Principio de funcionamiento y calibración del caudalímetro ultrasónico

Un medidor de flujo ultrasónico es un medidor de flujo de tipo velocidad que utiliza pulsos ultrasónicos para medir el flujo de fluido. Cuenta con una operación sin contacto, un amplio rango de medición, fácil portabilidad e instalación, fuerte adaptabilidad a los diámetros de tubería, facilidad de uso y facilidad de digitalización. Es ampliamente utilizado para la medición in situ de la velocidad y el flujo del gas y del fluido. Este artículo presenta los principios de diseño de los caudalímetros ultrasónicos más utilizados, analiza y evalúa la incertidumbre de medición de sus errores de medición y analiza los métodos para mejorar la precisión de la medición en el sitio.

I. Principio de medición de los caudalímetros ultrasónicos

El principio de funcionamiento de un medidor de flujo ultrasónico se muestra en la Figura 1. Se instalan dos sondas ultrasónicas: el transductor A aguas abajo transmite señales de pulso ultrasónicas y el transductor B aguas arriba las recibe. Los transductores se montan utilizando el método de abrazadera externa Z, uno a cada lado de una tubería de fluido a una distancia especificada. El diámetro interno de la tubería es D, la velocidad ultrasónica aguas abajo es V y el ángulo θ entre la dirección de propagación ultrasónica y la dirección del flujo del fluido es θ.

2. Análisis de incertidumbre de medición

El caudal del fluido según la fórmula (3) consta de cuatro partes: el diámetro interior de la tubería D, la velocidad teórica del sonido C en el fluido medido, la tangente del ángulo de refracción de ondas sonoras tanθ, Y la diferencia de tiempo Δt entre el flujo hacia adelante e inverso del fluido que pasa a través del transductor AB. Su análisis de incertidumbre de medición es el siguiente.

1. Evaluación de la incertidumbre introducida por la repetibilidad de la medición del diámetro interior de la tubería d

Según el estándar **, el diámetro nominal de la tubería D y el espesor de la tubería S son solo dimensiones nominales aproximadas. El diámetro exterior de la tubería D y el grosor de las tuberías se deben medir cada vez. Por lo tanto, esta incertidumbre tiene dos componentes, a saber, la repetibilidad de medición del objeto medido y la incertidumbre de medición del instrumento de medición utilizado en el sitio. De acuerdo con nuestra experiencia real de medición in situ, la incertidumbre de medición del diámetro interior de la tubería d es generalmente Urel (d) = 0.5% (k = 2); por lo tanto, la incertidumbre estándar introducida por la medición del diámetro interior de la tubería d es:

Urel (d) = Urel (D)/k = 0.5% / 2 = 0.25%

2. Evaluación de la incertidumbre introducida por la medición de la velocidad del sonido del fluido C, Urel (C)

Según los datos técnicos, esta incertidumbre se evalúa como Clase B. La incertidumbre de la medición de la velocidad del sonido en el fluido medido es:

Urel(C) = 0.6% (k = 2). Esto se puede citar directamente:

Urel (C) = Urel (C) / k = 0.6% / 2 = 0.3%

3. Incertidumbre introducida por la repetibilidad de la medición de la distancia L entre los transductores A y B

Evaluación de la incertidumbre de Urel (L) la incertidumbre de medición de la distancia l entre el transductor A aguas abajo y el transductor B aguas arriba tiene dos componentes: la repetibilidad de medición del objeto medido y la incertidumbre de medición del instrumento de medición utilizado en el sitio. Según nuestra experiencia real de medición de campo, la incertidumbre estándar introducida por la medición de la distancia L la repetibilidad de entre los transductores A y B es La incertidumbre es generalmente

Urel (L) = 0.6% (k = 2): 14> <13 Urel(l) = s/k = 0.5%/2 = 0.25%

4. Introducción a la diferencia horaria Δt entre el flujo de avance y contracorriente a través de los transductores AB

Evaluación de la incertidumbre u(Δt) la diferencia de tiempo Δt entre el flujo de avance y contracorriente a través de los transductores AB en un medidor de flujo ultrasónico se mide restando el tiempo t1 del pulso transmitido desde el transductor A a B en la dirección de flujo hacia adelante y T2 de el pulso transmitido de B a A en la dirección de contracorriente (Véase la figura 1). De acuerdo con la fórmula (1), sus componentes de incertidumbre están determinados principalmente por la distancia L entre el transductor A aguas abajo y el transductor B aguas arriba, el diámetro interior de la tubería D, Y la velocidad del sonido C en el fluido medido. La precisión de medición del tiempo y la frecuencia es la más alta entre todas las disciplinas de medición. El error causado por la medición de la sincronización del pulso del medidor de flujo ultrasónico puede ignorarse. La distancia l, el diámetro interior d de la tubería y la velocidad del sonido C en el fluido medido se incluyen en otros componentes de incertidumbre. Por lo tanto, la incertidumbre u (Δt) introducida por la diferencia de tiempo Δt entre los fluidos aguas arriba y aguas abajo que pasan a través de los transductores AB puede ignorarse.

III. Métodos para mejorar la precisión de la medición de campo de los caudalímetros ultrasónicos

En las mediciones de campo, el primer paso es realizar un análisis exhaustivo de varios factores. Todos estos factores tienen un cierto impacto en los resultados de la medición final, como se muestra a continuación.

1. El impacto de la incertidumbre en la velocidad del sonido C y los métodos empíricos para mejorar la precisión de la medición de campo

Antes de que comiencen las mediciones de campo, se debe proporcionar el medio medido. Si el medio es un gas, se debe proporcionar la composición de gas específica, la temperatura de funcionamiento y la presión de funcionamiento. La velocidad del sonido ultrasónico se puede obtener consultando los estándares relevantes utilizando la información anterior. La influencia de la velocidad del sonido C del medio de trabajo en el medidor de flujo ultrasónico tendrá menos impacto en los resultados de la medición. Si el medio es un líquido, se debe proporcionar el nombre líquido específico, la presión de funcionamiento, la temperatura de funcionamiento, la presión de funcionamiento y la presencia de partículas suspendidas en el líquido. La Configuración de la velocidad del sonido debe tener en cuenta los efectos de la temperatura. La velocidad del sonido de las soluciones acuosas es mayor que la del agua, y para la mayoría de los fluidos, cuanto mayor es la temperatura, más rápida es la velocidad del sonido. Cuando hay muchas partículas en el fluido (pero dentro del rango de medición), Hay dos enfoques: 1. Partículas distribuidas uniformemente. En este caso, la señal es relativamente estable, lo que dificulta su detección mediante la medición. El medio medido debe proporcionar la causa y el tipo de partículas. Una vez que se conoce el tipo de partícula, la velocidad del sonido del fluido se puede ajustar adecuadamente y la calidad de la señal se puede comparar para obtener resultados de medición más precisos. ② En el caso de partículas desiguales, la intensidad de la señal fluctuará significativamente. En este caso, el mejor enfoque es medir durante un largo período de tiempo y promediar las lecturas en varios puntos con buena calidad de señal.

2. Distancia l entre los transductores A y B y el diámetro interior de la tubería d

El impacto de la repetibilidad de la medición y los métodos para mejorar la precisión de la medición in situ: al seleccionar la tubería de medición, elija una sección recta y estable del medio de trabajo, lejos de la válvula de la estación de bomba. Si el medio en la tubería es líquido, también seleccione una sección de tubería que sea menos probable que cause sedimentación en la parte inferior y acumulación de aire en la parte superior. Inicialmente, medir con la sonda instalada verticalmente, luego horizontalmente. Si la diferencia entre las dos mediciones está dentro del error máximo permitido del medidor de flujo ultrasónico, con otros parámetros sin cambios, proceda a la siguiente medición después de la configuración de parámetros adicionales. De lo contrario, vuelva a seleccionar la tubería para la medición (si la diferencia entre las dos mediciones excede el error permitido del medidor de flujo ultrasónico, indica que la sección de la tubería no está llena con el medio de trabajo).

Al configurar los parámetros detallados para la siguiente medición, los principales factores que afectan la precisión de la medición son la distancia l entre los transductores A y B y el diámetro interior de la tubería D. La distancia L generalmente se mide con una regla de acero o un calibrador Vernier basado en la distancia L. Para medir el diámetro interior d de la tubería, Un calibrador vernier se puede utilizar directamente cuando el diámetro exterior de la tubería es pequeño. Para tuberías más grandes, es mejor usar una regla de acero de precisión para medir la circunferencia y luego calcular el diámetro. Al medir tuberías con depósitos internos severos y incrustaciones, se pueden aumentar los parámetros de la pared de la tubería y se puede disminuir la velocidad del sonido de la pared. Al medir tuberías con corrosión interna severa, los parámetros S de la pared de la tubería se pueden disminuir, pero la velocidad del sonido de la pared permanece sin cambios.

Basado en el principio de los caudalímetros ultrasónicos de tiempo de tránsito, este documento analiza y evalúa la incertidumbre de medición de los errores del medidor de flujo ultrasónico. Basándonos en los años de experiencia de nuestro Instituto en pruebas de campo de caudalímetros ultrasónicos, proponemos y explicamos varios puntos clave para mejorar la precisión de la medición de campo de los caudalímetros ultrasónicos.

Ethan Liu

Ethan Liu es el especialista en contenido técnico de JUJEA, que traduce conceptos complejos de integración de sensores y automatización industrial en conocimientos prácticos para ingenieros, integradores de sistemas, profesionales de adquisiciones y tomadores de decisiones en todo el mundo.