Alanında öncüler olarakdoğal gaz için ultrasonik akış ölçerölçüm endüstrisinde, son 5 yılda kentsel gaz boru hattı ağlarının sürekli genişlemesi ve gaz ölçüm doğruluğu gereksinimlerinin sürekli olarak iyileştirilmesiyle birlikte, geleneksel mekanik gaz sayaçlarının, uzun-dönemli çalışma sırasında şiddetli aşınma, sınırlı kapanma oranı ve gaz çalışma koşullarına zayıf uyum sağlama gibi sorunları yavaş yavaş ortaya çıkardığını keşfettik. Bu sorunlar, yüksek hassasiyet, zeka ve uzun hizmet ömrüne yönelik modern gaz ölçüm gereksinimlerinin karşılanmasını zorlaştırmaktadır. Ultrasonik doğal gaz debimetreleri, mekanik hareketli parça içermemesi, büyük kısma oranı, düşük basınç kaybı, dijitalleştirme ve uzaktan iletişim kolaylığı gibi avantajlarından dolayı, gaz debisi ölçümü alanında giderek önemli bir seçim haline gelmiştir. Satın alma personelinin karar vermeden önce aşağıdaki içeriği anlaması önemlidir.
Akış Hızı Dağılımı Araştırması
Boru hattı içindeki sıvının akış hızı dağılımı, ultrasonik sinyallerin yayılma yolunu doğrudan etkilediğinden, tekdüze olmayan- akış hızı dağılımı, ultrasonik sinyallerin boru hattında yayılma sırasında dağılmasına ve değişen derecelerde zayıflamasına neden olacak, bu da alınan yankı sinyallerinin düşük sinyal-gürültü oranı ve ciddi genlik zayıflaması gibi olaylarla sonuçlanacaktır. Bu nedenle, boru hattı içinde düzgün gaz akış hızı dağılımının sağlanması, ölçüm doğruluğu gereksinimlerinin karşılanması için bir ön koşuldur.ultrasonik gaz akış ölçerler.
Normal koşullar altında, viskoz kuvvetlerden etkilenen akışkan akışı, aynı zamanda akış rejimi ve akışkanın kinematik viskozitesi, akışkan özellikleri ve boru hattı parametreleri gibi faktörlerle de ilişkili olan iki temel akış rejimi (laminer akış ve türbülanslı akış) üretebilir. Bu iki akış rejimi genellikle Reynolds sayısı (Re) ile ayırt edilir.
Re 2300'den küçük veya ona eşit olduğunda akışkan laminer akış halindedir. Bu durumda, viskoz kuvvetin akışkan parçacıkları üzerindeki etkisi eylemsizlik kuvvetinden daha büyüktür, akış rejimi türbülans olgusu olmadan nispeten kararlıdır, ancak yalnızca eksenel hız bileşenleri mevcuttur. Hız dağılımı tekdüzedir ve parabolik bir şekil sunar. Akış hızı, dairesel boru duvarının yakınında daha küçüktür ve Şekil 3.29'da gösterilen hız profiliyle boru hattının merkezine doğru kademeli olarak artar.
Dairesel borunun her noktasındaki akış hızı yalnızca o noktadan boru hattı eksenine olan mesafe r ile ilişkilidir ve hız dağılım kanunu şu şekilde ifade edilebilir:
Burada: vr boru hattı ekseninden r mesafesindeki akış hızıdır; v_m boru hattı eksenindeki akış hızıdır; bu, tüm kesit- boyunca maksimum akış hızıdır; R boru hattı yarıçapıdır.
Çizgi-ortalamalı hız ile alan-ortalamalı hız arasındaki ilişki sırasıyla vm kullanılarak şu şekilde ifade edilebilir:
(3.16) ve (3.17) denklemlerini aynı anda çözerek Reynolds düzeltme katsayısı elde edilebilir ve şu şekilde ifade edilebilir:
Re 4000'den büyük veya ona eşit olduğunda akışkan türbülanslı durumdadır. Bu durumda, atalet kuvvetinin akışkan parçacıkları üzerindeki etkisi daha belirgindir, akış rejimi nispeten kaotiktir, eksenel ve boylamsal hız bileşenleri aynı anda mevcuttur, hız dağılımı tek biçimli değildir, türbülans direnci artar ve hız profili Şekil 3.30'da gösterilmektedir.
Türbülanslı akışın yayılma süreci ilgili teori ve spesifik analitik yöntemlerden yoksun olduğundan, araştırmayı daha da ilerletmek için mühendisler, türbülanslı koşullar altında dairesel borulardaki hız dağılımını yaklaşık olarak hesaplamak için yaygın olarak güç serilerini kullanırlar; bu, şu şekilde ifade edilebilir:
Burada: n değeri boru hattının yüzey pürüzlülüğü ve Reynolds sayısıyla ilgilidir. Boru hattının iç duvarının pürüzsüz olduğu ideal koşullar altında, n ve Re arasındaki ilişki Prandtl formülüyle şu şekilde ifade edilebilir:
Yani Reynolds sayısı bilindiğinde n değeri hesaplanabilir ve böylece Şekil 3.30'da gösterilen türbülanslı hız dağılım eğrisi belirlenebilir. Çizgi-ortalamalı hız ile alan-ortalamalı hız arasındaki ilişki sırasıyla v_m kullanılarak şu şekilde ifade edilebilir:
(3.21) ve (3.22) denklemlerini aynı anda çözerek Reynolds düzeltme katsayısı ile n arasındaki ilişki şu şekilde elde edilebilir:
Tamamen gelişmiş bir türbülanslı boru hattında Reynolds düzeltme katsayısı ile Re arasındaki ilişki şu şekilde ifade edilebilir:
Pratik Mühendislik Konuları
Yukarıdaki formüllerin tümü, başka hiçbir engelleyici faktörün olmadığı ve ölçüm boru hattından önce ve sonra yeterli düz boru uzunluğunun olmadığı koşullar altında yürütülen tartışmalara dayanmaktadır. Bununla birlikte, gerçek mühendislik uygulamalarında, dönüştürücü kurulum yöntemi, yukarı akış valfleri ve ölçüm boru hattından önceki ve sonraki kıvrımlar gibi faktörlerin tümü, iç akış hızı dağılımında sapmalara neden olacak ve gerçek ölçüm süreçlerinde uygulanmasını zorlaştıracaktır. Bu nedenle akış kanalı içindeki düzgün akış hızı dağılımının araştırılması son derece önemlidir.
Ultrasonik Doğal Gaz Akış Ölçer Yapısal Tasarım
Ultrasonik doğal gaz akış ölçer, gaz akışını ölçmek için ultrasonik teknolojiyi kullanan bir cihazdır. Yapısal tasarımı ve simülasyon araştırması, sensör tasarımı, akışkanlar dinamiği ve akustik yayılım gibi birçok yönü içerir. Tam birgaz ultrasonik akış ölçerakış kanallarını, dönüştürücüleri ve ölçüm devrelerini içerir. Bu sistem mevcut akış kanalları ve transdüserleri temel alarak ölçüm devresi ve program tasarımını gerçekleştirir.
Dönüştürücü Tasarımı ve Kurulumu
Ultrasonik doğal gaz debimetreleri tipik olarak iki dönüştürücüye sahiptir: bir verici ve bir alıcı. Tasarım hususları, farklı gaz özelliklerine uyum sağlamak için dönüştürücünün frekansını, gücünü ve çalışma sıcaklığı aralığını içerir. Transdüserlerin kurulum konumu ölçüm sonuçları üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Tipik olarak vericiler ve alıcılar, ultrasonik sinyallerin yayılma yolunun mümkün olduğu kadar tekdüze kalmasını sağlamak için boru hattı üzerinde farklı konumlarda simetrik olarak düzenlenmelidir.
Akışkan Kanal Tasarımı
Gaz sayacının sıvı kanalını tasarlarken, gaz akış aralığına uyacak şekilde boru hattının iç çapını bilmek gerekir. Boru hattının iç yüzeyi, sıvı akışına müdahaleyi azaltmak için pürüzsüz olmalıdır. Aşırı hızlı veya yavaş akış hızının ölçüm üzerindeki etkisinden kaçınarak, sıvı hızının ölçülebilir aralıkta olmasını sağlayacak akış düzenleme cihazlarının tasarlanması da gereklidir.
Dış kasa ve Sabitleme
Çalışma ortamının karmaşıklığı göz önüne alındığında, dış kaplama malzemelerinin seçimi, dahili elektronik bileşenleri ve dönüştürücüleri etkili bir şekilde koruyabilen, paslanmaz çelik veya mühendislik plastikleri gibi korozyona-dayanıklı ve yüksek-sıcaklığa{{2}dirençli malzemelerin seçilmesine odaklanır. Aynı zamanda gaz sayacının yüksek-basınçlı çalışma koşullarında stabilitesini sağlayacak güvenilir bir sabitleme mekanizması tasarlanmalıdır. Sabitleme cihazı boru hattının kurulum alanını ve çevre koşullarını dikkate almalıdır.
Elektrik ve Sinyal İşleme
Elektrik ve sinyal işleme açısından verimli bir elektrik bağlantı sisteminin tasarlanması, ultrasonik sinyallerin alınması, işlenmesi ve hesaplanması da dahil olmak üzere istikrarlı sinyal iletimi ve işlenmesinin sağlanması açısından aynı derecede önemlidir. Ultrasonik yayılma zaman farkını akış verisine dönüştürmek için ilgili algoritmaların ayrı ayrı tasarlanması gerekir.
Ölçüm Doğruluğu Faktörleri
Ultrasonik doğal gaz debimetrelerinin ölçüm doğruluğu aynı zamanda sensör kalitesi, ortam sıcaklığı, gaz akış hızı, gaz bileşimi ve basınç gibi birçok faktörle de ilgilidir. Bunlar arasında, ultrasonik doğal gaz akış ölçerlerin ölçüm doğruluğu, akış hızı dağılımı ile güçlü bir korelasyona sahiptir; bu durum, ölçüm hattındaki sıvı dağılımının, akış kanalı kesiti boyunca akış hızını yeterince yansıtabilmesini gerektirir.
Temel Tasarım Hususları
Ayrıca ultrasonik doğalgaz debimetre akış kanallarının yapısal tasarımında aşağıdaki faktörler dikkate alınmalıdır:
(1) Akış hızı değişiklikleri sırasında akış kanalındaki ultrasonik sinyal genliğinin zayıflaması; (2) Ultrasonik sinyaller, sistem ölçüm çözünürlüğünü iyileştirmek için sıvı akış hızı değişikliklerinden mümkün olduğunca önemli ölçüde etkilenmelidir; (3) Ölçüm hattından geçen sıvının anlık akış hızı, sistemin tam-aralıklı ölçüm gereksinimlerini karşılamalıdır.
Yukarıdaki faktörlerin birleştirilmesiyle tasarlanan ultrasonik doğal gaz debimetre akış kanalı modeli, Şekil 3.31'de gösterilen modelle SpaceClaim yazılımı kullanılarak tasarlanmış ve modellenmiştir.
Şekil 3.31
Gaz sayacı akış kanalı tasarımı iki parçadan oluşur: gaz boru hattına bağlanan kısım, diyaframlı gaz sayaçlarının boyutlarıyla aynı olan dairesel bir boruyu benimser. Ultrasonik sinyallerin yansıma etkisi ve akış hızı dağıtım düzeltmesinin uygulanması göz önüne alındığında, akış hızı ölçüm kısmı, içine üç adet akış düzleştirme kanadı monte edilmiş dikdörtgen bir akış kanalı yapısını benimser. Düzleştirme kanatları sıvı akış hızının eşit dağılımı için faydalıdır. Aynı zamanda, dikdörtgen akış kanalının iç çapındaki azalma, aynı giriş akış hızı koşulları altında, dikdörtgen akış kanalındaki anlık akış hızının daha hızlı olduğu, geçiş süresi farkının arttığı anlamına gelir, bu da ultrasonik doğal gaz akış ölçerin akış ölçüm çözünürlüğünü geliştirebilir. Piezoelektrik dönüştürücülerin kurulum yöntemiyle ilgili olarak, ultrasonik doğal gaz akış ölçerin küçük akış noktalarında ölçüm doğruluğunu sağlamak için yayılma yolu uzunluğunun uzatılması gerekir. Ancak yol uzunluğundaki artış, sinyal yayılımı sırasında enerji kaybına neden olacak ve sistem ölçüm doğruluğu ile sinyal zayıflama derecesi arasında iki açıdan denge kurulmasını gerektirecektir. AV-şekilli kurulum yapısı benimsenmiştir; iki dönüştürücü, düzleştirme kanatlarının uzunlamasına merkez çizgisine göre simetriktir.
Mesh Üretimi ve Kalitesi
Akışkanlar dinamiği simülasyonu yapılmadan önce ultrasonik doğal gaz debimetre akış kanalı modeli üzerinde ön işleme işlemleri gerçekleştirilir. Bir katı elde etmek için model onarımı ve basitleştirme tamamlandıktan sonra modelin iç akışkan bölgesi çıkarılır ve ağ bölünür. Ağ bölümünün kalitesi, sonraki simülasyon sonuçlarının güvenilirliğini ve kararlılığını doğrudan belirler. Fluent su geçirmez iş akışı, yüzey ağı oluşturma boyutu aralığını 0,1-4 mm'ye ayarlayarak, 2 boşluk doldurma katmanı kullanarak ve katı sınırlara yakınlık algılama uygulayarak yukarıdaki işlemi gerçekleştirmek için kullanılabilir. Bölünmüş yüzey ağının maksimum çarpıklığı 0,69 olup, iyi ağ kalitesini gösterir. Bu temelde, altı yüzlü-çokyüzlü dolgu hacim ağı kullanılmış, akışkan bölgeye sınır katmanları eklenmiş ve hacim ağının son ortogonal kalitesi 0,15'e ulaşmıştır. Mesh bağımsızlığı deneyleriyle birleştirildiğinde modelin mesh sayısının 1,2 milyon civarında olduğu belirlendi. Hacim ağ dağılımı Şekil 3.32'de gösterilmektedir.
Şekil 3.32
