelor. Următoarea analiză este efectuată din aceste aspecte.
Corectarea factorului de viteza-debitului și îmbunătățirea preciziei de măsurare
În debitmetrul cu ultrasunete de gaz-timp de tranzit menționat mai sus, studiul se bazează pe starea ideală în care viteza medie a traseului-este distribuită uniform pe secțiunea-transversală a conductei. În situații practice, datorită distribuției ne-uniforme a vitezei fluidului pe secțiunea-transversală a conductei, viteza obținută prin calcul este de fapt viteza medie a traseului-de-a lungul direcției de propagare a ultrasunetelor și direcția axială, obținute din diferența de timp-de tranzit ultrasonic măsurată. Debitul volumetric final calculat va produce inevitabil erori. Pentru a asigura acuratețea măsurării, este necesar să se determine relația dintre cele două și să se corecteze viteza reală măsurată folosind principiile mecanicii fluidelor{10}; adică, un factor de corecție-debitului K este introdus atunci când se măsoară cu un debitmetru volumetric.
Datorită complexității stărilor de curgere-fluidelor din conducte, distribuțiile de viteză rezultate sunt, de asemenea, complexe . Cercetările actuale se limitează în principal la distribuția vitezei în condiții ideale, adică la distribuția vitezei în flux laminar și a fluxului turbulent complet dezvoltat în țevi netede. Fluxul laminar și fluxul turbulent sunt două stări fundamentale de curgere ale fluidelor în conducte. Fluxul laminar se referă la starea în care particulele de fluid nu au mișcare transversală și este luată în considerare doar mișcarea axială; fluxul turbulent se referă la starea în care particulele de fluid au atât mișcare axială, cât și transversală. Deoarece caracteristicile de curgere diferă în diferite stări de curgere a conductei, se obțin distribuții diferite de viteză.
Caracteristicile de curgere ale unui fluid sunt influențate în comun de viteza medie în conductă, vâscozitatea cinematică și diametrul conductei, în timp ce numărul Reynolds ReReRe este un indice important pentru evaluarea stării de curgere. Când 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, fluidul începe să treacă la o stare turbulentă, iar această regiune de tranziție este, în general, tratată și ca un flux turbulent.
FAQ
Ce este un debitmetru cu ultrasunete de gaz-timp de tranzit?
Un debitmetru cu ultrasunete de gaz-timp de tranzit măsoară debitul de gaz prin trimiterea de impulsuri ultrasonice atât în aval, cât și în amonte și calculând viteza fluxului din diferența dintre timpii de tranzit.
Care este diferența dintre debitmetrele ultrasonice cu-căi unice și cu mai multe-căi?
Un debitmetru cu o singură cale-utiliza o pereche de traductoare și o cale acustică, în timp ce un debitmetru cu mai multe-căi utilizează mai multe căi acustice la înălțimi sau unghiuri diferite pentru a capta mai bine profilul de viteză și pentru a îmbunătăți acuratețea.
De ce este necesar un factor de corecție a vitezei-debitului?
Deoarece distribuția vitezei într-o țeavă nu este perfect uniformă, viteza măsurată de-a lungul unui singur drum acustic nu este egală cu viteza medie-secțiunii transversale. Un factor de corecție leagă cele două.
Ce factori afectează acuratețea măsurării debitului de gaz cu ultrasunete?
Factorii cheie includ distorsiunea profilului de viteză, condițiile de instalare, numărul Reynolds, compoziția gazului și viteza sunetului, schimbările de temperatură și presiune și erori de procesare a semnalului.
