Као пионири уултразвучни мерач протока природног гасамерној индустрији, током последњих 5 година открили смо да су са континуираним ширењем градских гасоводних мрежа и сталним побољшањем захтева за прецизност мерења гаса, традиционални механички гасомери постепено излагали проблеме као што су јако хабање, ограничени однос смањења и лоша прилагодљивост условима рада гаса током дуготрајног-радња. Ови проблеми отежавају испуњавање савремених захтева за мерење гаса за високу прецизност, интелигенцију и дуг радни век. Ултразвучни мерачи протока природног гаса, због својих предности што немају механичке покретне делове, велики однос смањења притиска, мали губитак притиска и лакоћу дигитализације и даљинске комуникације, постепено су постали важан избор у области мерења протока гаса. Од суштинског је значаја за особље набавке да разуме следећи садржај пре доношења одлука.
Истраживање дистрибуције брзине протока
Пошто дистрибуција брзине протока течности унутар цевовода директно утиче на путању простирања ултразвучних сигнала, не-уједначена дистрибуција брзине протока ће проузроковати да се ултразвучни сигнали расипају и пригуше у различитим степенима током ширења у цевоводу, што доводи до појава као што је низак сигнал{2}}и да се не омета{2} сигнал{1}} слабљење амплитуде. Стога је обезбеђивање равномерне дистрибуције брзине протока гаса унутар цевовода предуслов за постизање захтева за прецизношћу мерењаултразвучни мерачи протока гаса.
У нормалним околностима, проток флуида на који утичу вискозне силе може произвести два основна режима струјања (ламинарни и турбулентни ток), који су такође повезани са факторима као што су режим струјања и кинематичка вискозност флуида, карактеристике флуида и параметри цевовода. Ова два режима протока се обично разликују Рејнолдсовим бројем (Ре).
Када је Ре мањи или једнак 2300, течност је у стању ламинарног тока. У овом тренутку, утицај вискозне силе на честице флуида је већи од инерционе силе, режим струјања је релативно стабилан без турбулентних појава, али постоје само компоненте аксијалне брзине. Расподела брзине је уједначена и представља параболички облик. Брзина протока је мања у близини кружног зида цеви и постепено се повећава према центру цевовода, са профилом брзине приказаним на слици 3.29.
Брзина протока у свакој тачки у кружној цеви је повезана само са растојањем р од те тачке до осе цевовода, а њен закон расподеле брзине може се изразити као:
Где је: вр брзина протока на растојању р од осе цевовода; в_м је брзина протока на оси цевовода, што је максимална брзина протока преко целог попречног-пресека; Р је полупречник цевовода.
Однос између -просечне брзине{1}}просечне брзине на линији и просечне брзине по површини може се изразити коришћењем вм као:
Истовременим решавањем једначина (3.16) и (3.17) Рејнолдсов корекцијски коефицијент се може добити и изразити као:
Када је Ре већи од или једнак 4000, течност је у турбулентном стању. У овом тренутку утицај инерционе силе на честице флуида је значајнији, режим струјања је релативно хаотичан, аксијална и уздужна компонента брзине постоје истовремено, расподела брзине је не-уједначена, турбулентни отпор расте, а профил брзине је приказан на слици 3.30.
Пошто процесу ширења турбулентног струјања недостаје релевантна теорија и специфичне аналитичке методе, да би даље унапредили истраживања, инжењери обично користе низове снаге да приближно израчунају расподелу брзине у кружним цевима под турбулентним условима, што се може изразити као:
Где: вредност н је повезана са храпавостом површине цевовода и Рејнолдсовим бројем. У идеалним условима где је унутрашњи зид цевовода гладак, однос између н и Ре може се изразити Прандтловом формулом као:
То јест, када је Рејнолдсов број познат, вредност н се може израчунати, чиме се одређује крива дистрибуције турбулентне брзине приказана на слици 3.30. Однос између -просечне брзине и површине{2}}просечне брзине може се изразити респективно коришћењем в_м као:
Истовременим решавањем једначина (3.21) и (3.22), однос између Рејнолдсовог коефицијента корекције и н може се добити као:
У потпуно развијеном турбулентном цевоводу, однос између Рејнолдсовог коефицијента корекције и Ре може се изразити као:
Практична инжењерска разматрања
Све горње формуле су засноване на дискусијама спроведеним у условима без других ометајућих фактора и довољне праве дужине цеви пре и после цевовода за мерење. Међутим, у стварним инжењерским апликацијама, фактори као што су метода инсталације претварача, узводни вентили и кривине пре и после мерног цевовода ће изазвати одступања у дистрибуцији брзине унутрашњег протока, што отежава примену у стварним процесима мерења. Због тога је истраживање равномерне дистрибуције брзине протока унутар проточног канала изузетно важно.
Дизајн структуре ултразвучног мерача протока природног гаса
Ултразвучни мерач протока природног гаса је уређај који користи ултразвучну технологију за мерење протока гаса. Његово структурно пројектовање и истраживање симулације укључују више аспеката, као што су дизајн сензора, динамика флуида и акустична пропагација. А комплетангасни ултразвучни мерач протокаукључује канале протока, претвараче и мерна кола. Овај систем врши пројектовање мерног кола и програма на основу постојећих канала протока и претварача.
Дизајн и инсталација претварача
Ултразвучни мерачи протока природног гаса обично имају два претварача: предајник и пријемник. Размишљања о дизајну укључују фреквенцију, снагу и радну температуру претварача како би се прилагодили различитим карактеристикама гаса. Положај претварача има важан утицај на резултате мерења. Типично, предајници и пријемници треба да буду симетрично распоређени на различитим позицијама на цевоводу како би се осигурало да путања пропагације ултразвучних сигнала остане што је могуће равномернија.
Дизајн канала флуида
Приликом пројектовања канала флуида гасног мерача, неопходно је знати унутрашњи пречник цевовода који одговара опсегу протока гаса. Унутрашња површина цевовода треба да буде глатка како би се смањиле сметње у протоку течности. Такође је неопходно дизајнирати уређаје за регулацију протока како би се осигурало да је брзина флуида унутар мерљивог опсега, избегавајући утицај претерано велике или споре брзине протока на мерење.
Спољно кућиште и фиксација
Узимајући у обзир сложеност радног окружења, избор материјала за спољашње кућиште се фокусира на избор материјала отпорних на корозију-и високе -температуре-отпорних материјала, као што су нерђајући челик или инжењерска пластика, који могу ефикасно да заштите унутрашње електронске компоненте и претвараче. У исто време, поуздан механизам за фиксирање треба да буде дизајниран да обезбеди стабилност гасомера у радним условима високог{4}}притиска. Уређај за причвршћивање треба да узме у обзир простор за уградњу и услове околине цевовода.
Електрична и обрада сигнала
У погледу електричне и обраде сигнала, пројектовање ефикасног система електричне везе је једнако кључно за обезбеђивање стабилног преноса и обраде сигнала, укључујући пријем, обраду и прорачун ултразвучних сигнала. За претварање временске разлике ултразвучног ширења у податке о протоку, одговарајући алгоритми морају бити посебно дизајнирани.
Фактори тачности мерења
Тачност мерења ултразвучних мерача протока природног гаса је такође повезана са више фактора, као што су квалитет сензора, температура околине, брзина протока гаса, састав гаса и притисак. Међу њима, прецизност мерења ултразвучних мерача протока природног гаса има јаку корелацију са дистрибуцијом брзине протока, што захтева да дистрибуција флуида у мерном цевоводу може адекватно да одражава брзину протока преко попречног пресека канала протока{1}}.
Кључна разматрања дизајна
Поред тога, у структурном дизајну ултразвучних канала протока природног гаса треба узети у обзир следеће факторе:
(1) Слабљење амплитуде ултразвучног сигнала у каналу протока током промене брзине протока; (2) На ултразвучне сигнале треба да утичу што је могуће значајније промене брзине протока течности како би се побољшала резолуција мерења система; (3) Тренутна брзина протока течности која пролази кроз мерни цевовод мора да испуни захтеве система за мерење пуног{3}}опсега.
Комбинујући горе наведене факторе, пројектовани модел канала протока ултразвучног мерача протока природног гаса је дизајниран и моделован коришћењем софтвера СпацеЦлаим, са моделом приказаним на слици 3.31.
Слика 3.31
Дизајн канала за проток гаса састоји се од два дела: део који се повезује са гасоводом има кружну цев, димензија идентичних димензијама мембранских гасомера. Узимајући у обзир ефекат рефлексије ултразвучних сигнала и имплементацију корекције расподеле брзине протока, део за мерење брзине протока има правоугаону структуру канала протока, са три лопатице за исправљање протока инсталиране унутра. Лопатице за исправљање су корисне за равномерну дистрибуцију брзине протока течности. Истовремено, смањење унутрашњег пречника правоугаоног канала протока значи да под истим условима улазне брзине протока, тренутна брзина протока у правоугаоном каналу протока постаје бржа, временска разлика транзита се повећава, што може побољшати резолуцију мерења протока ултразвучног мерача протока природног гаса. Што се тиче методе уградње пиезоелектричних претварача, да би се обезбедила тачност мерења на малим тачкама протока ултразвучног мерача протока природног гаса, потребно је продужити дужину путање ширења. Међутим, повећање дужине путање ће узроковати губитак енергије током ширења сигнала, захтевајући равнотежу између тачности мерења система и степена слабљења сигнала са два аспекта. Усвојена је инсталациона структура у облику АВ-, са два претварача симетрична у односу на уздужну средишњу линију лопатица за исправљање.
Генерисање и квалитет мреже
Пре спровођења симулације динамике флуида, операције претпроцесирања се изводе на моделу канала протока ултразвучног мерача протока природног гаса. Након завршетка поправке модела и поједностављења ради добијања чврсте супстанце, унутрашњи флуидни регион модела се екстрахује и мрежа се дели. Квалитет поделе мреже директно одређује поузданост и стабилност накнадних резултата симулације. Флуент водонепропусни радни ток се може користити за извршење горе наведеног процеса, постављањем опсега величине генерисања површинске мреже на 0,1-4 мм, коришћењем 2 слоја за попуњавање празнина, применом детекције близине на чврсте границе. Максимална косина мреже подељене површине је 0,69, што указује на добар квалитет мреже. На основу тога се користи хексаедарско-полиедарска мрежа запремине пуњења, гранични слојеви се додају флуидном региону, а коначни ортогонални квалитет мреже запремине достиже 0,15. У комбинацији са експериментима о независности мреже, утврђено је да је број мрежа модела око 1,2 милиона. Расподела мреже запремине приказана је на слици 3.32.
Слика 3.32
