Метод измерений расхода и объема газа при рабочих условиях

5499

Измерение объемного расхода и объема газа при рабочих условиях выполняют с помощью УЗПР, принцип действия которых основан на зависимости разности времен прохождения ультразвукового им­пульса по и против течения газа между ПЭА от средней скорости газа вдоль акустического пути.

На рисунке 1 приведена схема одноканального УЗПР.

MWX//////////////////////////A

V77777Z7777777777,

V////////////////77Z

Направление потока

Рисунок 1 — Схема одноканального УЗПР с ПЭА, размещенными в стенке его корпуса

На обеих сторонах корпуса УЗПР в положениях А и Б размещены ПЭА, передающие и принима­ющие ультразвуковые импульсы. Если расход газа равен нулю, то время прохождения ультразвуково­го импульса, направленного от точки А в точку Б, будет равно времени прохождения ультразвукового

9

ГОСТ 8.611 — 2013

импульса, направленного от точки Б в точку А. Если расход газа не равен нулю, то время прохождения ультразвукового импульса (тАБ), направленного от точки А в точку Б, будет убывать, а время прохож­дения ультразвукового импульса (хБ _Л ), направленного от точки Б в точку А, — возрастать. В первом приближении время прохождения ультразвукового импульса может быть вычислено по формулам [4]:

2

ХАБ

(

(,       ' хх    1 р)

0,5 - wl_x

⁺¹ Р ~

0)

 

„2_ w 'х w ' х {       'хх   1 р)

^ БА

-2,2 -2,2^,5 - ■                                                                             @ )

wlx _

где ф, /., /х, /хх — см. рисунок 1.

Если расстояние L равно / (см. рисунок 1), то формулы (1) и (2) примут вид:

^х аб = -—-—^05-----------------------;                                                             (3)

с ² - ^²зт²ф ' + ^созф

ХБА = ------------------ ^---------------- ■                                                         (4)

_С² - ^2з1п²ф)'-^созф

Решая систему уравнений, состоящую из формул (1) и (2) или (3) и (4) относительно w n c, полу­чим следующие формулы для расчета средней скорости потока газа вдоль акустического пути и скоро­сти звука в газе:

¹ \ ^Х АБ ^ХБА I

W = ^ г -^- 2COS,

_ 'р / 1 1 \                                                                ffi^

^C ~^ VaE ⁺ ^5 A ~) '

В случае применения УЗПР, у которых ПЭА накладываются на наружную поверхность ИТ, ультра­звуковой импульс попадает во внутреннюю полость ИТ, после того как проходит через ПЭА и стенку ИТ. При этом ультразвуковой луч преломляется при пересечении границ между ПЭА и ИТ, между ИТ и газом, как показано на рисунке 2.

В связи с этим обстоятельством применение УЗПР, у которых ПЭА накладываются на наружную поверхность ИТ, имеет следующие особенности:

- расчет времен прохождения ультразвукового импульса хА_Б и хБА должен проводиться с учетом времени задержки ультразвукового импульса в ПЭА и в стенке ИТ;

- расстояние L зависит от фазовой скорости ПЭА, толщин и материалов ИТ.

Примечание — Настоящий стандарт не предусматривает использование УЗПР с накладными ПЭА на трубопроводах, имеющих облицовку внутренней поверхности, так как это приводит к возникновению дополнитель­ной погрешности измерений, значение которой зависит от трудноконтролируемых факторов (толщина облицовки, скорость распространения звука в материале облицовки и т.д.).

Для расчета времени задержки и расстояния / используют измеренные фазовую скорость ПЭА, толщину стенки ИТ, скорости распространения звука в ПЭА, в стенке ИТ и в газе, а также закон прелом­ления ультразвуковой волны на границе сред

апфпэ А _ э ' п ф т _ з|пф                                                                      /₇ч

спэа ~ ст ~ с '

гДе Ф пэа- Фт - Ф - ^см. рисунок 2;

спэа - ^ст- с ~ ^СК°Р°^СТЬ распространения звука в ПЭА, в стенке ИТ и в газе, соответственно.

ю

ГОСТ 8.611—2013

Измеренные средние скорости потока газа вдоль акустических путей, проверенные на достоверность и усредненные по времени, применяют для расчета средней скорости газа в измерительном сечении УЗПР

У///////)(//////У/////////////////////А

Стенка ИТ

777777, 77777? 777 ///////////////А

77777?

Рисунок 2 — Схема одноканального УЗПР с ПЭА, размещенными на наружной поверхности ИТ

Вид функции, используемой для расчета средней скорости газа в измерительном сечении УЗПР, зависит от числа акустических каналов, конфигурации их размещения, а также применяемого изготови­телем УЗПР подхода к учету параметров потока и среды.

Если все акустические каналы расположены одинаково относительно оси измерительного участка (корпуса УЗПР), то среднюю скорость газа в измерительном сечении УЗПР рассчитывают по формуле

wa

y \ wj

/=1

(8)

где т — число акустических каналов;

ц — средняя скорость газа вдоль акустического канала;

Kh — коэффициент, учитывающий положение акустических каналов относительно оси измери­тельного участка (корпуса УЗПР), влияние числа Re и шероховатости внутренних стенок ИТ. Если акустические каналы имеют различное расположение относительно оси измерительного участка (корпуса УЗПР), то среднюю скорость газа в измерительном сечении УЗПР рассчитывают по формулам:

- при суммировании с постоянным взвешиванием

wa

/=1

(9)

где ff — постоянный весовой коэффициент, учитывающий долю средней скорости газа по;'-му аку­стическому каналу в средней скорости газа в измерительном сечении УЗПР; - при суммировании с переменным взвешиванием

wa

5>//

/=1

(10)

11

ГОСТ 8.611 — 2013

где fj — переменный весовой коэффициент, учитывающий долю средней скорости газа по;'-му аку­стическому каналу в средней скорости газа в измерительном сечении УЗПР, определяемый на основе заданных или измеренных переменных. Профиль скоростей потока является функцией числа Re и шероховатости внутренних поверхно­стей ИТ и корпуса УЗПР.

Числа Re рассчитывают по известному внутреннему диаметру корпуса УЗПР, измеренной скоро­сти газа и значениям плотности и динамической вязкости газа по следующей формуле

Re = ^.                                                                             (11)

Методы и способы компенсации влияния числа Re на показания УЗПР определяются их изгото­вителем.

С целью обеспечения заявленной точности измерений, шероховатость внутренних поверхностей ИТ и корпуса УЗПР должна находиться в пределах, установленных изготовителем УЗПР.

Для компенсации погрешностей УЗПР, обусловленных отклонением его геометрических параме­тров от их номинальных значений, вследствие производственных допусков и допущениями в принятой модели расчета средней скорости газа в измерительном сечении УЗПР, изготовителем может быть при­менен корректирующий или калибровочный коэффициент. В общем случае объемный расход газа при рабочих условиях с учетом корректирующего или калибровочного коэффициента может быть вычислен по формуле

^т   i (   \

^=^aKfl^fi2^;(^:-^t)'                                          02 )

/=1            ^v '  ' '

где Kf — корректирующий или калибровочный коэффициент УЗПР.

При отличии температуры и давления газа при рабочих условиях от условий, при которых устанав­ливались метрологические характеристики УЗПР, в его показаниях возникает дополнительная погреш­ность, обусловленная изменением геометрических параметров корпуса УЗПР. Если данная дополни­тельная погрешность является значимой, т.е. превышает 1/6 основной погрешности УЗПР, то показания УЗПР корректируют путем умножения значения расхода на поправочный коэффициент, учитывающий изменение геометрических параметров его корпуса, обусловленные изменением температуры и дав­ления газа. Расчет поправочного коэффициента может проводиться по измеренным значениям или условно-постоянным значениям температуры и давления газа.

Если поправочный коэффициент не применяется, то данная дополнительная погрешность долж­на учитываться при расчете неопределенности измерений расхода и количества газа.

Для целей оценки необходимости корректировки показаний УЗПР может быть использована упро­щенная модель расчета дополнительной погрешности, обусловленной изменением температуры и дав­ления газа, приведенная в приложении А.