Підвищення точності ультразвукових витратомірів в умовах спотворень структури потоку - Роман, Віталій Іванович (Національний університет "Львівська політехніка", 2015)
У дисертаційній роботі розв’язано важливу науково-прикладну задачу – підвищення точності вимірювання витрати за допомогою ультразвукових витратомірів шляхом зменшення додаткової похибки зумовленої спотворенням структури потоку. Уточнено класифікацію та вимоги до вибору ультразвукових витратомірів газу для їх застосування в умовах спотворень структури потоку. Удосконалено рівняння відносної похибки системи вимірювання витрати газу на базі УЗВ, що дозволило врахувати додаткові складові похибки вимірювання витрати. Удосконалено метод визначення координат розташування акустичних каналів УЗВ та їх вагових коефіцієнтів, що дозволило підвищити точність інтегрування профілю швидкості потоку, зокрема, і в умовах спотворень його структури. Запропоновано методологію удосконалення математичної моделі УЗВ на основі результатів CFD-моделювання та наявних еталонних даних про вимірювану витрату, на основі якої удосконалено математичну модель багатоканальних УЗВ та розроблено методику дослідження похибки УЗВ в умовах потоків зі спотвореною структурою. Методика впроваджена в ПрАТ «Енергооблік» (м. Харків), застосована для дослідження додаткової похибки двоканальних УЗВ, зумовленої спотворенням структури потоку, для розроблення рекомендацій щодо усунення цієї похибки та удосконалення нормативних документів з вимірювання витрати за допомогою УЗД. В диссертационной работе решена важная научно-прикладная задача – повышение точности измерения расхода с помощью ультразвуковых расходомеров газа путем устранения дополнительной составляющей погрешности измерения расхода обусловленной искажением структуры потока. Уточнено классификацию ультразвуковых расходомеров газа и сформированы требования к выбору ультразвуковых расходомеров для измерения расхода в условиях искажений структуры потока. Для повышения точности измерения расхода в условиях искажения структуры потока рекомендуется использовать многоканальный хордовый ультразвуковой расходомер по разностному времяимпульсному методу измерения расхода с врезным способом установки электроакустических преобразователей. Проведен анализ современных методов расчета скорости газа в природном газе и их тестирование относительно высокоточных экспериментальных данных. Разработаны рекомендации по применению этих методов в системах измерения расхода газа на базе ультразвуковых расходомеров, а также для моделирования таких систем. Используя анализ факторов влияния на метрологические характеристики ультразвуковых расходомеров, проведено оценку диапазонов значений их основных и дополнительных погрешностей. Это дает возможность уточнить характеристики точности ультразвуковых расходомеров в определенных областях их применения, в частности в условиях измерения расхода потоков с искаженной структурой. Усовершенствовано уравнение относительной погрешности системы измерения расхода на базе ультразвукового расходомера газа, которое, в отличие от существующих, позволяет учесть дополнительные составляющие погрешности измерения расхода, возникающих в условиях эксплуатации ультразвуковых расходомеров. За результатами CFD-моделирования разработана методика определения зависимости корректирующего коэффициента от числа Рейнольдса для диаметральных ультразвуковых расходомеров, что позволяет разработать расходомеры для задач, не требующих высокой точности измерения расхода, без применения дорогостоящей процедуры их калибровки. За результатами разработанной методики, получена аналитическая зависимость корректирующего коэффициента от числа Рейнольдса для диаметрального расходомера с диапазоном числа Рейнольдса от 4104 до 6105, что обеспечивает вычисление значений коэффициента с отклонением не более 0,5 % относительно зависимости Никурадзе. Усовершенствован метод для определения координат расположения акустических каналов многоканальных ультразвуковых расходомеров и их весовых коэффициентов. Усовершенствование проведено с помощью уточнения весовой функции численного метода интегрирования Гаусса-Якоби, что позволило повысить точность интегрирования профиля скорости потока, в том числе и в условиях искажений его структуры. Усовершенствованный метод определения координат расположения акустических каналов и их весовых коэффициентов применен для хордовых ультразвуковых расходомеров с количеством акустических каналов от 2 до 6 при проектировании расходомеров, в частности в АО «Энергоучет» (Харьков). На основании результатов CFD-моделирования и имеющихся эталонных данных об измеряемом расходе, предложена методология совершенствования математической модели ультразвукового расходомера. Суть совершенствование заключается в возможности устранить составляющие погрешности математической модели вследствие неточности воспроизведения конструкции ультразвукового расходомера и неточности воспроизведения газодинамических свойств потока средствами для CFD-моделирования. За результатами реализации предложенной методологии на основе результатов экспериментальных исследований ультразвукового расходомера газа ГУВР-011, усовершенствована его математическая модель, что позволило применить ее для исследования погрешности этого ультразвукового расходомера в условиях искажений структуры потока, возникающие при установке на измерительном трубопроводе типичных местных сопротивлений. Разработана методика исследования погрешности ультразвуковых расходомеров в условиях потоков с искаженной структурой, предусматривающая применение усовершенствованной математической модели ультразвукового расходомера и позволяет выполнять исследования, как на этапе проектирования расходомеров, так и для действующих моделей. Методика исследования погрешности ультразвуковых расходомеров внедрена в АО «Энергоучет» (Харьков). По разработанной методике выполнено исследование дополнительной погрешности двухканальных хордовых ультразвуковых расходомеров, обусловленной искажением структуры потока, и сформированы рекомендации по выбору минимальных длин прямолинейных участков измерительного трубопровода после типичных местных сопротивлений. Применение разработанных рекомендаций обеспечивает уменьшение указанной составляющей погрешности при установке таких расходомеров и является базой для совершенствования нормативных документов по измерению расхода с помощью ультразвуковых расходомеров. The dissertation work is devoted to important scientific and applied problem –improving the accuracy of ultrasonic flowmeters by elimination of additional error of flow measurement caused by flow structure distortion. The classification of ultrasonic gas flowmeters and requirements for their choice in conditions of flow structure distortion are improved. The equation for relative error of flow measurement system based on ultrasonic gas flowmeters is improved. This equation provides the possibility to take into account the additional error of flowrate measurement. The method for determination of the coordinates of location of acoustic channels of ultrasonic flowmeters and their weight factors is improved. Therefore it was increased the accuracy of integration of flow velocity profile particularly in conditions of its structure distortion. The methodology of improving of mathematical model of ultrasonic flowmeter based on CFD-modeling results and available reference data about measured flowrate is proposed. Based on this methodology the mathematical model of multichannel ultrasonic flowmeter is improved and the method of investigation of the error of multichannel ultrasonic flowmeters in conditions of distortion of the flow structure is developed. The method is implemented at the private joint stock company "Energooblik" (the city of Kharkiv, Ukraine). It is applied for investigation of the additional error of two-channel gas ultrasonic flowmeters caused by flow structure distortion, for the development the recommendations for elimination of such error and also for improvement the flow measurement regulatory documents.
Повышение точности ультразвуковых расходомеров в условиях искажений структуры потока
Improving the accuracy of ultrasonic flowmeters in conditions of distortion of flow structure
Keywords: ультразвукові витратоміри; структура потоку; додаткова похибка; математична модель; CFD-моделювання; методика дослідження; ультразвуковые расходомеры; структура потока; дополнительная погрешность; математическая модель; CFD-моделирование; методика исследования; ultrasonic flowmeters; flow structure; additional error; mathematical model; CFD-modeling; research method