Марущенко С. Н.

Национальный аэрокосмический университет имени Н. Е. Жуковского «Харьковский авиационный институт», Украина

АНАЛИЗ ПРИЧИН ЗАВИСИМОСТИ ТОЧНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ

ОТ СТЕПЕНИ ДЕФОРМИРОВАННОСТИ ПРОФИЛЯ СКОРОСТЕЙ ПОТОКА ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ УЛЬТРАЗВУКОВОГО РАСХОДОМЕРА ГАЗА

 

В общем случае ультразвуковой расходомер ( УЗР ) представляет собой участок трубопровода, с установленной на него парой пьезоэлектрических приемопередатчиков ( ПЭП ) называемой каналом зондирования (рис. 1). ПЭП поочередно посылают друг другу зондирующие импульсы и, на основании данных о времени распространения звукового колебания вдоль и против направления потока, производится расчет скорости движения вещества в трубопроводе.

 

Рис. 1 . Принципиальная схема ультразвукового расходомера

 

В общем случае расход Q через сечение трубопровода определяется зависимостью:

,                                                        (1)

где   S – площадь поперечного сечения трубопровода;

  – скорость потока, усредненную по сечению всего расходомерного участка.

Однако стоит отметить, что, при использовании УЗР , скорость измеряемая парой ПЭП фактически является средней скоростью, усредненной по длине канала зондирования , (т.е. точкой на кривой   (р ис . 2 а ) а не по всему сечению расходомерного участка   (рис. 2 б) .

Рис. 2. Реальное распределение скоростей потока по диаметру трубопровода     – а)

и физический смысл скорости потока, усредненной по всему сечению мерного участка – б)

 

Низкая репрезентативность измеренной скорости   видна из рис. 3: величина d численно равняется диаметру рабочей части примененного ПЭП и, в зависимости от конкретной модели, составляет 1- 2 см . Таким образом, если принять критерием репрезентативности коэффициент   , то, к примеру, для случая расходомера с внутренним диаметром D = 100 мм и диаметром ПЭП d = 10 мм , коэффициент w = 0,19.

С увеличением диаметра трубопровода репрезентативность измерения, определяемая коэффициентом w , будет снижаться ввиду неизменности параметра d , являющегося, по сути, диаметром примененного ПЭП . Следствием низкой репрезентативности метода является основной недостаток устройств данного типа – зависимость точности измерений от симметричности профиля потока. Частично данная проблема решается применением четырех и более измерительных каналов, что позволяет снизить разброс случайных погрешностей измерения до величины ±0,3%   Однако этот способ не решает актуальной на сегодняшний день проблемы установки УЗР вблизи участков изменения конфигурации трубопровода (расширение, сужение, изгибов и т. д.) где профиль потока существенно деформирован и имеет трудно прогнозируемую форму.

 

Рис. 3. Схема мерного участка и привязка системы координат

 

Исходя из вышесказанного, следует, что для корректного определения расхода вещества первоочередную необходимость приобретает точность определения гидродинамического поправочного коэффициента k , связывающего среднюю скорость потока, усредненную по длине канала зондирования , расположенного между пьезодатчиками и скорость потока, усредненную по сечению расходомерного участка :

  .                                                                  (2)

Традиционно этот коэффициент вычисляется на основании различных законов распределения скоростей. Проблема состоит в том, что такой метод подходит лишь для случая «идеальной» трубы без изменения ее конфигурации, т. е. сужений, расширений, без наличия на расходомерном участке «карманов» около ультразвуковых датчиков и т. д. И на сегодняшний день наиболее рациональным способом определения поля скоростей в таких случаях является численное моделирование.