طراحی ساختاری جریان سنج گاز طبیعی اولتراسونیک

به عنوان پیشگام درفلومتر اولتراسونیک برای گاز طبیعیدر صنعت اندازه‌گیری، در طول 5 سال گذشته، ما کشف کرده‌ایم که با گسترش مداوم شبکه‌های خط لوله گاز شهری و بهبود مستمر الزامات دقت اندازه‌گیری گاز، کنتورهای گاز مکانیکی سنتی به تدریج مشکلاتی مانند سایش شدید، نسبت خاموشی محدود و سازگاری ضعیف با شرایط عملیاتی گاز در طول کارکرد طولانی مدت را آشکار کرده‌اند. این مسائل برآوردن الزامات مدرن اندازه گیری گاز برای دقت بالا، هوشمندی و عمر طولانی را دشوار می کند. دبی سنج گاز طبیعی اولتراسونیک به دلیل مزیت نداشتن قطعات متحرک مکانیکی، نسبت چرخش زیاد، افت فشار کم و سهولت دیجیتالی شدن و ارتباط از راه دور، به تدریج به یک انتخاب مهم در زمینه فلومترنج گاز تبدیل شده است. برای پرسنل تدارکات ضروری است که قبل از تصمیم گیری، محتوای زیر را درک کنند.

تحقیق توزیع سرعت جریان

از آنجایی که توزیع سرعت جریان سیال در داخل خط لوله مستقیماً بر مسیر انتشار سیگنال‌های مافوق صوت تأثیر می‌گذارد، توزیع غیریکنواخت سرعت جریان باعث می‌شود سیگنال‌های اولتراسونیک در حین انتشار در خط لوله به درجات مختلف پراکنده و ضعیف شوند، و در نتیجه پدیده‌هایی مانند سیگنال‌های کم‌تر{1}دریافت شده به{1}درصد کمتر می‌شود. تضعیف بنابراین، اطمینان از توزیع یکنواخت سرعت جریان گاز در داخل خط لوله، پیش نیازی برای دستیابی به الزامات دقت اندازه گیری است.دبی سنج گاز اولتراسونیک.

در شرایط عادی، جریان سیال تحت تأثیر نیروهای ویسکوز می‌تواند دو رژیم جریان اصلی (جریان آرام و جریان آشفته) ایجاد کند که به عواملی مانند رژیم جریان و ویسکوزیته سینماتیکی سیال، ویژگی‌های سیال و پارامترهای خط لوله مربوط می‌شوند. این دو رژیم جریان معمولاً با عدد رینولدز (Re) متمایز می شوند.

هنگامی که Re کمتر یا مساوی 2300 باشد، سیال در حالت جریان آرام قرار دارد. در این زمان، تأثیر نیروی ویسکوز بر ذرات سیال بیشتر از نیروی اینرسی است، رژیم جریان نسبتاً پایدار و بدون پدیده آشفته است، اما فقط اجزای سرعت محوری وجود دارد. توزیع سرعت یکنواخت است و یک شکل سهموی را ارائه می دهد. سرعت جریان در نزدیکی دیواره لوله دایره ای کوچکتر است و به تدریج به سمت مرکز خط لوله افزایش می یابد، با مشخصات سرعت نشان داده شده در شکل 3.29.

سرعت جریان در هر نقطه از لوله دایره ای فقط مربوط به فاصله r از آن نقطه تا محور خط لوله است و قانون توزیع سرعت آن را می توان به صورت زیر بیان کرد:

کجا: vr سرعت جریان در فاصله r از محور خط لوله است. v_m سرعت جریان در محور خط لوله است که حداکثر سرعت جریان در کل مقطع-است. R شعاع خط لوله است.

رابطه بین خط-سرعت متوسط ​​و مساحت-سرعت متوسط ​​را می توان به ترتیب با استفاده از vm به صورت زیر بیان کرد:

با حل معادلات (3.16) و (3.17) به طور همزمان می توان ضریب تصحیح رینولدز را به دست آورد و به صورت زیر بیان کرد:

وقتی Re بزرگتر یا مساوی 4000 باشد، سیال در حالت آشفته است. در این زمان، تأثیر نیروی اینرسی بر ذرات سیال قابل توجه‌تر است، رژیم جریان نسبتاً آشفته است، مولفه‌های سرعت محوری و طولی به طور همزمان وجود دارند، توزیع سرعت غیریکنواخت است، مقاومت آشفته افزایش می‌یابد و مشخصات سرعت در شکل 3.30 نشان داده شده است.

از آنجایی که فرآیند انتشار جریان آشفته فاقد تئوری مرتبط و روش‌های تحلیلی خاص است، برای پیشبرد تحقیقات بیشتر، مهندسان معمولاً از سری‌های توان برای محاسبه تقریبی توزیع سرعت در لوله‌های دایره‌ای تحت شرایط آشفته استفاده می‌کنند که می‌تواند به صورت زیر بیان شود:

جایی که: مقدار n مربوط به زبری سطح خط لوله و عدد رینولدز است. در شرایط ایده آل که دیواره داخلی خط لوله صاف است، رابطه بین n و Re را می توان با فرمول پراندتل به صورت زیر بیان کرد:

یعنی زمانی که عدد رینولدز شناخته شود، می توان مقدار n را محاسبه کرد و بدین ترتیب منحنی توزیع سرعت آشفته نشان داده شده در شکل 3.30 را تعیین کرد. رابطه بین خط-سرعت متوسط ​​و مساحت{2}}سرعت متوسط ​​را می توان به ترتیب با استفاده از v_m به صورت زیر بیان کرد:

با حل معادلات (3.21) و (3.22) به طور همزمان، رابطه بین ضریب تصحیح رینولدز و n را می توان به صورت زیر بدست آورد:

در یک خط لوله آشفته کاملاً توسعه یافته، رابطه بین ضریب تصحیح رینولدز و Re را می توان به صورت زیر بیان کرد:

ملاحظات مهندسی عملی

فرمول‌های بالا همگی بر اساس بحث‌هایی هستند که تحت شرایطی بدون عوامل مزاحم دیگر و طول لوله مستقیم کافی قبل و بعد از خط لوله اندازه‌گیری انجام شده‌اند. با این حال، در کاربردهای مهندسی واقعی، عواملی مانند روش نصب مبدل، دریچه‌های بالادست، و خم‌های قبل و بعد از خط لوله اندازه‌گیری، همگی باعث انحراف در توزیع سرعت جریان داخلی می‌شوند و اعمال آن را در فرآیندهای اندازه‌گیری واقعی دشوار می‌کنند. بنابراین، تحقیق در مورد توزیع یکنواخت سرعت جریان در داخل کانال جریان بسیار مهم است.

طراحی ساختاری جریان سنج گاز طبیعی اولتراسونیک

فلومتر گاز طبیعی اولتراسونیک دستگاهی است که از فناوری اولتراسونیک برای اندازه گیری جریان گاز استفاده می کند. طراحی ساختاری و تحقیقات شبیه‌سازی آن شامل جنبه‌های متعددی مانند طراحی حسگر، دینامیک سیالات و انتشار آکوستیک است. یک کاملفلومتر التراسونیک گازشامل کانال های جریان، مبدل ها و مدارهای اندازه گیری می شود. این سیستم طراحی مدار اندازه گیری و برنامه را بر اساس کانال های جریان و مبدل های موجود انجام می دهد.

طراحی و نصب مبدل

فلومتر گاز طبیعی اولتراسونیک معمولاً دارای دو مبدل است: یک فرستنده و یک گیرنده. ملاحظات طراحی شامل فرکانس، توان و محدوده دمای کارکرد مبدل برای انطباق با ویژگی های مختلف گاز است. موقعیت نصب مبدل ها تأثیر مهمی بر نتایج اندازه گیری دارد. به طور معمول، فرستنده ها و گیرنده ها باید به طور متقارن در موقعیت های مختلف روی خط لوله قرار گیرند تا اطمینان حاصل شود که مسیر انتشار سیگنال های اولتراسونیک تا حد امکان یکنواخت باقی می ماند.

طراحی کانال سیال

هنگام طراحی کانال سیال کنتور گاز، دانستن قطر داخلی خط لوله برای مطابقت با محدوده جریان گاز ضروری است. سطح داخلی خط لوله باید صاف باشد تا تداخل با جریان سیال کاهش یابد. همچنین لازم است دستگاه های تنظیم جریان طراحی شوند تا اطمینان حاصل شود که سرعت سیال در محدوده قابل اندازه گیری است و از تأثیر سرعت جریان بیش از حد سریع یا آهسته بر اندازه گیری جلوگیری می کند.

پوشش بیرونی و تثبیت

با توجه به پیچیدگی محیط کار، انتخاب مواد پوشش بیرونی بر انتخاب مواد مقاوم در برابر خوردگی و مقاوم در برابر خوردگی-درجه حرارت{2} بالا، مانند فولاد ضد زنگ یا پلاستیک های مهندسی تمرکز دارد که می تواند به طور موثر از قطعات الکترونیکی داخلی و مبدل ها محافظت کند. در عین حال، باید یک مکانیسم تثبیت قابل اعتماد برای اطمینان از پایداری کنتور گاز در شرایط کاری با فشار بالا طراحی شود. دستگاه ثابت باید فضای نصب و شرایط محیطی خط لوله را در نظر بگیرد.

پردازش الکتریکی و سیگنال

از نظر پردازش الکتریکی و سیگنال، طراحی یک سیستم اتصال الکتریکی کارآمد به همان اندازه برای اطمینان از انتقال و پردازش سیگنال پایدار، از جمله دریافت، پردازش و محاسبه سیگنال‌های اولتراسونیک، حیاتی است. برای تبدیل اختلاف زمان انتشار اولتراسونیک به داده های جریان، الگوریتم های مربوطه باید به طور جداگانه طراحی شوند.

عوامل دقت اندازه گیری

دقت اندازه گیری جریان سنج های گاز طبیعی اولتراسونیک نیز به عوامل متعددی مانند کیفیت سنسور، دمای محیط، سرعت جریان گاز، ترکیب گاز و فشار مرتبط است. در این میان، دقت اندازه‌گیری جریان‌سنج‌های گاز طبیعی اولتراسونیک با توزیع سرعت جریان همبستگی قوی دارد، که مستلزم آن است که توزیع سیال در خط لوله اندازه‌گیری بتواند به اندازه کافی سرعت جریان را در سطح مقطع کانال جریان منعکس کند.

ملاحظات کلیدی طراحی

علاوه بر این، عوامل زیر باید در طراحی ساختاری کانال های جریان سنج گاز طبیعی اولتراسونیک در نظر گرفته شود:

(1) تضعیف دامنه سیگنال اولتراسونیک در کانال جریان در طول تغییرات سرعت جریان. (2) سیگنال های اولتراسونیک باید تا حد امکان تحت تأثیر تغییرات سرعت جریان سیال قرار گیرند تا وضوح اندازه گیری سیستم بهبود یابد. (3) سرعت جریان لحظه ای سیال که از خط لوله اندازه گیری می گذرد باید الزامات اندازه گیری برد کامل سیستم را برآورده کند.

با ترکیب عوامل فوق، مدل کانال جریان سنج گاز طبیعی اولتراسونیک طراحی شده با استفاده از نرم افزار SpaceClaim با مدل نشان داده شده در شکل 3.31 طراحی و مدل سازی شد.

شکل 3.31

طراحی کانال جریان کنتور گاز از دو بخش تشکیل شده است: قسمتی که به خط لوله گاز متصل می‌شود، یک لوله دایره‌ای با ابعاد یکسان با کنتورهای گاز دیافراگمی دارد. با در نظر گرفتن اثر انعکاس سیگنال‌های اولتراسونیک و اجرای تصحیح توزیع سرعت جریان، بخش اندازه‌گیری سرعت جریان یک ساختار کانال جریان مستطیلی را با سه پره صاف‌کننده جریان در داخل نصب می‌کند. پره های صاف کننده برای توزیع یکنواخت سرعت جریان سیال مفید هستند. در عین حال، کاهش قطر داخلی کانال جریان مستطیلی به این معنی است که تحت شرایط سرعت جریان ورودی یکسان، سرعت جریان لحظه‌ای در کانال جریان مستطیلی سریع‌تر می‌شود، اختلاف زمان عبور افزایش می‌یابد، که می‌تواند وضوح اندازه‌گیری جریان جریان سنج گاز طبیعی اولتراسونیک را بهبود بخشد. با توجه به روش نصب مبدل های پیزوالکتریک، برای اطمینان از دقت اندازه گیری در نقاط جریان کوچک جریان سنج گاز طبیعی اولتراسونیک، طول مسیر انتشار باید افزایش یابد. با این حال، افزایش طول مسیر باعث اتلاف انرژی در حین انتشار سیگنال می‌شود که نیاز به تعادل بین دقت اندازه‌گیری سیستم و درجه تضعیف سیگنال از دو جنبه دارد. ساختار نصب-شکل AV با دو مبدل متقارن در مورد خط مرکزی طولی پره های صاف کننده اتخاذ شده است.

تولید مش و کیفیت

قبل از انجام شبیه‌سازی دینامیک سیالات، عملیات پیش پردازش بر روی مدل کانال جریان سنج گاز طبیعی اولتراسونیک انجام می‌شود. پس از اتمام تعمیر مدل و ساده سازی برای به دست آوردن جامد، ناحیه سیال داخلی مدل استخراج شده و مش تقسیم می شود. کیفیت تقسیم مش به طور مستقیم قابلیت اطمینان و پایداری نتایج شبیه سازی بعدی را تعیین می کند. جریان کار ضد آب Fluent را می توان برای اجرای فرآیند فوق استفاده کرد، محدوده اندازه تولید مش سطحی را روی 0.1-4 میلی متر، با استفاده از 2 لایه پرکننده شکاف، اعمال تشخیص مجاورت برای مرزهای جامد استفاده کرد. حداکثر چولگی مش سطح تقسیم شده 0.69 است که نشان دهنده کیفیت مش خوب است. بر این اساس از مش حجمی پر شده شش وجهی-چند وجهی استفاده می شود، لایه های مرزی به ناحیه سیال اضافه می شود و کیفیت متعامد نهایی مش حجمی به 0.15 می رسد. همراه با آزمایش‌های استقلال مش، تعداد مش مدل حدود 1.2 میلیون تعیین شده است. توزیع مش حجمی در شکل 3.32 نشان داده شده است.

شکل 3.32