При использовании времени--полетаультразвуковой расходомерДля измерения расхода необходимо знать среднюю скорость газа, текущего по трубе. В идеале ультразвуковой расходомер одновременно измеряет скорость жидкости в бесконечном количестве точек вдоль поперечного сечения трубы-, а затем рассчитывает средневзвешенную скорость, чтобы получить среднеобъемную скорость жидкости внутри трубы. Этот принцип измерения предполагает, что жидкость в трубе работает в идеальных условиях потока. Результаты экспериментов показывают, что в условиях хорошего поля потока точность измерения одноканального ультразвукового расходомера может достигать 0,5%.
Однако если одноканальный ультразвуковой расходомер-установлен на 19D ниже по потоку от одного колена под углом 90 градусов, погрешность измерения превысит 4 %; если установлен 78D ниже по потоку, погрешность измерения может достигать 2–2,2%. Эти эксперименты показывают, что изменения в не-поле идеального потока оказывают существенное влияние на точность измерений. Даже если в трубе ультразвукового измерения расхода расположено несколько каналов для получения информации о скорости по всему поперечному сечению потока,-все еще существует неполная информация о скорости, и между измеренным результатом и фактической скоростью останутся несоответствия. Разница невелика, но точность измерений намного лучше, чем у одноканального ультразвукового расходомера. В этой книге также используется многоканальный метод измерения в качестве исследовательского содержания для решения этой проблемы. Поэтому в процессе разработки ультразвуковых расходомеров и практического использования расходомеров необходимо обращать внимание на влияние положения установки на фактическое поле потока и стараться обеспечить полную выработку жидкости в трубе при достижении входного отверстия расходомера.
Поскольку состояние потока определяет точность измерения и измерения ультразвуковыми расходомерами, а состояние потока зависит от многих факторов, необходимо тщательно учитывать, соответствуют ли условия измерения проектным требованиям при разработке и использовании ультразвуковых расходомеров [21]. Рекомендуемые условия установки: длина прямой трубы перед ультразвуковым расходомером составляет не менее 10D, а длина прямой трубы после него - не менее 5D.
Наличие монтажных эффектов затрудняет достижение стабильного течения жидкости. В прямой схеме трубопровода с полностью развитым потоком профиль и распределение скорости можно представить эмпирическими формулами. Таким образом, если гарантированы условия установки, требования к точности измерений ультразвуковых расходомеров могут быть легко выполнены как в лаборатории, так и в сопоставимых реальных условиях. Однако в промышленных условиях существуют различные факторы помех, и фактическая погрешность измерения ультразвуковых расходомеров будет превышать номинальную погрешность измерения! Измеренное значение средней поверхностной скорости V или V в канале трубы и расчетное значение средней скорости V a в трубе имеют погрешности измерения. Турбулентность относится к неопределенности измерения Va или V. Хотя поправочный коэффициент скорости K можно использовать для корректировки средней скорости в трубе, несоответствие между фактическим расходом и расчетными условиями приведет к значительным ошибкам измерения. Приварные фланцы, выступы фланцев вблизи места установки ультразвукового преобразователя, а также насосы и клапаны, установленные выше по потоку, являются факторами помех в поле потока, вызывающими значительные изменения профиля скорости и приводящими к большим ошибкам в поправочном коэффициенте скорости, что не соответствует целям и требованиям проектирования.
Компонент радиальной скорости, присутствующий в турбулентности, является наиболее важным фактором, влияющим на ультразвуковое измерение расхода. Основной причиной радиальной составляющей скорости является вторичное течение, вызванное изгибом трубы. Когда жидкость в трубе течет в условиях изгиба, состояние потока находится в нестабильном состоянии из-за центробежной силы. Эта проблема неустойчивости называется проблемой устойчивости Дина [91]. Изгиб, вызывающий проблему устойчивости Дина, показан на рис. 2.5. Осевой поток в трубе называется первичным потоком, а радиальный поток, образующийся в изгибе, называется вторичным потоком. Причина вторичного течения в том, что кривизна внутренней и внешней сторон изгиба различна. При движении микро-элементов жидкости внутри на поперечное сечение трубы действует центробежная сила, создающая силовое поле. Это силовое поле заставит жидкие микро-элементы совершать радиальное движение. Интенсивность вторичного потока можно представить числом Дина D, то есть:
В формуле: Вом– средняя скорость потока между двумя стенками; D – внутренний диаметр трубы; u – кинематическая вязкость; R – радиус изгиба трубы. Чем выше скорость потока, тем меньше радиус изгиба R в трубе и тем больше интенсивность создаваемого вторичного потока.
Влияние монтажного эффекта и геометрической погрешности корпуса прибора
Среди различных факторов, влияющих на погрешность измерения ультразвуковых расходомеров, наиболее важными являются влияние установки поля потока и задержка сигнала. Во время разработки и использования такие факторы, как диаметр трубы и угол азимута установки, также влияют на точность измерения расхода. В реальных промышленных условиях из-за эффекта установки поток жидкости редко бывает стабильным, и в поле потока неизбежно возникают различные колебания. Эти колебания влияют на точность измерения расхода, как анализировалось ранее.
В процессе измерения путь ультразвука и площадь поперечного сечения трубы ультразвукового расходомера должны оставаться постоянными. Изменения температуры и напряжения вызовут соответствующие изменения в поперечном сечении трубы-, что приведет к изменениям в распределении скорости жидкости и, следовательно, к неточным измерениям скорости. Ошибка измерения прямо пропорциональна ошибке площади поперечного- сечения трубы. Это особенно актуально для сжимаемых газообразных сред, где влияние изменений температуры и напряжений еще более серьезно.
В процессе разработки сложно расположить датчики в соответствии с фактическим диаметром трубы на месте. Однако если ультразвуковые преобразователи невозможно установить точно в соответствии с положением диаметра, это также повлияет на точность измерения расхода. Ошибка позиционирования преобразователя в основном влияет на путь распространения L ультразвуковой волны. Помимо сложности определения положения установки преобразователя в процессе разработки, эффект теплового расширения и сжатия оболочки измерительной трубы при изменении температуры также приведет к небольшому смещению расстояния между преобразователем, что приведет к ошибке позиционирования преобразователя. При наличии отложений на внутренней поверхности стенки трубы ультразвукового расходомера площадь поперечного сечения трубы становится меньше, что приводит к увеличению скорости жидкости, что также приводит к ошибке измерения величины расхода. В [96] показано, что в ультразвуковом расходомере диаметром 300 мм, если на внутренней поверхности трубы налипают отложения толщиной 0,4 мм, это приведет к ошибке измерения ультразвукового расходомера ±0,51%.
