Pioneerinaultraäänivirtausmittari maakaasullemittausteollisuudessa viimeisten viiden vuoden aikana olemme havainneet, että kaupunkien kaasuputkiverkkojen jatkuvan laajentamisen ja kaasunmittauksen tarkkuusvaatimusten jatkuvan parantamisen myötä perinteiset mekaaniset kaasumittarit ovat vähitellen paljastaneet ongelmia, kuten voimakasta kulumista, rajoitettua kiertosuhdetta ja huonoa sopeutumiskykyä kaasun käyttöolosuhteisiin pitkän ajan -käytössä. Nämä ongelmat vaikeuttavat nykyaikaisten kaasunmittausten korkeaa tarkkuutta, älykkyyttä ja pitkää käyttöikää koskevien vaatimusten täyttämistä. Ultraäänimaakaasun virtausmittarit ovat vähitellen tulleet tärkeäksi valinnaksi kaasun virtausmittauksen alalla, koska niillä ei ole mekaanisia liikkuvia osia, suuri laskusuhde, alhainen painehäviö sekä helppous digitalisoida ja etäkommunikoida. Hankintahenkilöstön on tärkeää ymmärtää seuraava sisältö ennen päätöksentekoa.
Flow Velocity Distribution Research
Koska nesteen virtausnopeusjakauma putkilinjan sisällä vaikuttaa suoraan ultraäänisignaalien etenemisreittiin, epätasainen virtausnopeusjakauma aiheuttaa ultraäänisignaalien sirontaa ja vaimentamista eriasteisesti etenemisen aikana putkilinjassa, mikä johtaa ilmiöihin, kuten alhainen signaalin -/vastaanotetun kaikusignaalin{2}}vahvistuskohinasuhde. Siksi kaasun virtausnopeuden tasaisen jakautumisen varmistaminen putkilinjan sisällä on edellytys mittaustarkkuusvaatimusten saavuttamiselle.ultraäänikaasun virtausmittarit.
Normaaleissa olosuhteissa viskoosien voimien vaikuttava nestevirtaus voi tuottaa kaksi perusvirtausta (laminaarivirtaus ja turbulenttinen virtaus), jotka liittyvät myös tekijöihin, kuten virtaustilaan ja nesteen kinemaattiseen viskositeettiin, nesteen ominaisuuksiin ja putkilinjan parametreihin. Nämä kaksi virtausjärjestelmää erotetaan yleisesti Reynoldsin numerolla (Re).
Kun Re Less tai yhtä suuri kuin 2300, neste on laminaarivirtaustilassa. Tällä hetkellä viskoosin voiman vaikutus nestehiukkasiin on suurempi kuin inertiavoima, virtausjärjestelmä on suhteellisen vakaa ilman turbulentteja ilmiöitä, mutta olemassa on vain aksiaalisia nopeuskomponentteja. Nopeusjakauma on tasainen ja esittää parabolisen muodon. Virtausnopeus on pienempi lähellä pyöreää putken seinämää ja kasvaa vähitellen kohti putkilinjan keskustaa kuvan 3.29 nopeusprofiilin mukaisesti.
Virtausnopeus jokaisessa pyöreän putken pisteessä liittyy vain etäisyyteen r kyseisestä pisteestä putkilinjan akseliin, ja sen nopeuden jakautumislaki voidaan ilmaista seuraavasti:
jossa: vr on virtausnopeus etäisyydellä r putkilinjan akselista; v_m on virtausnopeus putkilinjan akselilla, joka on suurin virtausnopeus koko poikkileikkauksen{1}}poikki; R on putkilinjan säde.
Viivan-keskimääräisen nopeuden ja alueen-keskimääräisen nopeuden välinen suhde voidaan ilmaista käyttämällä vm:ää seuraavasti:
Ratkaisemalla yhtälöt (3.16) ja (3.17) samanaikaisesti, Reynoldsin korjauskerroin voidaan saada ja ilmaista seuraavasti:
Kun Re suurempi tai yhtä suuri kuin 4000, neste on pyörteisessä tilassa. Tällä hetkellä inertiavoiman vaikutus nestehiukkasiin on merkittävämpi, virtaustila on suhteellisen kaoottinen, aksiaaliset ja pitkittäiset nopeuskomponentit ovat olemassa samanaikaisesti, nopeusjakauma on epätasainen, turbulenttivastus kasvaa ja nopeusprofiili näkyy kuvassa 3.30.
Koska turbulenttisen virtauksen etenemisprosessista puuttuu asiaankuuluva teoria ja erityiset analyyttiset menetelmät, tutkimuksen edistämiseksi insinöörit käyttävät yleensä tehosarjoja laskeakseen likimääräisen nopeusjakauman pyöreissä putkissa turbulenteissa olosuhteissa, jotka voidaan ilmaista seuraavasti:
Missä: n:n arvo liittyy putkilinjan pinnan karheuteen ja Reynoldsin lukuun. Ihanteellisissa olosuhteissa, joissa putkilinjan sisäseinä on sileä, n:n ja Re:n välinen suhde voidaan ilmaista Prandtlin kaavalla seuraavasti:
Toisin sanoen kun Reynoldsin luku tunnetaan, voidaan laskea n:n arvo ja siten määrittää kuvan 3.30 turbulenttisen nopeuden jakautumiskäyrä. Viivan-keskimääräisen nopeuden ja alueen-keskimääräisen nopeuden välinen suhde voidaan ilmaista käyttämällä v_m:tä seuraavasti:
Ratkaisemalla yhtälöt (3.21) ja (3.22) samanaikaisesti, Reynoldsin korjauskertoimen ja n:n välinen suhde voidaan saada seuraavasti:
Täysin kehittyneessä turbulentissa putkilinjassa Reynoldsin korjauskertoimen ja Re:n välinen suhde voidaan ilmaista seuraavasti:
Käytännön tekniikan huomioita
Kaikki yllä olevat kaavat perustuvat keskusteluihin, jotka on suoritettu olosuhteissa, joissa ei ole muita häiritseviä tekijöitä ja riittävät suorit putkipituudet ennen ja jälkeen mittausputkiston. Kuitenkin varsinaisissa suunnittelusovelluksissa tekijät, kuten anturin asennusmenetelmä, ylävirran venttiilit ja mutkat ennen ja jälkeen mittausputkistoa, aiheuttavat kaikki poikkeamia sisäisessä virtausnopeuden jakaumassa, mikä vaikeuttaa sen soveltamista varsinaisissa mittausprosesseissa. Siksi virtauskanavan sisällä tasaisen virtausnopeuden jakautumisen tutkimus on erittäin tärkeää.
Ultraääni maakaasun virtausmittarin rakennesuunnittelu
Maakaasun ultraäänivirtausmittari on laite, joka mittaa kaasun virtausta ultraäänitekniikalla. Sen rakennesuunnittelu- ja simulointitutkimus sisältää useita näkökohtia, kuten anturisuunnittelun, nesteen dynamiikan ja akustisen etenemisen. Täydellinenkaasun ultraäänivirtausmittarisisältää virtauskanavat, muuntimet ja mittauspiirit. Tämä järjestelmä suorittaa mittauspiirin ja ohjelmasuunnittelun olemassa olevien virtauskanavien ja muuntimien perusteella.
Anturin suunnittelu ja asennus
Ultraääni maakaasun virtausmittareissa on tyypillisesti kaksi anturia: lähetin ja vastaanotin. Suunnitteluun on otettava huomioon muuntimen taajuus, teho ja käyttölämpötila-alue, jotta se mukautuu kaasun eri ominaisuuksiin. Anturin asennusasennolla on suuri vaikutus mittaustuloksiin. Tyypillisesti lähettimet ja vastaanottimet tulee sijoittaa symmetrisesti eri kohtiin putkilinjassa, jotta ultraäänisignaalien etenemisreitti pysyy mahdollisimman yhtenäisenä.
Nestekanavan suunnittelu
Kaasumittarin nestekanavaa suunniteltaessa on tarpeen tietää putkilinjan sisähalkaisija, jotta se vastaa kaasun virtausaluetta. Putkilinjan sisäpinnan tulee olla sileä nestevirtauksen häiriöiden vähentämiseksi. On myös tarpeen suunnitella virtauksen säätölaitteita sen varmistamiseksi, että nesteen nopeus on mitattavissa olevan alueen sisällä, jotta vältetään liian nopean tai hitaan virtausnopeuden vaikutus mittaukseen.
Ulkokuori ja kiinnitys
Ottaen huomioon työympäristön monimutkaisuuden, ulkovaippamateriaalien valinnassa keskitytään korroosion-kestäviä ja korkeita lämpötiloja-kestäviä-materiaaleja, kuten ruostumatonta terästä tai teknisiä muovia, jotka voivat suojata tehokkaasti sisäisiä elektronisia komponentteja ja muuntimia. Samaan aikaan tulee suunnitella luotettava kiinnitysmekanismi, joka varmistaa kaasumittarin vakauden korkean -paineen käyttöolosuhteissa. Kiinnityslaitteen tulee ottaa huomioon putkilinjan asennustila ja ympäristöolosuhteet.
Sähkö- ja signaalinkäsittely
Sähköisen ja signaalinkäsittelyn kannalta tehokkaan sähköliitäntäjärjestelmän suunnittelu on yhtä tärkeää, jotta varmistetaan vakaa signaalin lähetys ja käsittely, mukaan lukien ultraäänisignaalien vastaanotto, käsittely ja laskeminen. Ultraäänen etenemisaikaeron muuntamiseksi virtaustiedoiksi vastaavat algoritmit on suunniteltava erikseen.
Mittaustarkkuustekijät
Maakaasun ultraäänivirtausmittareiden mittaustarkkuus liittyy myös useisiin tekijöihin, kuten anturin laatuun, ympäristön lämpötilaan, kaasun virtausnopeuteen, kaasun koostumukseen ja paineeseen. Näistä maakaasun ultraäänivirtausmittareiden mittaustarkkuudella on vahva korrelaatio virtausnopeuden jakauman kanssa, mikä edellyttää, että nesteen jakautuminen mittausputkistossa voi heijastaa riittävästi virtausnopeutta virtauskanavan poikkileikkauksen{1}}poikki.
Tärkeimmät suunnittelunäkökohdat
Lisäksi seuraavat tekijät tulee ottaa huomioon maakaasun ultraäänivirtausmittarin virtauskanavien rakennesuunnittelussa:
(1) Ultraäänisignaalin amplitudin vaimennus virtauskanavassa virtausnopeuden muutosten aikana; (2) Nesteen virtausnopeuden muutosten tulisi vaikuttaa ultraäänisignaaleihin mahdollisimman merkittävästi järjestelmän mittaustarkkuuden parantamiseksi; (3) Mittausputken läpi kulkevan nesteen hetkellisen virtausnopeuden on täytettävä järjestelmän koko mittausalueen mittausvaatimukset.
Yhdistämällä yllä olevat tekijät suunniteltiin ja mallinnettiin ultraäänimaakaasun virtausmittarin virtauskanavamalli SpaceClaim-ohjelmistolla kuvan 3.31 mallin mukaisesti.
Kuva 3.31
Kaasumittarin virtauskanavan rakenne koostuu kahdesta osasta: kaasuputkeen yhdistävä osa on pyöreä putki, jonka mitat ovat identtiset kalvokaasumittareiden kanssa. Kun otetaan huomioon ultraäänisignaalien heijastusvaikutus ja virtausnopeuden jakautumisen korjauksen toteutus, virtausnopeuden mittausosa ottaa käyttöön suorakaiteen muotoisen virtauskanavarakenteen, jonka sisään on asennettu kolme virtauksen oikaisua. Oikaisusiivet ovat hyödyllisiä nesteen virtausnopeuden tasaisessa jakautumisessa. Samaan aikaan suorakaiteen muotoisen virtauskanavan sisähalkaisijan pieneneminen tarkoittaa, että samoissa tulovirtausnopeusolosuhteissa suorakulmaisen virtauskanavan hetkellinen virtausnopeus nopeutuu, siirtoaikaero kasvaa, mikä voi parantaa ultraäänimaakaasuvirtausmittarin virtauksen mittausresoluutiota. Mitä tulee pietsosähköisten muuntimien asennustapaan, etenemisreitin pituutta on pidennettävä mittaustarkkuuden varmistamiseksi maakaasun ultraäänivirtausmittarin pienissä virtauspisteissä. Reitin pituuden lisääntyminen aiheuttaa kuitenkin energiahäviön signaalin etenemisen aikana, mikä edellyttää tasapainoa järjestelmän mittaustarkkuuden ja signaalin vaimennusasteen välillä kahdesta näkökulmasta. AV--muotoinen asennusrakenne on otettu käyttöön, jolloin kaksi muuntajaa ovat symmetrisiä oikaisusiipien pituussuuntaisen keskilinjan suhteen.
Mesh-sukupolvi ja laatu
Ennen nestedynamiikan simulaation suorittamista ultraäänimaakaasuvirtausmittarin virtauskanavamallilla suoritetaan esikäsittely. Kun mallin korjaus ja yksinkertaistaminen on suoritettu kiinteän aineen saamiseksi, mallin sisäinen nestealue erotetaan ja verkko jaetaan. Verkkojaon laatu määrää suoraan myöhempien simulaatiotulosten luotettavuuden ja vakauden. Fluent-vesitiiviillä työnkulkua voidaan käyttää yllä olevan prosessin suorittamiseen asettamalla pintaverkon kokoalueeksi 0,1-4 mm, käyttämällä kahta aukon täyttökerrosta ja soveltamalla läheisyystunnistusta kiinteisiin rajoihin. Jaetun pintaverkon suurin vinous on 0,69, mikä tarkoittaa hyvää verkon laatua. Tältä pohjalta käytetään heksaedri-polyhedristä täyttötilavuusverkkoa, rajakerrokset lisätään nestealueelle ja tilavuusverkon lopullinen ortogonaalinen laatu saavuttaa 0,15. Yhdessä verkon riippumattomuuskokeiden kanssa mallin silmämääräksi on määritetty noin 1,2 miljoonaa. Tilavuusverkkojakauma on esitetty kuvassa 3.32.
Kuva 3.32
