Газовият ултразвуков разходомер се отнася до разходомер, който е инсталиран на тръбопровод с течащ газ и измерва газовия поток посредством ултразвуковия принцип. Газов ултразвуков разходомер с един-път се отнася за устройство, оборудвано само с един акустичен разходомер, докато газов ултразвуков разходомер с два или повече акустични пътеки се нарича много{2}}газов ултразвуков разходомер.
Как работи ултразвуковият разходомер? Основният принцип за измерване на скоростта на потока с газов ултразвуков разходомер е да се изчисли скоростта на потока, дебитът, плътността и други параметри на газовия флуид чрез измерване на времето на разпространение на ултразвуковите вълни в газовата среда. Тази глава основно анализира принципа на работа на ултразвуковото измерване на потока-време на преминаване и факторите, влияещи върху измерването на потока, и извършва симулационни проучвания за това как да се подобри точността на-измерването на потока, така че да се направи подготовка за изследването на много{3}}методи за ултразвуково измерване на поток-газ-измерване и моделиране на механизми.
Анализ на принципа на работа на ултразвуковото измерване на потока на транзитно-време на газ
Методът за-измерване на-времето на ултразвуков газов поток-е метод за-измерване на газовия поток, при който, по една и съща дължина на пътя на газа, разликата във времето на разпространение-между два ултразвукови сигнала, пътуващи надолу и нагоре по течението, се използва за определяне на средната скорост на газовия поток по протежение на акустичния път. Когато ултразвуковите вълни се разпространяват в течаща газова среда, тяхната скорост на разпространение варира в зависимост от скоростта на газовия поток.
По-конкретно, скоростта на разпространение на ултразвуковите вълни се променя в същата посока като скоростта на газовия поток: когато скоростта на газовия поток се увеличава, скоростта на ултразвуковата вълна, разпространяваща се в същата посока, също се увеличава съответно; обратно, ако скоростта на газовия поток се увеличава, докато е противоположна на посоката на разпространение на ултразвука, скоростта на ултразвука ще намалее съответно.
Основна структура на ултразвуков тръбен-сензор за поток
Както е показано на фиг. . 2.1, два ултразвукови преобразувателя, способни както да предават, така и да приемат ултразвукови импулси (наричани сонди или преобразуватели), са вградени от едната или от двете страни на тръбопровода. Действителният път на ултразвуковия сигнал между предавателния и приемащия преобразувател се нарича акустичен път; по този начин двойка преобразуватели образуват един акустичен път. Между преобразувателите и течната среда е разположена -предаваща звук мембрана или секция от акустична вълноводна стена. В ултразвуков разходомер с един-път, вълноводната линия между двата ултразвукови преобразувателя пресича оста на инструмента.
Фигура. 2.1 Схематична диаграма на принципа на ултразвуковото измерване на потока-време на преминаване
Както е показано на Фигура. 2.1, диаметърът на тръбата е D. Разстоянието по права-линия между крайните повърхности на преобразувателите A и B, вградени от двете страни на тръбопровода, е дължината на акустичния-път L (наричана още акустично разстояние L), а връзката му с диаметъра D е
Фигура. 2.1 Геометрична връзка между дължината на акустичния-път и диаметъра на тръбата-време на преминаване ултразвуков разходомер
където φ е ъгълът на наклона на акустичния път, т.е. ъгълът между акустичния път и оста на тръбата. Ъгълът на наклона на акустичния път също е ъгълът на падане на ултразвуковата вълна. Ъгълът на падане φ се влияе от скоростта на звука във флуида, както и от скоростта на звука в клина и в материала на -стената на тръбата.
Като цяло, промяната на скоростта на звука с температурата в твърдите материали е по-малка от тази в газообразните материали. Когато вариацията на температурата не е голяма, влиянието на материала на стената на клина и -тръбата върху точността на измерване може да бъде пренебрегнато; обаче, когато диапазонът на температурни промени е голям, голямата промяна в скоростта на звука в материалите на стената на клина и тръбата- трябва да се коригира.
За преобразувател с ъгъл на падане от 30 градуса, коефициентът на предаване е относително висок, загубата на енергия е малка и необходимото напрежение на възбуждане е ниско. Такъв трансдюсер е подходящ за ръчни ултразвукови разходомери, които не са удобни за използване на променливотоково захранване. Преобразувател с ъгъл на падане от 45 градуса има сравнително нисък коефициент на предаване, но може да приеме по-голям чип на преобразувателя и по-високо напрежение на възбуждане и следователно е подходящ за фиксирани ултразвукови разходомери или такива, които могат да използват захранване с променлив ток.
Принцип на работа на ултразвуковото{0}}измерване на дебита на газ при преминаване
Технологията за-измерване на ултразвуков газов поток-на транзитно време определя средната аксиална скорост на потока Vz в равнината, образувана от акустичния път и оста, чрез измерване на времевата разлика между ултразвуковите вълни, разпространяващи се надолу и нагоре по течението в газовата среда. Времената на преминаване на ултразвуковите вълни се различават в посоките надолу и нагоре по течението. Транзитното време надолу по веригата е:
Фигура. 2.2 Уравнение за-време на ултразвуков транзит надолу по веригата
и транзитното време нагоре по веригата е
Фигура. 2.3 Уравнение за-време на ултразвуков транзит нагоре по веригата
където C е скоростта на звука на ултразвуковите вълни в неподвижната измервана течност, т.е. скоростта на звука; Vz е средната скорост на потока на флуида в аксиална посока в равнината, образувана от ултразвуковата пътека и оста на тръбата, наричана също път-средна скорост.
Когато не се вземе предвид влиянието на промяната на -скоростта на звука, дължащо се на вътрешната среда на тръбата, изразът за средната-скорост на пътя е
Фигура. 2.4 Израз за-осреднена аксиална скорост по пътя
Чрез измерване на времето за преминаване надолу по веригата tD и времето на преминаване нагоре по веригата tU на ултразвуковата вълна, времевата разлика между разпространението нагоре и надолу по веригата се получава като
Фигура. 2.5 Определение за транзитна{1}}времева разлика нагоре–надолу по веригата
С помощта на метода на-времето на преминаване може да се получи-осреднената скорост на един акустичен път. Въз основа на средните скорости на различни акустични пътища и с помощта на подходящи алгоритми може да се изчисли средната скорост, перпендикулярна на цялото напречно-сечение, която се нарича обемна-осреднена скорост V.
Методът за измерване на средната скорост V на флуида (обема) на тръбопровода чрез измерване на разликата във-времето на преминаване между ултразвуковото разпространение нагоре и надолу по веригата се нарича метод за-измерване на ултразвуковия поток-по време на преминаване. Разходомер, който измерва потока на флуида в тръбопровода с помощта на ултразвуковия-метод за транзитно-време, се нарича ултразвуков разходомер за транзитно-време.
Връзката между-средната скорост по пътя на акустичния път на ултразвуков разходомер за транзитно-време и обемната{2}}осреднена скорост в тръбопровода е
Фигура. 2.6 Определение на коефициента за-корекция на скоростта на потока
където K се нарича коефициент на-корекция на скоростта на потока. Коефициентът на корекция на скоростта-на потока се извлича от математическия модел на профила на разпределение на скоростта в измервателната секция на разходомера. В зависимост от режима на газовия поток в тръбопровода може да се получи коефициентът за корекция на скоростта на потока-. Така, от уравнения (2.4) и (2.6), средната скорост на газа в тръбопровода е
Фигура. 2.7 Връзка между средната скорост-на тръбата и средната скорост на пътя-
Обемният дебит може да се получи от уравнение (2.7) като
Фигура. 2.8 Уравнение за обемен{1}}дебит
където A е площта на напречното-сечение на тръбата.
След компенсиране на налягането и температурата на обемния дебит, масовият дебит може да се получи като
Фигура. 2.9 Уравнение на масовия дебит-с корекция за налягане–температура–свиваемост
където Z е коефициентът на свиваемост на газа; P0 и P са параметрите на налягането съответно при стандартни условия и действителни условия; T0 и T са температурните стойности съответно при стандартни условия и действителни условия; и ρ0 е плътността на газовата среда при стандартни условия.
След като се получи скоростта на потока, може да се изчисли обемът на течността, преминаваща през тръба с даден диаметър за определен период. Обемът на потока F, преминаващ през тръбата за 1 час, е 79:
Фигура. 2.10 Почасов обем на флуида през тръбата въз основа на-измерване на времето за преминаване-принцип на работа на ултразвуков разходомер за време на преминаване
Основен принцип на работа на много{0}}ултразвуковото измерване на газовия поток
Ултразвуковите разходомери за газ могат да бъдат разделени на типове с един-път и много-път, като и двата се основават на принципа на-времето на преминаване за ултразвуково измерване на потока. В момента сред подобни продукти в чужбина броят на акустичните пътеки може да бъде до шест. В много-ултразвуков разходомер ViV_iVi представлява път-осреднената скорост по iii--ия акустичен път. Получава се чрез измерване на ултразвуковите транзитни времена надолу и нагоре по веригата, изчисляване на времевата разлика между тях и след това изчисляване на-средната скорост на пътя.
Съгласно връзката между-средните скорости на пътя на всеки акустичен път и коефициентите за-корекция на скоростта на потока, обемната-средна скорост на газа в тръбопровода може да се оцени като
Фигура. 2.11 Многопътно-претеглено уравнение на средната скорост-как работи ултразвуковият разходомер
където WiW_iWi е тегловният коефициент на всеки акустичен път и неговата стойност зависи от приетия алгоритъм за интегриране.
Фигура. 2.12 Многопътен-обемен поток-уравнение на скоростта-ултразвуков разходомер как работи
На теория, колкото повече акустични пътища има, толкова по-висока трябва да е точността на измерване. Практическият опит обаче показва, че когато броят на акустичните пътища в напречното-сечение достигне четири, по-нататъшното увеличаване на броя на пътищата допринася много малко за подобряване на точността, като същевременно значително увеличава производствените разходи.
Анализ на факторите, влияещи върху ултразвуковото измерване на газовия поток
Съгласно формулите за изчисление на-скоростта и-дебита на ултразвуковите разходомери за газ, скоростта на потока или дебитът е свързана с няколко аспекта, като например геометричните параметри на измервателната тръба, коефициентът за-корекция на скоростта на потока (или тегловният коефициент) и измерените стойности на времето на разпространение на ултразвука. От тези аспекти се извършва следният анализ.
Корекция на коефициента-скорост на потока и подобряване на точността на измерване
В гореспоменатия ултразвуков разходомер за-газ с транзитно време изследването се основава на идеалното състояние, при което-средната скорост по пътя е равномерно разпределена по-напречното сечение на тръбата. В практически ситуации, поради не-равномерното разпределение на скоростта на флуида в напречното-сечение на тръбата, скоростта, получена чрез изчисление, всъщност е-осреднената скорост по пътя по посоката на разпространение на ултразвука и аксиалната посока, получена от измерената времева-разлика на ултразвуковото преминаване. Окончателно изчисленият обемен дебит неизбежно ще доведе до грешки. За да се осигури точност на измерването, е необходимо да се определи връзката между двете и да се коригира действително измерената скорост, като се използват принципите на-механиката на флуидите; т.е. при измерване с обемен разходомер се въвежда -коефициент на корекция на дебита K.
Поради сложността на състоянията на поток-флуид в тръбопроводите, получените разпределения на скоростта също са сложни. Настоящите изследвания са ограничени главно до разпределението на скоростта в идеални условия, тоест разпределението на скоростта при ламинарен поток и напълно развит турбулентен поток в гладки тръби. Ламинарният поток и турбулентният поток са две основни състояния на потока на течности в тръбите. Ламинарният поток се отнася до състоянието, при което частиците на флуида нямат напречно движение и се разглежда само аксиалното движение; турбулентният поток се отнася до състоянието, в което частиците на течността имат както аксиално, така и напречно движение. Тъй като характеристиките на потока се различават при различните състояния на потока в тръбопровода, се получават различни разпределения на скоростта.
Характеристиките на потока на даден флуид се влияят съвместно от средната скорост в тръбата, кинематичния вискозитет и диаметъра на тръбата, докато числото на Рейнолдс ReReRe е важен показател за оценка на състоянието на потока. Когато 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 флуидът започва да преминава в турбулентно състояние и тази преходна област обикновено също се третира като турбулентен поток.
ЧЗВ
Какво представлява ултразвуковият{0}}разходомер за газ?
Ултразвуков{0}}разходомер за газ измерва газовия поток чрез изпращане на ултразвукови импулси както надолу, така и нагоре по течението и изчислява скоростта на потока от разликата в техните времена на преминаване.
Каква е разликата между еднопътни-и много-ултразвукови разходомери?
Разходомерът с един-път използва една двойка преобразуватели и един акустичен път, докато разходомерът с множество-пъти използва няколко акустични пътя на различни височини или ъгли за по-добро улавяне на профила на скоростта и подобряване на точността.
Защо е необходим коефициент-за корекция на скоростта на потока?
Тъй като разпределението на скоростта в тръбата не е съвършено равномерно, скоростта, измерена по протежение на единична акустична пътека, не е равна на средната скорост в напречното{0}}сечение. Коефициентът на корекция свързва двете.
Кои фактори влияят върху точността на ултразвуковото измерване на газовия поток?
Ключовите фактори включват изкривяване на профила на скоростта, условия на монтаж, число на Рейнолдс, газов състав и скорост на звука, промени в температурата и налягането и грешки при обработката на сигнала.
