Un débitmètre à ultrasons pour gaz fait référence à un débitmètre installé sur un pipeline avec du gaz en circulation et mesure le débit de gaz au moyen du principe ultrasonique. Un débitmètre à ultrasons de gaz à trajet unique fait référence à un appareil équipé d'un seul trajet acoustique, tandis qu'un débitmètre à ultrasons de gaz doté de deux trajets acoustiques ou plus est appelé débitmètre à ultrasons de gaz à trajets multiples.
Comment fonctionne un débitmètre à ultrasons ?Le principe de base pour mesurer la vitesse d'écoulement avec un débitmètre à ultrasons pour gaz est de calculer la vitesse d'écoulement, le débit, la densité et d'autres paramètres du fluide gazeux en mesurant le temps de propagation des ondes ultrasonores dans le milieu gazeux. Ce chapitre analyse principalement le principe de fonctionnement de la mesure du débit par ultrasons du temps de transit-et les facteurs affectant la mesure du débit, et réalise des études de simulation sur la façon d'améliorer la précision de la mesure du débit-, afin de préparer l'étude des méthodes de mesure du débit par ultrasons des gaz à trajets multiples-et de la modélisation des mécanismes.
Analyse du principe de fonctionnement du transit-Mesure du débit de gaz par ultrasons dans le temps
La méthode de mesure du débit de gaz par ultrasons-temps de transit-est une méthode de mesure du débit de gaz-dans laquelle, sur la même longueur de trajet du gaz, la différence de temps de propagation-entre deux signaux ultrasoniques voyageant en aval et en amont est utilisée pour déterminer la vitesse moyenne d'écoulement du gaz le long du trajet acoustique. Lorsque les ondes ultrasonores se propagent dans un milieu gazeux en écoulement, leur vitesse de propagation varie en fonction de la vitesse d'écoulement du gaz.
Plus précisément, la vitesse de propagation des ondes ultrasonores évolue dans le même sens que la vitesse du flux de gaz : lorsque la vitesse du flux de gaz augmente, la vitesse de l'onde ultrasonore se propageant dans le même sens augmente également en conséquence ; à l'inverse, si la vitesse du flux de gaz augmente tout en étant opposée à la direction de propagation des ultrasons, la vitesse des ultrasons diminuera en conséquence.
Structure de base d'un tuyau à ultrasons-Capteur de débit
Comme le montre la figure . 2.1, deux transducteurs ultrasoniques capables à la fois de transmettre et de recevoir des impulsions ultrasonores (appelés sondes ou transducteurs) sont intégrés d'un côté ou des deux côtés du pipeline. Le trajet réel du signal ultrasonore entre les transducteurs d’émission et de réception est appelé trajet acoustique ; ainsi, une paire de transducteurs forme un seul chemin acoustique. Une membrane de transmission du son ou une section de paroi de guide d'ondes acoustiques est disposée entre les transducteurs et le milieu fluide. Dans un débitmètre ultrasonique à trajet unique, la ligne du guide d'onde entre les deux transducteurs ultrasoniques coupe l'axe de l'instrument.
Fig. 2.1 Diagramme schématique du principe de la mesure du débit par ultrasons en temps de transit-
Comme le montre la figure . 2.1, le diamètre du tuyau est D. La distance en ligne droite-entre les faces d'extrémité des transducteurs A et B intégrés des deux côtés du pipeline est la longueur du trajet acoustique-L (également appelée distance acoustique L), et sa relation avec le diamètre D est
Fig. 2.1 Relation géométrique entre l'acoustique-longueur du trajet et le diamètre du tuyau-débitmètre à ultrasons à temps de transit
où φ est l'angle d'inclinaison du trajet acoustique, c'est-à-dire l'angle entre le trajet acoustique et l'axe du tuyau. L'angle d'inclinaison du trajet acoustique est également l'angle d'incidence de l'onde ultrasonore. L'angle d'incidence φ est affecté par la vitesse du son dans le fluide, ainsi que par la vitesse du son dans le coin et dans le matériau de la paroi du tuyau-.
En général, la variation de la vitesse du son avec la température dans les matériaux solides est inférieure à celle des matériaux gazeux. Lorsque la variation de température n'est pas importante, l'influence des matériaux des parois du coin et du tuyau-sur la précision des mesures peut être négligée ; cependant, lorsque la plage de variation de température est large, le changement important de vitesse du son dans les matériaux des parois du coin et du tuyau - doit être corrigé.
Pour un transducteur avec un angle d'incidence de 30 degrés, le coefficient de transmission est relativement élevé, la perte d'énergie est faible et la tension d'excitation requise est faible. Un tel transducteur convient aux débitmètres à ultrasons portables qui ne conviennent pas à l'utilisation d'une alimentation secteur. Un transducteur avec un angle d'incidence de 45 degrés a un coefficient de transmission relativement faible mais peut adopter une puce de transducteur plus grande et une tension d'excitation plus élevée, et convient donc aux débitmètres à ultrasons fixes ou à ceux qui peuvent utiliser une alimentation CA.
Principe de fonctionnement du transit-Mesure du débit de gaz par ultrasons dans le temps
La technologie de mesure du débit de gaz par ultrasons-temps de transit-détermine la vitesse d'écoulement moyenne axiale Vz sur le plan formé par le trajet acoustique et l'axe, en mesurant la différence de temps entre les ondes ultrasonores se propageant en aval et en amont dans le milieu gazeux. Les temps de transit des ondes ultrasonores diffèrent dans les directions aval et amont. Le temps de transit aval est de :
Fig. 2.2Équation du temps de transit des ultrasons en aval-
et le temps de transit en amont est
Fig. 2.3Équation du temps de transit des ultrasons en amont-
où C est la vitesse du son des ondes ultrasonores dans le fluide stationnaire mesuré, c'est-à-dire la vitesse du son ; Vz est la vitesse d'écoulement moyenne du fluide dans la direction axiale sur le plan formé par le trajet ultrasonore et l'axe du tuyau, également appelée vitesse moyenne du trajet.
Lorsque l'influence de la variation de la-vitesse du son due à l'environnement interne du tuyau n'est pas prise en compte, l'expression de la vitesse moyenne du trajet-est
Fig. 2.4 Expression pour la trajectoire-vitesse axiale moyenne
En mesurant le temps de transit en aval tD et le temps de transit en amont tU de l'onde ultrasonore, la différence de temps entre la propagation en amont et en aval est obtenue comme suit :
Fig. 2.5Définition du transit amont-aval-différence horaire
À l'aide de la méthode du-temps de transit, la vitesse-moyenne du trajet d'un trajet acoustique peut être obtenue. Sur la base des vitesses moyennes des différents chemins acoustiques et à l'aide d'algorithmes appropriés, la vitesse moyenne perpendiculaire à l'ensemble de la section transversale-peut être calculée, appelée vitesse moyenne en volume-V.
La méthode de mesure de la vitesse moyenne V du fluide (volume) du pipeline en mesurant la différence de temps de transit -entre la propagation ultrasonique en amont et en aval est appelée méthode de mesure du débit ultrasonique en-temps de transit-. Un débitmètre qui mesure le débit de fluide du pipeline à l'aide de la méthode ultrasonique à temps de transit-est appelé débitmètre à ultrasons à temps de transit-.
La relation entre la vitesse moyenne du trajet -sur le trajet acoustique d'un débitmètre à ultrasons à temps de transit-et la vitesse moyenne du volume-dans le pipeline est
Fig. 2.6 Définition du facteur de correction de la vitesse du débit-
où K est appelé le facteur de correction de la vitesse du flux-. Le facteur de correction de la vitesse d'écoulement-est dérivé du modèle mathématique du profil de distribution de vitesse dans la section de mesure du débitmètre. Selon le régime d'écoulement du gaz dans le pipeline, le facteur de correction de la vitesse d'écoulement - peut être obtenu. Ainsi, à partir des équations (2.4) et (2.6), la vitesse moyenne du gaz dans le pipeline est
Fig. 2.7 Relation entre le tuyau-vitesse moyenne et le chemin-vitesse moyenne
Le débit volumétrique peut être obtenu à partir de l’équation (2.7) comme suit :
Fig. 2.8Équation du débit volumétrique-débit
où A est la-section transversale du tuyau.
Après compensation de pression et de température du débit volumétrique, le débit massique peut être obtenu comme suit :
Fig. 2.9Équation de débit massique-avec correction pression-température-compressibilité
où Z est le facteur de compressibilité du gaz ; P0 et P sont les paramètres de pression dans des conditions standard et des conditions réelles, respectivement ; T0 et T sont les valeurs de température dans des conditions standard et des conditions réelles, respectivement ; et ρ0 est la densité du milieu gazeux dans des conditions standard.
Une fois la vitesse d'écoulement obtenue, le volume de fluide traversant un tuyau d'un diamètre donné sur une certaine période peut être calculé. Le débit volumique F traversant la canalisation en 1 h est de 79 :
Fig. 2.10 Volume horaire de fluide à travers le tuyau basé sur le principe de fonctionnement du débitmètre à ultrasons du temps de transit-mesure du temps-principe de fonctionnement du débitmètre à ultrasons
Principe de fonctionnement de base de la mesure du débit de gaz par ultrasons à trajets multiples
Les débitmètres à ultrasons pour gaz peuvent être divisés en types à trajet unique-et à trajets multiples-, tous deux basés sur le principe du temps de transit-pour la mesure du débit par ultrasons. À l'heure actuelle, parmi les produits similaires à l'étranger, le nombre de trajets acoustiques peut atteindre six. Dans un débitmètre à ultrasons multi-trajets, ViV_iVi représente la vitesse moyenne du trajet-sur le iii-ème trajet acoustique. Il est obtenu en mesurant les temps de transit des ultrasons en aval et en amont, en calculant la différence de temps entre eux, puis en calculant la vitesse moyenne du trajet.
Selon la relation entre les-vitesses moyennes du trajet de chaque trajet acoustique et les-facteurs de correction de la vitesse d'écoulement, la vitesse-moyenne du gaz en volume dans le pipeline peut être estimée comme
Fig. 2.11Équation de vitesse moyenne pondérée sur plusieurs-trajets-fonctionnement du débitmètre à ultrasons
où WiW_iWi est le coefficient de pondération de chaque trajet acoustique, et sa valeur dépend de l'algorithme d'intégration adopté.
Fig. 2.12Débit volumétrique à plusieurs-voies-équation de débit-débitmètre à ultrasons, comment ça marche
En théorie, plus il y a de chemins acoustiques, plus la précision des mesures doit être élevée. Cependant, l'expérience pratique a montré que lorsque le nombre de trajets acoustiques à travers la section transversale-atteint quatre, augmenter encore le nombre de trajets ne contribue que très peu à améliorer la précision, tout en augmentant considérablement les coûts de fabrication.
Analyse des facteurs affectant la mesure du débit de gaz par ultrasons
Selon les formules de calcul de la vitesse d'écoulement et du débit des débitmètres à ultrasons à gaz, la vitesse d'écoulement ou le débit est liée à plusieurs aspects, tels que les paramètres géométriques du tuyau de mesure, le facteur de correction de la vitesse d'écoulement (ou coefficient de pondération) et les valeurs mesurées du temps de propagation des ultrasons. L’analyse suivante est réalisée à partir de ces aspects.
Correction du facteur de vitesse du débit- et amélioration de la précision des mesures
Dans le débitmètre à ultrasons de gaz à temps de transit-ci-dessus, l'étude est basée sur l'état idéal dans lequel la vitesse moyenne du trajet-est uniformément répartie sur la section transversale du tuyau-. Dans des situations pratiques, en raison de la distribution non uniforme de la vitesse du fluide à travers la section transversale du tuyau, la vitesse obtenue par calcul est en fait la vitesse moyenne du trajet le long de la direction de propagation des ultrasons et de la direction axiale, obtenue à partir de la différence de temps de transit des ultrasons mesurée. Le débit volumétrique final calculé produira inévitablement des erreurs. Pour garantir l'exactitude des mesures, il est nécessaire de déterminer la relation entre les deux et de corriger la vitesse réelle mesurée à l'aide des principes de la mécanique des fluides ; c'est-à-dire qu'un facteur de correction de débit-K est introduit lors de la mesure avec un débitmètre volumétrique.
En raison de la complexité des états d'écoulement des fluides-dans les pipelines, les distributions de vitesse qui en résultent sont également complexes. Les recherches actuelles se limitent principalement à la distribution de vitesse dans des conditions idéales, c'est-à-dire à la distribution de vitesse sous écoulement laminaire et sous écoulement turbulent pleinement développé dans des conduites lisses. L'écoulement laminaire et l'écoulement turbulent sont deux états d'écoulement fondamentaux des fluides dans les canalisations. L'écoulement laminaire fait référence à l'état dans lequel les particules de fluide n'ont aucun mouvement transversal et seul le mouvement axial est pris en compte ; L'écoulement turbulent fait référence à l'état dans lequel les particules de fluide ont un mouvement à la fois axial et transversal. Étant donné que les caractéristiques d'écoulement diffèrent selon les états d'écoulement du pipeline, différentes distributions de vitesse sont obtenues.
Les caractéristiques d'écoulement d'un fluide sont influencées conjointement par la vitesse moyenne dans le tuyau, la viscosité cinématique et le diamètre du tuyau, tandis que le nombre de Reynolds ReReRe est un indice important pour évaluer l'état d'écoulement. Quand 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, le fluide commence à passer à un état turbulent, et cette région de transition est généralement également traitée comme un écoulement turbulent.
FAQ
Qu'est-ce qu'un débitmètre de gaz à ultrasons-à temps de transit ?
Un débitmètre de gaz à ultrasons à temps de transit-mesure le débit de gaz en envoyant des impulsions ultrasoniques en aval et en amont et en calculant la vitesse d'écoulement à partir de la différence entre leurs temps de transit.
Quelle est la différence entre les débitmètres à ultrasons à trajet unique-et à passages multiples- ?
Un débitmètre à trajet unique-utilise une paire de transducteurs et un trajet acoustique, tandis qu'un débitmètre à trajets multiples-utilise plusieurs trajets acoustiques à différentes hauteurs ou angles pour mieux capturer le profil de vitesse et améliorer la précision.
Pourquoi un facteur de correction de la vitesse du flux-est-il nécessaire ?
Étant donné que la répartition de la vitesse dans un tuyau n'est pas parfaitement uniforme, la vitesse mesurée le long d'un seul trajet acoustique n'est pas égale à la vitesse moyenne transversale-. Un facteur de correction relie les deux.
Quels facteurs affectent la précision de la mesure du débit de gaz par ultrasons ?
Les facteurs clés incluent la distorsion du profil de vitesse, les conditions d'installation, le nombre de Reynolds, la composition du gaz et la vitesse du son, les changements de température et de pression et les erreurs de traitement du signal.
