Unter einem Gas-Ultraschall-Durchflussmesser versteht man einen Durchflussmesser, der an einer Rohrleitung mit strömendem Gas installiert wird und den Gasdurchfluss mittels Ultraschallprinzip misst. Ein Gas-Ultraschall-Durchflussmesser mit einem einzigen Pfad bezieht sich auf ein Gerät, das nur mit einem akustischen Pfad ausgestattet ist, während ein Ultraschall-Gas-Durchflussmesser mit zwei oder mehr akustischen Pfaden als Mehrpfad-Ultraschall-Gas-Durchflussmesser bezeichnet wird.
Wie funktioniert ein Ultraschall-Durchflussmesser? Das Grundprinzip der Messung der Strömungsgeschwindigkeit mit einem Gas-Ultraschall-Durchflussmesser besteht darin, die Strömungsgeschwindigkeit, Durchflussrate, Dichte und andere Parameter der Gasflüssigkeit durch Messung der Ausbreitungszeit von Ultraschallwellen im gasförmigen Medium zu berechnen. In diesem Kapitel werden hauptsächlich das Funktionsprinzip der Laufzeit-Ultraschall-Durchflussmessung und die Faktoren analysiert, die die Durchflussmessung beeinflussen. Außerdem werden Simulationsstudien zur Verbesserung der Durchfluss-{2}Messgenauigkeit durchgeführt, um Vorbereitungen für die Untersuchung von Mehrweg-Gas-Ultraschall-Durchflussmessmethoden und Mechanismusmodellierung zu treffen.
Analyse des Funktionsprinzips der Laufzeit-Ultraschall-Gasdurchflussmessung
Bei der Laufzeit-Ultraschall-Gasströmungsmessung{{1} handelt es sich um eine Methode zur Messung des Gasströmungs-, bei der über die gleiche Weglänge des Gases die Laufzeitdifferenz zwischen zwei Ultraschallsignalen, die sich stromabwärts und stromaufwärts bewegen, verwendet wird, um die durchschnittliche Gasströmungsgeschwindigkeit entlang des akustischen Pfades zu bestimmen. Wenn sich Ultraschallwellen in einem strömenden gasförmigen Medium ausbreiten, variiert ihre Ausbreitungsgeschwindigkeit mit der Gasströmungsgeschwindigkeit.
Genauer gesagt ändert sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Ultraschallwellen in die gleiche Richtung wie die Gasströmungsgeschwindigkeit: Wenn die Gasströmungsgeschwindigkeit zunimmt, nimmt auch die Geschwindigkeit der Ultraschallwelle, die sich in derselben Richtung ausbreitet, entsprechend zu; Wenn umgekehrt die Gasströmungsgeschwindigkeit entgegen der Ausbreitungsrichtung des Ultraschalls zunimmt, nimmt die Ultraschallgeschwindigkeit entsprechend ab.
Grundstruktur eines Ultraschallrohr--Durchflusssensors
Wie in Abb.. 2.1 dargestellt, sind zwei Ultraschallwandler, die Ultraschallimpulse sowohl senden als auch empfangen können (sogenannte Sonden oder Wandler), auf einer oder beiden Seiten der Rohrleitung eingebettet. Der eigentliche Weg des Ultraschallsignals zwischen Sende- und Empfangswandler wird akustischer Weg genannt; Somit bildet ein Wandlerpaar einen akustischen Pfad. Zwischen den Wandlern und dem flüssigen Medium ist eine schallübertragende Membran oder ein Abschnitt einer akustischen Wellenleiterwand angeordnet. Bei einem Einpfad-Ultraschalldurchflussmesser schneidet die Wellenleiterlinie zwischen den beiden Ultraschallwandlern die Achse des Instruments.
Abb. 2.1 Schematische Darstellung des Prinzips der Laufzeit-Ultraschall-Durchflussmessung
Wie in Abb. 2.1 gezeigt, beträgt der Rohrdurchmesser D. Der geradlinige Abstand zwischen den Endflächen der auf beiden Seiten der Rohrleitung eingebetteten Wandler A und B ist die akustische{3}}Weglänge L (auch akustischer Abstand L genannt) und ihre Beziehung zum Durchmesser D beträgt
Abb. 2.1 Geometrische Beziehung zwischen akustischer-Weglänge und Rohrdurchmesser-Laufzeit-Ultraschall-Durchflussmesser
Dabei ist φ der Neigungswinkel des Schallpfades, also der Winkel zwischen dem Schallpfad und der Rohrachse. Der Neigungswinkel des akustischen Pfades ist gleichzeitig der Einfallswinkel der Ultraschallwelle. Der Einfallswinkel φ wird von der Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit sowie von der Schallgeschwindigkeit im Keil und im Rohrwandmaterial beeinflusst.
Im Allgemeinen ist die Änderung der Schallgeschwindigkeit mit der Temperatur in festen Materialien geringer als in gasförmigen Materialien. Wenn die Temperaturschwankung nicht groß ist, kann der Einfluss der Keil- und Rohrwandmaterialien auf die Messgenauigkeit vernachlässigt werden; Wenn der Temperaturschwankungsbereich jedoch groß ist, muss die große Änderung der Schallgeschwindigkeit in den Keil- und Rohrwandmaterialien korrigiert werden.
Bei einem Wandler mit einem Einfallswinkel von 30 Grad ist der Transmissionskoeffizient relativ hoch, der Energieverlust gering und die erforderliche Erregerspannung niedrig. Ein solcher Wandler eignet sich für tragbare Ultraschall-Durchflussmesser, die für die Verwendung einer Wechselstromversorgung nicht geeignet sind. Ein Wandler mit einem Einfallswinkel von 45 Grad hat einen relativ niedrigen Transmissionskoeffizienten, kann jedoch einen größeren Wandlerchip und eine höhere Erregerspannung verwenden und eignet sich daher für stationäre Ultraschall-Durchflussmesser oder solche, die eine Wechselstromversorgung verwenden können.
Funktionsprinzip der Transitzeit-Ultraschall-Gasdurchflussmessung
Die Laufzeit-Ultraschall-Gasflussmesstechnik-bestimmt die axiale durchschnittliche Strömungsgeschwindigkeit Vz auf der Ebene, die durch den akustischen Pfad und die Achse gebildet wird, indem sie den Zeitunterschied zwischen Ultraschallwellen misst, die sich stromabwärts und stromaufwärts im gasförmigen Medium ausbreiten. Die Laufzeiten von Ultraschallwellen unterscheiden sich in Abwärts- und Aufwärtsrichtung. Die Downstream-Transitzeit beträgt:
Abb. 2.2 Downstream-Ultraschalltransit-Zeitgleichung
und die Upstream-Transitzeit beträgt
Abb. 2.3 Upstream-Ultraschalltransit-Zeitgleichung
wobei C die Schallgeschwindigkeit der Ultraschallwellen im stationären Messmedium, also die Schallgeschwindigkeit, ist; Vz ist die durchschnittliche Strömungsgeschwindigkeit des Fluids in axialer Richtung auf der Ebene, die durch den Ultraschallpfad und die Rohrachse gebildet wird, auch Pfad-gemittelte Geschwindigkeit genannt.
Wenn der Einfluss von Schallgeschwindigkeitsschwankungen aufgrund der internen Rohrumgebung nicht berücksichtigt wird, lautet der Ausdruck für die pfad-gemittelte Geschwindigkeit
Abb. 2.4 Ausdruck für die pfad-gemittelte Axialgeschwindigkeit
Durch Messung der stromabwärtigen Laufzeit tD und der stromaufwärtigen Laufzeit tU der Ultraschallwelle erhält man die Zeitdifferenz zwischen stromaufwärtiger und stromabwärtiger Ausbreitung als
Abb. 2.5 Definition des Zeitunterschieds beim Upstream-Downstream-Transit-
Mithilfe der Laufzeitmethode kann die pfad-gemittelte Geschwindigkeit eines akustischen Pfads ermittelt werden. Basierend auf den durchschnittlichen Geschwindigkeiten verschiedener Schallpfade und unter Verwendung geeigneter Algorithmen kann die durchschnittliche Geschwindigkeit senkrecht zum gesamten Querschnitt berechnet werden, die als volumengemittelte Geschwindigkeit V bezeichnet wird.
Die Methode zur Messung der Durchschnittsgeschwindigkeit V des Pipeline-Fluids (Volumen) durch Messung der Laufzeitdifferenz zwischen der stromaufwärts und stromabwärts gerichteten Ultraschallausbreitung wird als Laufzeit-Ultraschallfluss-Messmethode bezeichnet. Ein Durchflussmesser, der den Flüssigkeitsdurchfluss einer Rohrleitung mithilfe der Laufzeit-Ultraschallmethode misst, wird als Laufzeit-Ultraschall-Durchflussmesser bezeichnet.
Die Beziehung zwischen der pfad-gemittelten Geschwindigkeit auf dem akustischen Pfad eines Laufzeit-Ultraschalldurchflussmessers und der volumen-gemittelten Geschwindigkeit in der Rohrleitung ist
Abb. 2.6 Definition des Strömungsgeschwindigkeitskorrekturfaktors-
wobei K der Strömungsgeschwindigkeitskorrekturfaktor genannt wird. Der Korrekturfaktor der Strömungsgeschwindigkeit wird aus dem mathematischen Modell des Geschwindigkeitsverteilungsprofils in der Messstrecke des Durchflussmessers abgeleitet. Entsprechend dem Gasströmungsregime in der Pipeline kann der Korrekturfaktor für die Strömungsgeschwindigkeit ermittelt werden. Aus den Gleichungen (2.4) und (2.6) ergibt sich somit die durchschnittliche Gasgeschwindigkeit in der Rohrleitung
Abb. 2.7 Beziehung zwischen der durchschnittlichen Geschwindigkeit des Rohrs-und der durchschnittlichen Geschwindigkeit des Pfads{2}
Der Volumenstrom kann aus Gleichung (2.7) ermittelt werden als
Abb.. 2.8Volumenstrom-Ratengleichung
Dabei ist A die Querschnittsfläche des Rohrs.
Nach Druck- und Temperaturkompensation des Volumenstroms kann der Massenstrom erhalten werden als
Abb. 2.9 Massenstrom-Ratengleichung mit Druck-Temperatur-Kompressibilitätskorrektur
wobei Z der Gaskompressibilitätsfaktor ist; P0 und P sind die Druckparameter bei Standardbedingungen bzw. tatsächlichen Bedingungen; T0 und T sind die Temperaturwerte bei Standardbedingungen bzw. tatsächlichen Bedingungen; und ρ0 ist die Dichte des gasförmigen Mediums unter Standardbedingungen.
Sobald die Strömungsgeschwindigkeit ermittelt ist, kann das Flüssigkeitsvolumen berechnet werden, das über einen bestimmten Zeitraum durch ein Rohr mit einem bestimmten Durchmesser fließt. Das in 1 h durch das Rohr fließende Durchflussvolumen F beträgt 79:
Abb.. 2.10 Stündliches Flüssigkeitsvolumen durch das Rohr basierend auf der Laufzeit-Zeitmessung-Laufzeit-Funktionsprinzip des Ultraschall-Durchflussmessers
Grundlegendes Funktionsprinzip der Mehrweg-Ultraschall-Gasdurchflussmessung
Gas-Ultraschall-Durchflussmesser können in Ein-{0}}Pfad- und Mehr-{1}Pfad-Typen unterteilt werden, die beide auf dem Laufzeitprinzip für die Ultraschall-Durchflussmessung basieren. Derzeit kann die Anzahl der akustischen Pfade bei ähnlichen Produkten im Ausland bis zu sechs betragen. In einem Mehrpfad-Ultraschalldurchflussmesser stellt ViV_iVi die pfad{{7}gemittelte Geschwindigkeit auf dem iii--ten akustischen Pfad dar. Sie wird ermittelt, indem die Ultraschalllaufzeiten stromabwärts und stromaufwärts gemessen, die Zeitdifferenz zwischen ihnen berechnet und anschließend die pfadgemittelte Geschwindigkeit berechnet wird.
Gemäß der Beziehung zwischen den pfad-gemittelten Geschwindigkeiten jedes akustischen Pfads und den Strömungs-Korrekturfaktoren kann die volumen-gemittelte Gasgeschwindigkeit in der Pipeline geschätzt werden als:
Abb.. 2.11Multi-Gleichung der gewichteten Durchschnittsgeschwindigkeit mit mehreren Pfaden-wie der Ultraschall-Durchflussmesser funktioniert
Dabei ist WiW_iWi der Gewichtungskoeffizient jedes akustischen Pfads und sein Wert hängt vom verwendeten Integrationsalgorithmus ab.
Abb.. 2.12Multi-Volumenstrom mit mehreren Pfaden-Geschwindigkeitsgleichung-Ultraschall-Durchflussmesser, wie er funktioniert
Theoretisch gilt: Je mehr akustische Pfade vorhanden sind, desto höher sollte die Messgenauigkeit sein. Die praktische Erfahrung hat jedoch gezeigt, dass, wenn die Anzahl der akustischen Pfade über den Querschnitt vier erreicht, eine weitere Erhöhung der Anzahl der Pfade nur sehr wenig zur Verbesserung der Genauigkeit beiträgt, während die Herstellungskosten deutlich steigen.
Analyse von Faktoren, die die Ultraschall-Gasdurchflussmessung beeinflussen
Gemäß den Berechnungsformeln für die Strömungsgeschwindigkeit und die Strömungsrate von Gas-Ultraschall-Durchflussmessern hängt die Strömungsgeschwindigkeit oder Strömungsrate von mehreren Aspekten ab, wie etwa den geometrischen Parametern des Messrohrs, dem Korrekturfaktor (oder Gewichtungskoeffizienten) der Strömungsgeschwindigkeit und den gemessenen Werten der Ultraschallausbreitungszeit. Unter diesen Aspekten erfolgt die folgende Analyse.
Korrektur des Strömungsgeschwindigkeitsfaktors und Verbesserung der Messgenauigkeit
Bei dem oben genannten Transit-{0}}Gas-Ultraschall-Durchflussmesser basiert die Untersuchung auf dem Idealzustand, in dem die pfad-gemittelte Geschwindigkeit gleichmäßig über den Rohrquerschnitt-verteilt ist. In praktischen Situationen ist die durch die Berechnung erhaltene Geschwindigkeit aufgrund der un-gleichmäßigen Geschwindigkeitsverteilung des Fluids über den Rohrquerschnitt-tatsächlich die pfad-gemittelte Geschwindigkeit entlang der Richtung der Ultraschallausbreitung und der axialen Richtung, die aus der gemessenen Zeitdifferenz des Ultraschalldurchgangs-erhalten wird. Der endgültig berechnete Volumenstrom führt zwangsläufig zu Fehlern. Um die Messgenauigkeit sicherzustellen, ist es notwendig, die Beziehung zwischen beiden zu bestimmen und die tatsächlich gemessene Geschwindigkeit mithilfe von Prinzipien der Strömungsmechanik zu korrigieren; das heißt, bei der Messung mit einem volumetrischen Durchflussmesser wird ein Durchflusskorrekturfaktor K eingeführt.
Aufgrund der Komplexität der Fluidströmungszustände in Rohrleitungen sind auch die resultierenden Geschwindigkeitsverteilungen komplex. Die aktuelle Forschung beschränkt sich hauptsächlich auf die Geschwindigkeitsverteilung unter idealen Bedingungen, d. h. die Geschwindigkeitsverteilung unter laminarer Strömung und voll entwickelter turbulenter Strömung in glatten Rohren. Laminare Strömung und turbulente Strömung sind zwei grundlegende Strömungszustände von Flüssigkeiten in Rohren. Unter laminarer Strömung versteht man den Zustand, in dem Flüssigkeitspartikel keine Querbewegung aufweisen und nur eine axiale Bewegung berücksichtigt wird. Unter turbulenter Strömung versteht man den Zustand, in dem Flüssigkeitspartikel sowohl axiale als auch transversale Bewegung aufweisen. Da sich die Strömungseigenschaften bei unterschiedlichen Strömungszuständen der Rohrleitung unterscheiden, werden unterschiedliche Geschwindigkeitsverteilungen erhalten.
Die Strömungseigenschaften einer Flüssigkeit werden gemeinsam von der mittleren Geschwindigkeit im Rohr, der kinematischen Viskosität und dem Rohrdurchmesser beeinflusst, wobei die Reynolds-Zahl ReReRe ein wichtiger Index zur Beurteilung des Strömungszustands ist. Wenn Re<2300Re < 2300Re<2300, the flow is laminar; when Re>4000Re > 4000Re>4000, the flow is turbulent. Re=2300Re = 2300Re=2300 is usually taken as the critical value for the transition from laminar to turbulent flow. When Re>2300Re > 2300Re>2300 beginnt die Flüssigkeit in einen turbulenten Zustand überzugehen, und dieser Übergangsbereich wird im Allgemeinen auch als turbulente Strömung behandelt.
FAQ
Was ist ein Laufzeit-Ultraschall-Gasdurchflussmesser?
Ein Laufzeit-Ultraschall-Gasdurchflussmesser misst den Gasdurchfluss, indem er Ultraschallimpulse sowohl stromabwärts als auch stromaufwärts sendet und aus der Differenz ihrer Laufzeiten die Strömungsgeschwindigkeit berechnet.
Was ist der Unterschied zwischen Ein-{0}}-Pfad- und Mehr-{1}-Pfad-Ultraschall-Durchflussmessern?
Ein Einzelpfad-Durchflussmesser verwendet ein Wandlerpaar und einen akustischen Pfad, während ein Mehrpfad-Durchflussmesser mehrere akustische Pfade in unterschiedlichen Höhen oder Winkeln verwendet, um das Geschwindigkeitsprofil besser zu erfassen und die Genauigkeit zu verbessern.
Warum ist ein Korrekturfaktor für die Strömungsgeschwindigkeit erforderlich?
Da die Geschwindigkeitsverteilung in einem Rohr nicht vollkommen gleichmäßig ist, ist die entlang eines einzelnen akustischen Pfads gemessene Geschwindigkeit nicht gleich der durchschnittlichen Querschnittsgeschwindigkeit. Ein Korrekturfaktor verbindet beides.
Welche Faktoren beeinflussen die Genauigkeit der Ultraschall-Gasdurchflussmessung?
Zu den Schlüsselfaktoren gehören Geschwindigkeitsprofilverzerrungen, Installationsbedingungen, Reynolds-Zahl, Gaszusammensetzung und Schallgeschwindigkeit, Temperatur- und Druckänderungen sowie Signalverarbeitungsfehler.
