Принцип работы и калибровка ультразвукового расходомера

Ультразвуковой расходомер — это расходомер скоростного типа, использующий ультразвуковые импульсы для измерения расхода жидкости. Он обеспечивает бесконтактную работу, широкий диапазон измерений, удобство переноски и монтажа, высокую адаптируемость к различным диаметрам трубопроводов, простоту эксплуатации и лёгкость цифровизации. Он широко применяется для измерения скорости и расхода газов и жидкостей непосредственно на месте. В данной статье излагаются принципы проектирования наиболее широко используемых ультразвуковых расходомеров, проводится анализ и оценка неопределённости измерений их погрешностей, а также обсуждаются методы повышения точности измерений в полевых условиях.

I. Принцип измерения ультразвуковых расходомеров

Принцип работы ультразвукового расходомера показан на рис. 1. Устанавливаются два ультразвуковых преобразователя: нижний по потоку преобразователь А излучает ультразвуковые импульсные сигналы, а верхний по потоку преобразователь В их принимает. Датчики устанавливаются с использованием метода внешнего зажима по схеме Z — по одному с каждой стороны трубопровода для жидкости на заданном расстоянии. Внутренний диаметр трубопровода равен d, скорость ультразвука в струе — V, а угол θ между направлением распространения ультразвука и направлением потока жидкости составляет θ.

2. Анализ неопределённости измерений

Скорость потока жидкости, определяемая по формуле (3), складывается из четырёх составляющих: внутреннего диаметра трубы d, теоретической скорости звука C в измеряемой жидкости и тангенса угла преломления звуковой волны tanθ, и разность во времени Δt между прямым и обратным потоками жидкости, проходящими через преобразователь AB. Анализ неопределённости измерений выглядит следующим образом.

1. Оценка неопределённости, вносимой повторяемостью измерения внутреннего диаметра трубы d

Согласно ** стандарту, номинальный диаметр трубы D и толщина стенки трубы s являются лишь приближёнными номинальными размерами. Внешний диаметр трубы D и толщина стенки трубы s должны измеряться каждый раз. Следовательно, данная неопределённость состоит из двух компонентов: повторяемости измерений объекта и неопределённости измерений, вносимой используемым на месте измерительным прибором. Согласно нашему практическому опыту измерений на месте, относительная неопределённость при измерении внутреннего диаметра трубы d обычно составляет Urel(d) = 0,5% (k = 2); следовательно, приведённая стандартная неопределённость, вносимая измерением внутреннего диаметра трубы d, равна:

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

2. Оценка неопределённости, вносимой измерением скорости звука в жидкости C, urel(C)

Согласно техническим данным, данная неопределённость оценивается как класс B. Неопределённость измерения скорости звука в исследуемой жидкости составляет:

Urel(C) = 0,6% (k = 2). Это можно цитировать дословно:

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

3. Неопределённость, вносимая повторяемостью измерения расстояния l между преобразователями A и B

Оценка неопределённости urel (l) Неопределённость измерения расстояния l между расположенным ниже по потоку преобразователем A и расположенным выше по потоку преобразователем B складывается из двух компонент: повторяемости измерения самого объекта и неопределённости измерительного прибора, используемого на месте. Исходя из нашего практического опыта полевых измерений, стандартная неопределённость, вносимая повторяемостью измерения расстояния l между преобразователями A и B, составляет: неопределённость обычно не превышает Urel(l) = 0,6% (k = 2); относительная неопределённость: Urel(l) = s/k = 0,5%/2 = 0,25%. 4. Введение в разность времен Δt между прямым и противоточным потоками через преобразователи AB

Оценка неопределённости u(Δt) Разность времени Δt между прямым и обратным потоками через преобразователи AB в ультразвуковом расходомере определяется путём вычитания времени t1 импульса, переданного от преобразователя A к B в направлении прямого потока, из времени t2 импульса, переданного от B к A в направлении обратного потока. (см. рис. 1). Согласно формуле (1), компоненты его неопределённости в основном определяются расстоянием l между нижнепоточным преобразователем A и верхнепоточным преобразователем B, внутренним диаметром трубы d и скоростью звука C в измеряемой жидкости. Точность измерений времени и частоты является наивысшей среди всех областей метрологии. Погрешность, обусловленная измерением временных интервалов импульсов ультразвукового расходомера, может быть пренебрежимо малой. Расстояние l, внутренний диаметр трубы d и скорость звука C в измеряемой жидкости учитываются в составе других компонентов неопределённости. Следовательно, неопределённость u(Δt), вносимую временной разностью Δt между потоками жидкости, проходящими через преобразователи AB в верхнем и нижнем сечениях, можно пренебречь.

III. Методы повышения точности полевых измерений ультразвуковых расходомеров

При проведении полевых измерений первым шагом является всесторонний анализ различных факторов. Все эти факторы оказывают определённое влияние на конечные результаты измерений, как показано ниже.

1. Влияние неопределённости скорости звука C и эмпирические методы повышения точности полевых измерений

Перед началом полевых измерений следует предоставить измеряемую среду. Если средой является газ, следует указать его конкретный состав, рабочую температуру и рабочее давление. Скорость ультразвуковой волны можно определить, обратившись к соответствующим стандартам с использованием приведённой выше информации. Влияние скорости звука C рабочей среды на ультразвуковой расходомер будет оказывать меньшее воздействие на результаты измерений. Если средой является жидкость, следует указать конкретное наименование жидкости, рабочее давление, рабочую температуру, а также наличие взвешенных частиц в жидкости. Настройка скорости звука должна учитывать температурные эффекты. Скорость звука в водных растворах превышает соответствующий показатель для чистой воды, а у большинства жидкостей с повышением температуры скорость звука возрастает. Когда в жидкости присутствует большое количество частиц (при этом их концентрация остаётся в пределах диапазона измерений), применяют два подхода: 1. Частицы равномерно распределены. В данном случае сигнал относительно стабилен, что затрудняет его обнаружение с помощью измерений. Измеряемая среда должна указывать причину и тип частиц. После определения типа частиц скорость звука в жидкости может быть соответствующим образом скорректирована, а качество сигнала — проанализировано для получения более точных результатов измерений. ② В случае неравномерных частиц интенсивность сигнала будет существенно флуктуировать. В данном случае наилучшим подходом является проведение измерений в течение длительного периода и усреднение показаний, полученных в нескольких точках с высоким качеством сигнала.

2. Расстояние l между преобразователями A и B и внутренний диаметр трубы d

Влияние повторяемости измерений и методы повышения точности измерений на месте: при выборе участка трубопровода для измерений следует отбирать прямой, стабильный участок, по которому движется рабочая среда, вдали от насосной станции и запорной арматуры. Если по трубопроводу транспортируется жидкость, также выбирайте участок трубы, на котором менее вероятно образование осадка в нижней части и скопление воздуха в верхней части. Изначально проводите измерения с установленным вертикально зондом, затем — горизонтально. Если разность между двумя измерениями не превышает предельно допустимой погрешности ультразвукового расходомера, при неизменных других параметрах после дополнительной настройки параметров перейдите к следующему измерению. В противном случае повторно выберите трубопровод для измерения (если разница между двумя измерениями превышает допустимую погрешность ультразвукового расходомера, это указывает на то, что участок трубопровода не заполнен рабочей средой).

При настройке детальных параметров следующего измерения основными факторами, влияющими на точность измерений, являются расстояние l между преобразователями A и B и внутренний диаметр трубы d. Расстояние l обычно измеряется стальной линейкой или штангенциркулем с учётом заданного значения l. Для измерения внутреннего диаметра трубы d, Нониусный штангенциркуль можно использовать непосредственно, если наружный диаметр трубы мал. Для труб большего диаметра лучше всего измерить длину окружности с помощью точной стальной линейки, а затем вычислить диаметр. При измерении труб с выраженными внутренними отложениями и загрязнениями параметр толщины стенки s можно увеличить, а скорость звука в стенке — уменьшить. При измерении труб с выраженной внутренней коррозией параметр толщины стенки s может уменьшаться, тогда как скорость звука в стенке остается неизменной.

Исходя из принципа работы ультразвуковых расходомеров времени прохождения, в настоящей работе проводится анализ и оценка неопределённости измерений погрешностей ультразвукового расходомера. Опираясь на многолетний опыт нашего института в проведении полевых испытаний ультразвуковых расходомеров, мы формулируем и подробно обосновываем ряд ключевых рекомендаций по повышению точности их измерений в полевых условиях.

Итан Лю

Этан Лю-специалист по техническому контенту JUJEA, воплощая сложные концепции интеграции датчиков и промышленной автоматизации в практические идеи для инженеров, системных интеграторов, специалистов по закупкам и лиц, принимающих решения по всему миру.