Kao pioniri uultrazvučni mjerač protoka prirodnog plinaU mjernoj industriji, tijekom proteklih 5 godina otkrili smo da su kontinuiranim širenjem mreža gradskih plinovoda i stalnim poboljšanjem zahtjeva točnosti mjerenja plina, tradicionalni mehanički plinomjeri postupno izložili probleme poput ozbiljnog trošenja, ograničenog omjera smanjenja i slabe prilagodljivosti radnim uvjetima plina tijekom dugotrajnog-radnja. Ovi problemi otežavaju ispunjavanje zahtjeva modernog mjerenja plina za visokom preciznošću, inteligencijom i dugim vijekom trajanja. Ultrazvučni mjerači protoka prirodnog plina, zbog svojih prednosti jer nemaju mehaničke pomične dijelove, veliki omjer smanjenja tlaka, mali gubitak tlaka i jednostavnost digitalizacije i daljinske komunikacije, postupno su postali važan izbor u području mjerenja protoka plina. Za osoblje zaduženo za nabavu bitno je razumjeti sljedeći sadržaj prije donošenja odluka.
Istraživanje distribucije brzine protoka
Budući da raspodjela brzine protoka tekućine unutar cjevovoda izravno utječe na putanju širenja ultrazvučnih signala, ne-jednolika raspodjela brzine protoka uzrokovat će raspršivanje i slabljenje ultrazvučnih signala u različitim stupnjevima tijekom širenja u cjevovodu, što će rezultirati pojavama kao što je nizak omjer signala-i-šuma primljenih signala odjeka i velike amplitude prigušenje. Stoga je osiguranje ravnomjerne raspodjele brzine protoka plina unutar cjevovoda preduvjet za postizanje zahtjeva točnosti mjerenjaultrazvučni mjerači protoka plina.
U normalnim okolnostima, protok fluida pod utjecajem viskoznih sila može proizvesti dva osnovna režima protoka (laminarni protok i turbulentni protok), koji su također povezani s faktorima kao što su režim protoka i kinematička viskoznost fluida, karakteristike fluida i parametri cjevovoda. Ova dva režima protoka obično se razlikuju po Reynoldsovom broju (Re).
Kada je Re manji ili jednak 2300, tekućina je u stanju laminarnog toka. U to vrijeme utjecaj viskozne sile na čestice fluida je veći od inercijske sile, režim strujanja je relativno stabilan bez turbulentnih pojava, ali postoje samo aksijalne komponente brzine. Raspodjela brzine je ujednačena i ima parabolični oblik. Brzina protoka je manja u blizini stijenke kružne cijevi i postupno raste prema središtu cjevovoda, s profilom brzine prikazanim na slici 3.29.
Brzina protoka u svakoj točki u kružnoj cijevi povezana je samo s udaljenošću r od te točke do osi cjevovoda, a njen zakon raspodjele brzine može se izraziti kao:
Gdje je: vr brzina strujanja na udaljenosti r od osi cjevovoda; v_m je brzina protoka na osi cjevovoda, što je maksimalna brzina protoka kroz cijeli-presjek; R je radijus cjevovoda.
Odnos između-prosječne brzine po liniji i-prosječne brzine po površini može se izraziti pomoću vm kao:
Istodobnim rješavanjem jednadžbi (3.16) i (3.17) može se dobiti Reynoldsov korekcijski koeficijent i izraziti kao:
Kada je Re veće ili jednako 4000, tekućina je u turbulentnom stanju. U to vrijeme utjecaj inercijske sile na čestice tekućine je značajniji, režim strujanja je relativno kaotičan, aksijalna i uzdužna komponenta brzine postoje istovremeno, raspodjela brzine nije-jednolika, turbulentni otpor raste, a profil brzine prikazan je na slici 3.30.
Budući da proces širenja turbulentnog strujanja nema relevantnu teoriju i specifične analitičke metode, za daljnji napredak istraživanja, inženjeri obično koriste nizove snaga za približno izračunavanje raspodjele brzine u kružnim cijevima u turbulentnim uvjetima, što se može izraziti kao:
Gdje je: vrijednost n povezana je s hrapavošću površine cjevovoda i Reynoldsovim brojem. U idealnim uvjetima gdje je unutarnja stijenka cjevovoda glatka, odnos između n i Re može se izraziti Prandtlovom formulom kao:
To jest, kada je poznat Reynoldsov broj, vrijednost n se može izračunati, čime se određuje turbulentna krivulja distribucije brzine prikazana na slici 3.30. Odnos između linije-prosječne brzine i površine-prosječne brzine može se izraziti upotrebom v_m kao:
Rješavanjem jednadžbi (3.21) i (3.22) istovremeno, odnos između Reynoldsovog korekcijskog koeficijenta i n može se dobiti kao:
U potpuno razvijenom turbulentnom cjevovodu, odnos između Reynoldsovog korekcijskog koeficijenta i Re može se izraziti kao:
Praktična inženjerska razmatranja
Sve gornje formule temelje se na raspravama vođenim u uvjetima bez drugih ometajućih čimbenika i dovoljne duljine ravnih cijevi prije i poslije mjernog cjevovoda. Međutim, u stvarnim inženjerskim primjenama čimbenici kao što su način ugradnje sonde, uzvodni ventili i zavoji prije i poslije mjernog cjevovoda uzrokovat će odstupanja u unutarnjoj distribuciji brzine protoka, što otežava primjenu u stvarnim procesima mjerenja. Stoga je istraživanje ravnomjerne raspodjele brzina strujanja unutar protočnog kanala izuzetno važno.
Strukturni dizajn ultrazvučnog mjerača protoka prirodnog plina
Ultrazvučni mjerač protoka prirodnog plina je uređaj koji koristi ultrazvučnu tehnologiju za mjerenje protoka plina. Njegov strukturni dizajn i istraživanje simulacije uključuju višestruke aspekte, kao što su dizajn senzora, dinamika fluida i akustičko širenje. Potpunaultrazvučni mjerač protoka plinauključuje kanale protoka, pretvarače i mjerne krugove. Ovaj sustav izvodi mjerni krug i dizajn programa na temelju postojećih kanala protoka i pretvarača.
Projektiranje i ugradnja pretvarača
Ultrazvučni mjerači protoka prirodnog plina obično imaju dva pretvarača: odašiljač i prijamnik. Razmatranja dizajna uključuju frekvenciju, snagu i raspon radne temperature sonde za prilagodbu različitim karakteristikama plina. Položaj pretvornika ima važan utjecaj na rezultate mjerenja. Obično bi odašiljači i prijamnici trebali biti simetrično raspoređeni na različitim mjestima na cjevovodu kako bi se osiguralo da put širenja ultrazvučnih signala ostane što je moguće ujednačeniji.
Dizajn kanala za tekućinu
Prilikom projektiranja kanala tekućine plinomjera potrebno je znati unutarnji promjer cjevovoda kako bi odgovarao rasponu protoka plina. Unutarnja površina cjevovoda mora biti glatka kako bi se smanjilo ometanje protoka tekućine. Također je potrebno dizajnirati uređaje za regulaciju protoka kako bi se osiguralo da je brzina tekućine unutar mjerljivog raspona, izbjegavajući utjecaj pretjerano velike ili spore brzine protoka na mjerenje.
Vanjsko kućište i pričvršćivanje
Uzimajući u obzir složenost radnog okruženja, izbor materijala za vanjsko kućište usredotočen je na odabir materijala otpornih-na koroziju i visoke-temperature-, poput nehrđajućeg čelika ili inženjerske plastike, koji mogu učinkovito zaštititi unutarnje elektroničke komponente i pretvarače. U isto vrijeme, treba osmisliti pouzdani mehanizam za pričvršćivanje kako bi se osigurala stabilnost plinomjera pod visokim-tlačnim radnim uvjetima. Uređaj za pričvršćivanje treba uzeti u obzir prostor ugradnje i uvjete okoline cjevovoda.
Električna obrada i obrada signala
Što se tiče električne obrade i obrade signala, projektiranje učinkovitog sustava električne veze jednako je ključno za osiguravanje stabilnog prijenosa i obrade signala, uključujući prijem, obradu i proračun ultrazvučnih signala. Za pretvaranje vremenske razlike širenja ultrazvuka u podatke o protoku, odgovarajući algoritmi moraju biti dizajnirani zasebno.
Faktori točnosti mjerenja
Točnost mjerenja ultrazvučnih mjerača protoka prirodnog plina također je povezana s više čimbenika, kao što su kvaliteta senzora, temperatura okoline, brzina protoka plina, sastav plina i tlak. Među njima, točnost mjerenja ultrazvučnih mjerača protoka prirodnog plina ima snažnu korelaciju s distribucijom brzine protoka, zahtijevajući da distribucija tekućine u mjernom cjevovodu može adekvatno odražavati brzinu protoka kroz-presjek kanala protoka.
Ključna razmatranja dizajna
Osim toga, sljedeće čimbenike treba uzeti u obzir u konstrukcijskom dizajnu kanala protoka ultrazvučnog mjerača protoka prirodnog plina:
(1) Prigušenje amplitude ultrazvučnog signala u kanalu protoka tijekom promjena brzine protoka; (2) Na ultrazvučne signale treba utjecati što je moguće značajnije promjenama brzine protoka tekućine kako bi se poboljšala razlučivost mjerenja sustava; (3) Trenutna brzina protoka tekućine koja prolazi kroz mjerni cjevovod mora zadovoljiti zahtjeve sustava za mjerenje punog-raspona.
Kombinirajući gore navedene čimbenike, dizajnirani model protočnog kanala ultrazvučnog mjerača protoka prirodnog plina dizajniran je i modeliran pomoću softvera SpaceClaim, s modelom prikazanim na slici 3.31.
Slika 3.31
Dizajn protočnog kanala plinomjera sastoji se od dva dijela: dio koji se spaja na plinovod ima kružnu cijev, dimenzija identičnih onima membranskih plinomjera. Uzimajući u obzir efekt refleksije ultrazvučnih signala i implementaciju korekcije raspodjele brzine protoka, dio za mjerenje brzine protoka ima pravokutnu strukturu kanala protoka, s tri lopatice za izravnavanje protoka ugrađene unutra. Lopatice za ispravljanje korisne su za ravnomjernu raspodjelu brzine protoka tekućine. U isto vrijeme, smanjenje unutarnjeg promjera pravokutnog protočnog kanala znači da pod istim uvjetima ulazne brzine protoka, trenutna brzina protoka u pravokutnom protočnom kanalu postaje brža, razlika u vremenu prolaza se povećava, što može poboljšati rezoluciju mjerenja protoka ultrazvučnog mjerača protoka prirodnog plina. Što se tiče metode ugradnje piezoelektričnih pretvarača, kako bi se osigurala točnost mjerenja na malim točkama protoka ultrazvučnog mjerača protoka prirodnog plina, potrebno je produžiti duljinu putanje širenja. Međutim, povećanje duljine puta uzrokovat će gubitak energije tijekom širenja signala, zahtijevajući ravnotežu između točnosti mjerenja sustava i stupnja slabljenja signala s dva aspekta. Usvojena je instalacijska struktura u obliku AV-, s dva pretvarača simetrična u odnosu na uzdužnu središnju liniju lopatica za ravnanje.
Generiranje mreže i kvaliteta
Prije provođenja simulacije dinamike fluida, operacije predprocesiranja izvode se na modelu protočnog kanala ultrazvučnog mjerača protoka prirodnog plina. Nakon dovršetka popravka i pojednostavljenja modela kako bi se dobila čvrsta tvar, unutarnje fluidno područje modela se izdvaja i mreža se dijeli. Kvaliteta podjele mreže izravno određuje pouzdanost i stabilnost naknadnih rezultata simulacije. Vodonepropusni tijek rada Fluent može se koristiti za izvršenje gornjeg procesa, postavljanjem raspona veličine generiranja površinske mreže na 0,1-4 mm, korištenjem 2 sloja za popunjavanje praznina, primjenom otkrivanja blizine na čvrste granice. Maksimalna zakrivljenost mreže podijeljene površine je 0,69, što ukazuje na dobru kvalitetu mreže. Na temelju toga koristi se heksaedarska-poliedarska mreža volumena ispune, dodaju se granični slojevi u područje fluida, a konačna ortogonalna kvaliteta volumenske mreže doseže 0,15. U kombinaciji s eksperimentima neovisnosti mreže, utvrđeno je da je broj mreža modela oko 1,2 milijuna. Distribucija volumne mreže prikazana je na slici 3.32.
Slika 3.32
