Com a pioners en elcabalímetre ultrasònic per a gas naturalEn la indústria de mesurament, durant els últims 5 anys hem descobert que amb l'expansió contínua de les xarxes de gasoductes urbans i la millora contínua dels requisits de precisió de la mesura de gas, els comptadors de gas mecànics tradicionals han exposat progressivament problemes com ara un desgast sever, una relació d'interrupció limitada i una poca adaptabilitat a les condicions de funcionament del gas durant el funcionament a llarg termini-. Aquests problemes dificulten el compliment dels requisits moderns de mesura de gas d'alta precisió, intel·ligència i llarga vida útil. Els mesuradors de cabal de gas natural ultrasònics, a causa dels seus avantatges de no tenir peces mòbils mecàniques, una gran relació de voltatge, baixa pèrdua de pressió i facilitat de digitalització i comunicació remota, s'han convertit gradualment en una opció important en el camp de la mesura del cabal de gas. És essencial que el personal de contractació entengui el contingut següent abans de prendre decisions.
Investigació de la distribució de la velocitat del flux
Atès que la distribució de la velocitat de flux del fluid a l'interior de la canonada afecta directament el camí de propagació dels senyals ultrasònics, la distribució no{0}}uniforme de la velocitat de flux farà que els senyals ultrasònics es dispersin i s'atenuin en diferents graus durant la propagació a la canonada, donant lloc a fenòmens com ara una relació senyal baixa-a{{2}soroll dels senyals d'eco rebudes greus i una atenuació severa. Per tant, garantir una distribució uniforme de la velocitat del flux de gas dins de la canonada és un requisit previ per assolir els requisits de precisió de mesura demesuradors de cabal de gas ultrasònics.
En circumstàncies normals, el flux de fluids afectat per forces viscoses pot produir dos règims de flux bàsics (flux laminar i flux turbulent), que també estan relacionats amb factors com el règim de flux i la viscositat cinemàtica del fluid, les característiques del fluid i els paràmetres de la canonada. Aquests dos règims de flux es distingeixen habitualment pel nombre de Reynolds (Re).
Quan Re és inferior o igual a 2300, el fluid es troba en estat de flux laminar. En aquest moment, la influència de la força viscosa sobre les partícules de fluid és més gran que la força inercial, el règim de flux és relativament estable sense fenòmens turbulents, però només existeixen components de velocitat axial. La distribució de velocitats és uniforme, presentant una forma parabòlica. La velocitat del flux és més petita prop de la paret de la canonada circular i augmenta gradualment cap al centre de la canonada, amb el perfil de velocitat que es mostra a la figura 3.29.
La velocitat del flux en cada punt de la canonada circular només està relacionada amb la distància r d'aquest punt a l'eix de la canonada, i la seva llei de distribució de velocitat es pot expressar com:
On: vr és la velocitat del flux a la distància r de l'eix de la canonada; v_m és la velocitat del flux a l'eix de la canonada, que és la velocitat màxima del flux a tota la secció transversal-; R és el radi de la canonada.
La relació entre la -velocitat mitjana de la línia i la velocitat mitjana-de l'àrea es pot expressar respectivament utilitzant vm com:
En resoldre les equacions (3.16) i (3.17) simultàniament, el coeficient de correcció de Reynolds es pot obtenir i expressar com:
Quan Re és superior o igual a 4000, el fluid es troba en estat turbulent. En aquest moment, la influència de la força inercial sobre les partícules del fluid és més significativa, el règim de flux és relativament caòtic, existeixen components de velocitat axial i longitudinal simultàniament, la distribució de velocitat no és uniforme, la resistència a les turbulències augmenta i el perfil de velocitat es mostra a la figura 3.30.
Com que el procés de propagació del flux turbulent no té teoria rellevant i mètodes analítics específics, per avançar més en la investigació, els enginyers solen utilitzar sèries de potència per calcular aproximadament la distribució de velocitats en canonades circulars en condicions turbulentes, que es pot expressar com:
On: el valor de n està relacionat amb la rugositat de la superfície de la canonada i el nombre de Reynolds. En condicions ideals on la paret interior de la canonada és llisa, la relació entre n i Re es pot expressar mitjançant la fórmula de Prandtl com:
És a dir, quan es coneix el nombre de Reynolds, es pot calcular el valor de n, determinant així la corba de distribució de la velocitat turbulenta que es mostra a la figura 3.30. La relació entre la-velocitat mitjana de la línia i la velocitat mitjana-de l'àrea es pot expressar respectivament utilitzant v_m com:
En resoldre les equacions (3.21) i (3.22) simultàniament, la relació entre el coeficient de correcció de Reynolds i n es pot obtenir com:
En un gasoducte turbulent totalment desenvolupat, la relació entre el coeficient de correcció de Reynolds i Re es pot expressar com:
Consideracions pràctiques d'enginyeria
Totes les fórmules anteriors es basen en discussions realitzades en condicions sense altres factors interferents i amb longituds de canonades rectes suficients abans i després de la canonada de mesura. Tanmateix, en aplicacions d'enginyeria reals, factors com el mètode d'instal·lació del transductor, les vàlvules aigües amunt i els corbes abans i després de la canonada de mesura provocaran desviacions en la distribució interna de la velocitat del flux, cosa que dificulta l'aplicació en els processos de mesura reals. Per tant, la investigació sobre la distribució uniforme de la velocitat de flux dins del canal de flux és extremadament important.
Disseny estructural del mesurador de cabal de gas natural ultrasònic
Un mesurador de cabal de gas natural ultrasònic és un dispositiu que utilitza tecnologia ultrasònica per mesurar el flux de gas. La seva investigació en disseny estructural i simulació inclou múltiples aspectes, com el disseny de sensors, la dinàmica de fluids i la propagació acústica. Un completmesurador de cabal ultrasònic de gasinclou canals de flux, transductors i circuits de mesura. Aquest sistema realitza el disseny de circuits i programes de mesura basat en canals de flux i transductors existents.
Disseny i instal·lació de transductors
Els mesuradors de cabal de gas natural per ultrasons solen tenir dos transductors: un transmissor i un receptor. Les consideracions de disseny inclouen la freqüència, la potència i el rang de temperatura de funcionament del transductor per adaptar-se a les diferents característiques del gas. La posició d'instal·lació dels transductors té un impacte important en els resultats de mesura. Normalment, els transmissors i receptors s'han de disposar simètricament en diferents posicions de la canonada per garantir que el camí de propagació dels senyals ultrasònics es mantingui el més uniforme possible.
Disseny de canals de fluids
Quan es dissenya el canal de fluids del comptador de gas, cal conèixer el diàmetre interior de la canonada perquè coincideixi amb el rang de flux de gas. La superfície interior de la canonada ha de ser llisa per reduir la interferència amb el flux de fluids. També és necessari dissenyar dispositius de regulació de flux per garantir que la velocitat del fluid estigui dins del rang mesurable, evitant l'impacte d'una velocitat de flux excessivament ràpida o lenta en la mesura.
Carcassa exterior i fixació
Tenint en compte la complexitat de l'entorn de treball, la selecció de materials de carcassa exterior se centra a triar materials resistents a la corrosió-i resistents a la-temperatura-alta, com ara l'acer inoxidable o els plàstics d'enginyeria, que poden protegir eficaçment els components electrònics interns i els transductors. Al mateix temps, s'ha de dissenyar un mecanisme de fixació fiable per garantir l'estabilitat del comptador de gas en condicions de treball d'alta-pressió. El dispositiu de fixació ha de tenir en compte l'espai d'instal·lació i les condicions ambientals de la canonada.
Tractament elèctric i del senyal
En termes de processament elèctric i de senyal, dissenyar un sistema de connexió elèctrica eficient és igualment crucial per garantir una transmissió i processament estables del senyal, inclosa la recepció, processament i càlcul de senyals ultrasònics. Per convertir la diferència de temps de propagació ultrasònica en dades de flux, els algorismes corresponents s'han de dissenyar per separat.
Factors de precisió de la mesura
La precisió de mesura dels mesuradors de cabal de gas natural ultrasònic també està relacionada amb múltiples factors, com ara la qualitat del sensor, la temperatura ambient, la velocitat del flux de gas, la composició del gas i la pressió. Entre aquests, la precisió de mesura dels mesuradors de cabal de gas natural ultrasònic té una forta correlació amb la distribució de la velocitat del flux, la qual cosa requereix que la distribució del fluid a la canonada de mesura pugui reflectir adequadament la velocitat del flux a través de la secció transversal del canal de flux-.
Consideracions clau de disseny
A més, s'han de tenir en compte els factors següents en el disseny estructural dels canals de cabal ultrasònics del mesurador de cabal de gas natural:
(1) Atenuació de l'amplitud del senyal ultrasònic al canal de flux durant els canvis de velocitat del flux; (2) Els senyals ultrasònics s'han de veure afectats de la manera més significativa possible pels canvis de velocitat del flux del fluid per millorar la resolució de mesura del sistema; (3) La velocitat de flux instantània del fluid que passa per la canonada de mesura ha de complir els requisits de mesura de l'-interval complet del sistema.
Combinant els factors anteriors, el model de canal de flux del mesurador de cabal de gas natural ultrasònic dissenyat es va dissenyar i modelar mitjançant el programari SpaceClaim, amb el model que es mostra a la figura 3.31.
Figura 3.31
El disseny del canal de cabal del comptador de gas consta de dues parts: la part que es connecta al gasoducte adopta una canonada circular, amb dimensions idèntiques a les dels comptadors de gas de diafragma. Tenint en compte l'efecte de reflexió dels senyals ultrasònics i la implementació de la correcció de la distribució de la velocitat del flux, la part de mesura de la velocitat del flux adopta una estructura de canal de flux rectangular, amb tres paletes de redreçament de flux instal·lades a l'interior. Les paletes de redreçament són beneficioses per a una distribució uniforme de la velocitat del flux del fluid. Al mateix temps, la reducció del diàmetre interior del canal de flux rectangular significa que, en les mateixes condicions de velocitat de flux d'entrada, la velocitat de flux instantània al canal de flux rectangular augmenta, la diferència de temps de trànsit augmenta, la qual cosa pot millorar la resolució de mesura de flux del mesurador de flux ultrasònic de gas natural. Pel que fa al mètode d'instal·lació dels transductors piezoelèctrics, per garantir la precisió de la mesura en petits punts de flux del mesurador de cabal de gas natural ultrasònic, s'ha d'ampliar la longitud del camí de propagació. Tanmateix, l'augment de la longitud del camí provocarà pèrdua d'energia durant la propagació del senyal, requerint un equilibri entre la precisió de la mesura del sistema i el grau d'atenuació del senyal des de dos aspectes. S'adopta una estructura d'instal·lació en forma d'AV-, amb els dos transductors simètrics respecte a la línia central longitudinal de les pales de redreçament.
Generació de malles i qualitat
Abans de dur a terme la simulació de dinàmica de fluids, es realitzen operacions de preprocessament en el model de canal de flux del mesurador de cabal de gas natural ultrasònic. Després de completar la reparació i simplificació del model per obtenir un sòlid, s'extreu la regió del fluid intern del model i es divideix la malla. La qualitat de la divisió de la malla determina directament la fiabilitat i l'estabilitat dels resultats de la simulació posteriors. El flux de treball estanc Fluent es pot utilitzar per executar el procés anterior, establint l'interval de mida de generació de malla superficial a 0,1-4 mm, utilitzant 2 capes d'ompliment de buits, aplicant la detecció de proximitat als límits sòlids. La sessió màxima de la malla de superfície dividida és de 0,69, cosa que indica una bona qualitat de malla. Sobre aquesta base, s'utilitza una malla de volum de farciment hexaèdric-polièdric, s'afegeixen capes límit a la regió del fluid i la qualitat ortogonal final de la malla de volum arriba a 0,15. Combinat amb experiments d'independència de la malla, es determina que el nombre de malles del model és d'uns 1,2 milions. La distribució de la malla del volum es mostra a la figura 3.32.
Figura 3.32
