Газовый ультразвуковой расходомер — это расходомер, который устанавливается на трубопроводе с текущим газом и измеряет расход газа по принципу ультразвука. Однолучевой-газовый ультразвуковой расходомер относится к устройству, оснащенному только одним акустическим каналом, тогда как газовый ультразвуковой расходомер с двумя или более акустическими путями называется многоходовым газовым ультразвуковым расходомером.
Как работает ультразвуковой расходомер? Основной принцип измерения скорости потока газовым ультразвуковым расходомером заключается в расчете скорости потока, расхода, плотности и других параметров газовой жидкости путем измерения времени распространения ультразвуковых волн в газовой среде. В этой главе в основном анализируется принцип работы-временного ультразвукового измерения расхода газа и факторы, влияющие на измерение расхода, а также проводятся симуляционные исследования о том, как повысить-точность измерения расхода, чтобы подготовиться к изучению многолучевых-методов ультразвукового измерения расхода газа-и моделирования механизма.
Анализ принципа действия ультразвукового измерения расхода газа-времени прохождения газа
Метод измерения -временного ультразвукового расхода газа- — это метод измерения расхода газа-, при котором на одной и той же длине пути газа разница во времени распространения-между двумя ультразвуковыми сигналами, распространяющимися вниз по потоку и вверх по потоку, используется для определения средней скорости потока газа вдоль акустического пути. При распространении ультразвуковых волн в текущей газовой среде скорость их распространения изменяется в зависимости от скорости потока газа.
Более конкретно, скорость распространения ультразвуковых волн изменяется в том же направлении, что и скорость потока газа: когда скорость потока газа увеличивается, скорость ультразвуковой волны, распространяющейся в том же направлении, также соответственно увеличивается; и наоборот, если скорость потока газа увеличивается, будучи противоположной направлению распространения ультразвука, скорость ультразвука соответственно уменьшится.
Базовая конструкция ультразвукового датчика потока-трубы
Как показано на рис. . 2.1, два ультразвуковых преобразователя, способные как передавать, так и принимать ультразвуковые импульсы (называемые зондами или преобразователями), встроены на одной или обеих сторонах трубопровода. Фактический путь ультразвукового сигнала между передающим и приемным преобразователями называется акустическим путем; таким образом, пара преобразователей образует один акустический путь. Между преобразователями и текучей средой располагают звукопроводящую мембрану или участок стенки акустического волновода. В однолучевом-ультразвуковом расходомере волноводная линия между двумя ультразвуковыми преобразователями пересекает ось прибора.
Рис. 2.1 Принципиальная схема принципа транзитного-временного ультразвукового измерения расхода
Как показано на рис.. 2.1, диаметр трубы равен D. Расстояние по прямой-между торцевыми поверхностями датчиков A и B, встроенных с обеих сторон трубопровода, представляет собой длину акустического-траектории L (также называемую акустическим расстоянием L), а ее взаимосвязь с диаметром D равна
Рис.. 2.1 Геометрическая зависимость между длиной акустического-пути и диаметром трубы-временем прохождения ультразвукового расходомера
где φ – угол наклона акустической дорожки, т.е. угол между акустической дорожкой и осью трубы. Угол наклона акустического пути также является углом падения ультразвуковой волны. На угол падения φ влияет скорость звука в жидкости, а также скорость звука в клине и материале стенки трубы-.
В целом изменение скорости звука в зависимости от температуры в твердых материалах меньше, чем в газообразных. Когда изменение температуры невелико, влиянием материалов клина и стенки трубы-на точность измерений можно пренебречь; однако, когда диапазон изменения температуры велик, необходимо скорректировать большое изменение скорости звука в материалах клина и стенки трубы-.
Для преобразователя с углом падения 30 градусов коэффициент передачи относительно высок, потери энергии невелики, а необходимое напряжение возбуждения низкое. Такой преобразователь подходит для ручных ультразвуковых расходомеров, для которых неудобно использовать источник переменного тока. Датчик с углом падения 45 градусов имеет относительно низкий коэффициент передачи, но может использовать более крупный чип преобразователя и более высокое напряжение возбуждения и, следовательно, подходит для стационарных ультразвуковых расходомеров или тех, которые могут использовать источник питания переменного тока.
Принцип работы ультразвукового измерения расхода газа-времени прохождения газа
Технология измерения транзитного-временного ультразвукового расхода газа- определяет среднюю осевую скорость потока Vz в плоскости, образованной акустическим путем и осью, путем измерения разницы во времени между ультразвуковыми волнами, распространяющимися вниз и вверх по потоку в газовой среде. Время прохождения ультразвуковых волн различается в нисходящем и восходящем направлениях. Время транзита вниз по течению составляет:
Рис.. 2.2 Уравнение времени прохождения ультразвука в нисходящем потоке-
и время прохождения вверх по течению
Рис.. 2.3 Уравнение времени прохождения ультразвука в восходящем потоке-
где С - скорость звука ультразвуковых волн в неподвижной измеряемой жидкости, т.е. скорость звука; Vz — это средняя скорость потока жидкости в осевом направлении в плоскости, образованной ультразвуковым путем и осью трубы, также называемая средней скоростью по пути-.
Если влияние изменения скорости звука-из-за внутренней среды трубы не учитывается, выражение для средней скорости по траектории- имеет вид
Рис. 2.4 Выражение для средней по траектории-осевой скорости
Путем измерения времени прохождения ультразвуковой волны вниз по потоку tD и времени прохождения вверх по потоку tU ультразвуковой волны разница во времени между распространением вверх и вниз по потоку получается как
Рис.. 2.5 Определение разницы во времени транзита вверх-вниз по течению-
Используя метод-времени прохождения, можно получить-среднюю скорость одного акустического пути. На основе средних скоростей различных акустических путей и с использованием подходящих алгоритмов можно рассчитать среднюю скорость, перпендикулярную всему поперечному-сечению, которая называется средней по объему-скоростью V.
Метод измерения средней скорости V (объемной) жидкости в трубопроводе путем измерения разницы во времени прохождения-между распространением ультразвука вверх и вниз по потоку называется методом измерения-времени прохождения ультразвукового потока-. Расходомер, измеряющий расход жидкости в трубопроводе с использованием ультразвукового метода измерения-времени прохождения, называется ультразвуковым расходомером-времени прохождения.
Зависимость между -средней скоростью по траектории акустического тракта-временного ультразвукового расходомера и средней по объему-скоростью в трубопроводе равна
Рис.. 2.6 Определение поправочного коэффициента-скорости потока
где K называется поправочным коэффициентом-скорости потока. Поправочный коэффициент-скорости потока выводится из математической модели профиля распределения скорости в измерительной секции расходомера. В зависимости от режима потока газа в трубопроводе можно получить поправочный коэффициент-скорости потока. Таким образом, из уравнений (2.4) и (2.6) средняя скорость газа в трубопроводе равна
Рис.. 2.7 Зависимость между-средней скоростью трубы и-средней скоростью пути
Объемный расход можно получить из уравнения (2.7) как
Рис.. 2.8 Уравнение объемного расхода-расхода
где A — площадь поперечного-сечения трубы.
После компенсации объемного расхода по давлению и температуре массовый расход можно получить как
Рис.. 2.9 Уравнение массового расхода-расхода с поправкой на давление, температуру и сжимаемость.
где Z – коэффициент сжимаемости газа; P0 и P — параметры давления при стандартных и фактических условиях соответственно; Т0 и Т — значения температуры при стандартных и реальных условиях соответственно; ρ0 — плотность газовой среды при стандартных условиях.
После получения скорости потока можно рассчитать объем жидкости, проходящей через трубу заданного диаметра за определенный период. Объем потока F, проходящий через трубу за 1 ч, равен 79:
Рис.. 2.10 Почасовой объем жидкости через трубу на основе-измерения времени прохождения-времени прохождения ультразвукового расходомера.
Основной принцип работы многолучевого-ультразвукового измерения расхода газа
Ультразвуковые расходомеры газа можно разделить на одно-ходовые и многоходовые-типы, оба из которых основаны на принципе-времени прохождения ультразвукового измерения расхода. В настоящее время среди аналогичных изделий за рубежом количество акустических путей может достигать шести. В многоходовом ультразвуковом расходомере ViV_iVi представляет собой среднюю скорость-на iii--м акустическом пути. Оно получается путем измерения времени прохождения ультразвука по нисходящему и восходящему потоку, расчета разницы во времени между ними, а затем вычисления средней скорости по траектории-.
В соответствии с соотношением между -средними скоростями каждого акустического тракта и поправочными коэффициентами-скорости потока, среднюю по объему-скорость газа в трубопроводе можно оценить как
Рис.. 2.11 Многолучевое уравнение-взвешенной средней скорости-как работает ультразвуковой расходомер
где WiW_iWi — весовой коэффициент каждого акустического тракта, а его значение зависит от принятого алгоритма интегрирования.
Рис.. 2.12 Многоходовой объемный расходомер-уравнение расхода-расхода-ультразвуковой расходомер, как он работает
Теоретически, чем больше акустических путей, тем выше должна быть точность измерения. Однако практический опыт показал, что когда количество акустических путей по поперечному сечению-достигает четырех, дальнейшее увеличение количества путей очень мало способствует повышению точности, но при этом значительно увеличивает стоимость производства.
Анализ факторов, влияющих на ультразвуковое измерение расхода газа
В соответствии с формулами расчета -скорости и расхода- расхода газовых ультразвуковых расходомеров скорость потока или расход связана с несколькими аспектами, такими как геометрические параметры измерительной трубы, поправочный коэффициент -скорости потока (или весовой коэффициент) и измеренные значения времени распространения ультразвука. Следующий анализ проводится с учетом этих аспектов.
Коррекция коэффициента скорости-потока и повышение точности измерений
В вышеупомянутом ультразвуковом расходомере газа-по времени прохождения исследование основано на идеальном состоянии, в котором средняя скорость по траектории-равномерно распределена по поперечному сечению-трубы. В практических ситуациях из-за неравномерного-распределения скорости жидкости по поперечному сечению-трубы скорость, полученная расчетным путем, на самом деле представляет собой усредненную скорость по траектории-в направлении распространения ультразвука и осевом направлении, полученную на основе измеренной разницы во времени прохождения ультразвука-. Окончательный расчет объемного расхода неизбежно приведет к ошибкам. Чтобы обеспечить точность измерений, необходимо определить взаимосвязь между ними и скорректировать фактическую измеренную скорость, используя принципы механики жидкости-; то есть при измерении объемным расходомером вводится поправочный коэффициент K-расхода.
Из-за сложности состояний потока жидкости-в трубопроводах результирующие распределения скоростей также являются сложными. Текущие исследования в основном ограничиваются распределением скорости в идеальных условиях, то есть распределением скорости при ламинарном течении и полностью развитом турбулентном течении в гладких трубах. Ламинарный поток и турбулентный поток являются двумя основными состояниями потока жидкостей в трубах. Ламинарный поток относится к состоянию, в котором частицы жидкости не имеют поперечного движения и рассматривается только осевое движение; Турбулентный поток относится к состоянию, в котором частицы жидкости совершают как осевое, так и поперечное движение. Поскольку характеристики потока различаются в разных состояниях потока в трубопроводе, получаются разные распределения скорости.
На характеристики потока жидкости совместно влияют средняя скорость в трубе, кинематическая вязкость и диаметр трубы, а число Рейнольдса ReReRe является важным показателем для оценки состояния потока. Когда Ре<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 жидкость начинает переходить в турбулентное состояние, и эту переходную область обычно также рассматривают как турбулентный поток.
Часто задаваемые вопросы
Что такое ультразвуковой расходомер газа-времени прохождения?
Ультразвуковой расходомер газа-по времени прохождения измеряет расход газа, посылая ультразвуковые импульсы как вниз по потоку, так и вверх по потоку и рассчитывая скорость потока по разнице времени их прохождения.
В чем разница между одноходовыми и многоходовыми ультразвуковыми расходомерами?
В расходомере с одним-путем используется одна пара датчиков и один акустический путь, а в расходомере с несколькими-путями используются несколько акустических путей на разной высоте или под разными углами, чтобы лучше фиксировать профиль скорости и повысить точность.
Зачем нужен поправочный коэффициент-скорости потока?
Поскольку распределение скорости в трубе не является совершенно равномерным, скорость, измеренная вдоль одного акустического пути, не равна средней скорости в поперечном-сечении. Поправочный коэффициент связывает эти два фактора.
Какие факторы влияют на точность ультразвукового измерения расхода газа?
Ключевые факторы включают искажение профиля скорости, условия установки, число Рейнольдса, состав газа и скорость звука, изменения температуры и давления, а также ошибки обработки сигналов.
