Jako průkopníci vultrazvukový průtokoměr na zemní plynv oboru měření jsme za posledních 5 let zjistili, že s neustálým rozšiřováním sítí městských plynovodů a neustálým zlepšováním požadavků na přesnost měření plynu tradiční mechanické plynoměry postupně odhalovaly problémy, jako je silné opotřebení, omezený poměr ztlumení a špatná adaptabilita na provozní podmínky plynu během-dlouhodobého provozu. Tyto problémy ztěžují splnění požadavků moderního měření plynu na vysokou přesnost, inteligenci a dlouhou životnost. Ultrazvukové průtokoměry zemního plynu se díky svým výhodám, že nemají žádné mechanické pohyblivé části, velký převodový poměr, nízké tlakové ztráty a snadnost digitalizace a dálkové komunikace, postupně staly důležitou volbou v oblasti měření průtoku plynu. Je nezbytné, aby pracovníci nákupu porozuměli následujícímu obsahu, než učiní rozhodnutí.
Výzkum distribuce rychlosti proudění
Vzhledem k tomu, že rozložení rychlosti proudění tekutiny uvnitř potrubí přímo ovlivňuje cestu šíření ultrazvukových signálů, nerovnoměrná distribuce rychlosti proudění způsobí rozptýlení a zeslabení ultrazvukových signálů v různé míře během šíření potrubím, což má za následek jevy, jako je nízký signál-k{2}}šumu přijímaných signálů ozvěny a silný poměr amplitudy ozvěny Proto je zajištění rovnoměrného rozložení rychlosti proudění plynu uvnitř potrubí předpokladem pro dosažení požadavků na přesnost měřeníultrazvukové průtokoměry plynu.
Za normálních okolností může proudění tekutiny ovlivněné viskózními silami produkovat dva základní režimy proudění (laminární proudění a turbulentní proudění), které také souvisí s faktory, jako je režim proudění a kinematická viskozita tekutiny, charakteristiky tekutiny a parametry potrubí. Tyto dva režimy proudění se běžně rozlišují podle Reynoldsova čísla (Re).
Když je Re menší nebo rovno 2300, tekutina je ve stavu laminárního proudění. V tomto okamžiku je vliv viskózní síly na částice tekutiny větší než setrvačná síla, režim proudění je relativně stabilní bez turbulentních jevů, ale existují pouze složky axiální rychlosti. Rozložení rychlosti je rovnoměrné a má parabolický tvar. Rychlost proudění je menší v blízkosti kruhové stěny potrubí a postupně se zvyšuje směrem ke středu potrubí, přičemž profil rychlosti je znázorněn na obrázku 3.29.
Rychlost proudění v každém bodě kruhového potrubí souvisí pouze se vzdáleností r od tohoto bodu k ose potrubí a jeho zákon rozložení rychlosti lze vyjádřit jako:
Kde: vr je rychlost proudění ve vzdálenosti r od osy potrubí; v_m je rychlost proudění v ose potrubí, což je maximální rychlost proudění v celém průřezu-; R je poloměr potrubí.
Vztah mezi-průměrnou rychlostí čáry a{1}}průměrnou rychlostí plochy lze vyjádřit pomocí vm jako:
Současným řešením rovnic (3.16) a (3.17) lze získat Reynoldsův korekční koeficient a vyjádřit jej jako:
Když je Re větší nebo rovno 4000, tekutina je v turbulentním stavu. V této době je významnější vliv setrvačné síly na částice tekutiny, režim proudění je poměrně chaotický, axiální a podélná složka rychlosti existuje současně, rozložení rychlosti je nerovnoměrné, turbulentní odpor se zvyšuje a rychlostní profil je znázorněn na obrázku 3.30.
Protože proces šíření turbulentního proudění postrádá relevantní teorii a specifické analytické metody, pro další pokrok ve výzkumu inženýři běžně používají mocninné řady k přibližnému výpočtu rozložení rychlosti v kruhových potrubích za turbulentních podmínek, které lze vyjádřit jako:
Kde: hodnota n souvisí s drsností povrchu potrubí a Reynoldsovým číslem. Za ideálních podmínek, kdy je vnitřní stěna potrubí hladká, lze vztah mezi n a Re vyjádřit Prandtlovým vzorcem jako:
To znamená, že když je známo Reynoldsovo číslo, lze vypočítat hodnotu n, a tím určit křivku rozložení turbulentní rychlosti znázorněnou na obrázku 3.30. Vztah mezi-průměrnou rychlostí čáry a plošnou{2}}průměrnou rychlostí lze vyjádřit pomocí v_m jako:
Současným řešením rovnic (3.21) a (3.22) lze vztah mezi Reynoldsovým korekčním koeficientem an získat jako:
V plně vyvinutém turbulentním potrubí lze vztah mezi Reynoldsovým korekčním koeficientem a Re vyjádřit jako:
Praktické technické úvahy
Všechny výše uvedené vzorce jsou založeny na diskuzích vedených za podmínek bez dalších rušivých faktorů a dostatečných přímých délek potrubí před a za měřicím potrubím. Ve skutečných strojírenských aplikacích však faktory, jako je způsob instalace převodníku, ventily proti proudu a kolena před a za měřicím potrubím, způsobí odchylky ve vnitřní distribuci rychlosti proudění, což znesnadní použití ve skutečných měřicích procesech. Proto je nesmírně důležitý výzkum rovnoměrného rozložení rychlosti proudění uvnitř průtokového kanálu.
Konstrukce ultrazvukového průtokoměru zemního plynu
Ultrazvukový průtokoměr zemního plynu je zařízení, které využívá ultrazvukovou technologii k měření průtoku plynu. Jeho konstrukční návrh a simulační výzkum zahrnují různé aspekty, jako je návrh senzoru, dynamika tekutin a šíření zvuku. Kompletníultrazvukový průtokoměr plynuzahrnuje průtokové kanály, převodníky a měřicí obvody. Tento systém provádí návrh měřicího obvodu a programu na základě existujících průtokových kanálů a převodníků.
Návrh a instalace převodníku
Ultrazvukové průtokoměry zemního plynu mají obvykle dva převodníky: vysílač a přijímač. Konstrukční úvahy zahrnují frekvenci, výkon a rozsah provozních teplot převodníku pro přizpůsobení různým charakteristikám plynu. Instalační poloha snímačů má důležitý vliv na výsledky měření. Typicky by vysílače a přijímače měly být symetricky uspořádány v různých pozicích na potrubí, aby se zajistilo, že cesta šíření ultrazvukových signálů zůstane co nejrovnoměrnější.
Design fluidního kanálu
Při návrhu kapalinového kanálu plynoměru je nutné znát vnitřní průměr potrubí, aby odpovídal rozsahu průtoku plynu. Vnitřní povrch potrubí by měl být hladký, aby se snížilo narušení proudění tekutiny. Je také nutné navrhnout zařízení pro regulaci průtoku, aby se zajistilo, že rychlost tekutiny bude v měřitelném rozsahu, čímž se zabrání vlivu příliš rychlé nebo pomalé rychlosti proudění na měření.
Vnější obal a fixace
S ohledem na složitost pracovního prostředí se výběr materiálů vnějšího pláště zaměřuje na výběr materiálů odolných proti korozi-a vysokým{1}}teplotám-, jako je nerezová ocel nebo technické plasty, které mohou účinně chránit vnitřní elektronické součástky a převodníky. Zároveň by měl být navržen spolehlivý upevňovací mechanismus, který zajistí stabilitu plynoměru za vysokých-pracovních podmínek. Upevňovací zařízení by mělo vzít v úvahu instalační prostor a podmínky prostředí potrubí.
Elektro a zpracování signálů
Pokud jde o elektrické a signálové zpracování, návrh účinného elektrického spojovacího systému je stejně zásadní pro zajištění stabilního přenosu a zpracování signálu, včetně příjmu, zpracování a výpočtu ultrazvukových signálů. K převodu časového rozdílu šíření ultrazvuku na data průtoku je třeba samostatně navrhnout odpovídající algoritmy.
Faktory přesnosti měření
Přesnost měření ultrazvukových průtokoměrů zemního plynu také souvisí s mnoha faktory, jako je kvalita senzoru, okolní teplota, rychlost proudění plynu, složení plynu a tlak. Mezi nimi má přesnost měření ultrazvukových průtokoměrů zemního plynu silnou korelaci s distribucí rychlosti proudění, což vyžaduje, aby distribuce tekutiny v měřicím potrubí mohla adekvátně odrážet rychlost proudění napříč průřezem- průtokového kanálu.
Klíčové aspekty návrhu
Kromě toho by měly být při konstrukčním návrhu průtokových kanálů ultrazvukového průtokoměru zemního plynu zohledněny následující faktory:
(1) Útlum amplitudy ultrazvukového signálu v průtokovém kanálu během změn rychlosti proudění; (2) Ultrazvukové signály by měly být co nejvýrazněji ovlivněny změnami rychlosti proudění tekutiny, aby se zlepšilo rozlišení měření systému; (3) Okamžitá rychlost proudění tekutiny procházející měřicím potrubím musí splňovat požadavky systému na měření v plném rozsahu-.
Kombinací výše uvedených faktorů byl navržený model průtokového kanálu ultrazvukového průtokoměru zemního plynu navržen a modelován pomocí softwaru SpaceClaim s modelem znázorněným na obrázku 3.31.
Obrázek 3.31
Provedení průtokového kanálu plynoměru se skládá ze dvou částí: část napojující se na plynovod má kruhové potrubí s rozměry stejnými jako u membránových plynoměrů. S ohledem na odrazový efekt ultrazvukových signálů a implementaci korekce distribuce rychlosti proudění využívá část pro měření rychlosti proudění pravoúhlou strukturu průtokového kanálu se třemi nainstalovanými lopatkami pro narovnávání proudění. Rovnací lopatky jsou výhodné pro rovnoměrné rozložení rychlosti proudění tekutiny. Současně zmenšení vnitřního průměru obdélníkového průtokového kanálu znamená, že za stejných podmínek vstupní rychlosti průtoku se okamžitá rychlost průtoku v obdélníkovém průtokovém kanálu zrychlí, zvýší se rozdíl doby průchodu, což může zlepšit rozlišení měření průtoku ultrazvukového průtokoměru zemního plynu. Pokud jde o způsob instalace piezoelektrických snímačů, pro zajištění přesnosti měření v malých bodech průtoku ultrazvukového průtokoměru zemního plynu je třeba prodloužit délku dráhy šíření. Zvětšení délky cesty však způsobí ztrátu energie během šíření signálu, což vyžaduje rovnováhu mezi přesností měření systému a stupněm útlumu signálu ze dvou hledisek. Je použita instalační struktura ve tvaru AV{6}} se dvěma měniči symetrickými podle podélné středové osy vyrovnávacích lopatek.
Generování a kvalita sítě
Před provedením simulace dynamiky tekutin jsou provedeny operace předběžného zpracování na modelu průtokového kanálu ultrazvukového průtokoměru zemního plynu. Po dokončení opravy a zjednodušení modelu za účelem získání pevné látky se vnitřní tekutinová oblast modelu extrahuje a síť se rozdělí. Kvalita dělení sítě přímo určuje spolehlivost a stabilitu následných výsledků simulace. Vodotěsný pracovní postup Fluent lze použít k provedení výše uvedeného procesu, nastavením rozsahu velikosti generování povrchové sítě na 0,1-4 mm, s použitím 2 vrstev vyplňujících mezery, s použitím detekce přiblížení na pevné hranice. Maximální šikmost sítě děleného povrchu je 0,69, což ukazuje na dobrou kvalitu sítě. Na tomto základě se používá hexaedral-polyedral fill volume mesh, do fluidní oblasti jsou přidány mezní vrstvy a výsledná ortogonální kvalita objemové sítě dosahuje 0,15. V kombinaci s experimenty nezávislosti sítě je počet ok modelu stanoven na přibližně 1,2 milionu. Rozložení objemové sítě je znázorněno na obrázku 3.32.
Obrázek 3.32
