Với tư cách là người tiên phong trongmáy đo lưu lượng siêu âm cho khí tự nhiêntrong ngành đo lường, trong 5 năm qua, chúng tôi đã phát hiện ra rằng với sự mở rộng liên tục của mạng lưới đường ống dẫn khí đô thị và sự cải tiến không ngừng về yêu cầu về độ chính xác của đồng hồ đo khí, đồng hồ đo khí cơ học truyền thống đã dần bộc lộ các vấn đề như hao mòn nghiêm trọng, tỷ lệ quay vòng hạn chế và khả năng thích ứng kém với các điều kiện vận hành khí trong quá trình vận hành{1}}lâu dài. Những vấn đề này gây khó khăn cho việc đáp ứng các yêu cầu đo khí hiện đại về độ chính xác cao, thông minh và tuổi thọ lâu dài. Máy đo lưu lượng khí tự nhiên siêu âm, do ưu điểm là không có bộ phận chuyển động cơ học, tỷ lệ quay vòng lớn, tổn thất áp suất thấp, dễ số hóa và liên lạc từ xa, đã dần trở thành một lựa chọn quan trọng trong lĩnh vực đo lưu lượng khí. Điều cần thiết là nhân viên thu mua phải hiểu nội dung sau đây trước khi đưa ra quyết định.
Nghiên cứu phân bố vận tốc dòng chảy
Do sự phân bố tốc độ dòng chảy của chất lỏng bên trong đường ống ảnh hưởng trực tiếp đến đường truyền của tín hiệu siêu âm nên sự phân bố tốc độ dòng chảy không-đồng nhất sẽ khiến tín hiệu siêu âm bị phân tán và suy giảm ở các mức độ khác nhau trong quá trình truyền trong đường ống, dẫn đến các hiện tượng như tỷ lệ tín hiệu-trên-nhiễu thấp của tín hiệu tiếng vang nhận được và sự suy giảm biên độ nghiêm trọng. Vì vậy, việc đảm bảo phân bố vận tốc dòng khí đồng đều bên trong đường ống là điều kiện tiên quyết để đạt được yêu cầu về độ chính xác đo lường củamáy đo lưu lượng khí siêu âm.
Trong trường hợp bình thường, dòng chất lỏng bị ảnh hưởng bởi lực nhớt có thể tạo ra hai chế độ dòng cơ bản (dòng chảy tầng và dòng chảy hỗn loạn), cũng liên quan đến các yếu tố như chế độ dòng chảy và độ nhớt động học của chất lỏng, đặc tính chất lỏng và các thông số đường ống. Hai chế độ dòng chảy này thường được phân biệt bằng số Reynolds (Re).
Khi Re Nhỏ hơn hoặc bằng 2300, chất lỏng ở trạng thái dòng chảy tầng. Lúc này, ảnh hưởng của lực nhớt lên các hạt chất lỏng lớn hơn lực quán tính, chế độ dòng chảy tương đối ổn định, không có hiện tượng chảy rối mà chỉ tồn tại thành phần vận tốc hướng trục. Sự phân bố vận tốc đồng đều, có dạng parabol. Vận tốc dòng chảy nhỏ hơn khi ở gần thành ống tròn và tăng dần về phía tâm ống, với biểu đồ vận tốc như trên Hình 3.29.
Vận tốc dòng chảy tại mỗi điểm trong ống tròn chỉ liên hệ với khoảng cách r từ điểm đó đến trục đường ống và định luật phân bố vận tốc của nó có thể được biểu diễn như sau:
Trong đó: vr là vận tốc dòng chảy tại khoảng cách r tính từ trục đường ống; v_m là tốc độ dòng chảy tại trục đường ống, là tốc độ dòng chảy tối đa trên toàn bộ mặt cắt ngang; R là bán kính đường ống.
Mối quan hệ giữa đường-vận tốc trung bình và vận tốc trung bình trên diện tích-có thể được biểu thị tương ứng bằng cách sử dụng vm như sau:
Bằng cách giải đồng thời các phương trình (3.16) và (3.17), hệ số hiệu chỉnh Reynolds có thể thu được và biểu thị dưới dạng:
Khi Re lớn hơn hoặc bằng 4000, chất lỏng ở trạng thái chảy rối. Lúc này, ảnh hưởng của lực quán tính lên các hạt chất lỏng là đáng kể hơn, chế độ dòng chảy tương đối hỗn loạn, các thành phần vận tốc dọc trục và dọc tồn tại đồng thời, sự phân bố vận tốc không-đồng đều, sức cản hỗn loạn tăng lên và đặc tính vận tốc được thể hiện trong Hình 3.30.
Do quá trình truyền dòng chảy rối thiếu lý thuyết liên quan và phương pháp phân tích cụ thể nên để tiếp tục nghiên cứu, các kỹ sư thường sử dụng chuỗi lũy thừa để tính toán gần đúng sự phân bố vận tốc trong các ống tròn trong điều kiện hỗn loạn, có thể biểu thị như sau:
Trong đó: giá trị của n liên quan đến độ nhám bề mặt đường ống và số Reynolds. Trong điều kiện lý tưởng khi thành trong của đường ống nhẵn, mối quan hệ giữa n và Re có thể được biểu thị bằng công thức Prandtl như sau:
Nghĩa là khi biết số Reynolds thì có thể tính được giá trị của n, từ đó xác định được đường cong phân bố vận tốc rối như trên Hình 3.30. Mối quan hệ giữa đường-vận tốc trung bình và vận tốc trung bình trên diện tích-có thể được biểu thị tương ứng bằng cách sử dụng v_m như:
Bằng cách giải đồng thời các phương trình (3.21) và (3.22), mối liên hệ giữa hệ số hiệu chỉnh Reynolds và n có thể thu được như sau:
Trong một đường ống nhiễu loạn được phát triển đầy đủ, mối quan hệ giữa hệ số hiệu chỉnh Reynolds và Re có thể được biểu thị như sau:
Cân nhắc kỹ thuật thực tế
Các công thức trên đều dựa trên các cuộc thảo luận được thực hiện trong điều kiện không có yếu tố gây nhiễu nào khác và có đủ chiều dài ống thẳng trước và sau đường ống đo. Tuy nhiên, trong các ứng dụng kỹ thuật thực tế, các yếu tố như phương pháp lắp đặt đầu dò, van đầu nguồn, các điểm uốn trước và sau đường ống đo đều sẽ gây ra sai lệch trong phân bố vận tốc dòng chảy bên trong, gây khó khăn khi áp dụng trong các quy trình đo thực tế. Vì vậy, nghiên cứu phân bố vận tốc dòng chảy đồng đều bên trong kênh dòng chảy là vô cùng quan trọng.
Thiết kế kết cấu máy đo lưu lượng khí tự nhiên bằng siêu âm
Máy đo lưu lượng khí tự nhiên siêu âm là thiết bị sử dụng công nghệ siêu âm để đo lưu lượng khí. Nghiên cứu mô phỏng và thiết kế cấu trúc của nó liên quan đến nhiều khía cạnh, chẳng hạn như thiết kế cảm biến, động lực học chất lỏng và truyền âm. Một sự hoàn chỉnhmáy đo lưu lượng khí siêu âmbao gồm các kênh dòng chảy, bộ chuyển đổi và mạch đo lường. Hệ thống này thực hiện thiết kế chương trình và mạch đo lường dựa trên các kênh dòng chảy và bộ chuyển đổi hiện có.
Thiết kế và lắp đặt đầu dò
Máy đo lưu lượng khí tự nhiên siêu âm thường có hai bộ chuyển đổi: máy phát và máy thu. Các cân nhắc về thiết kế bao gồm tần số, công suất và phạm vi nhiệt độ hoạt động của đầu dò để thích ứng với các đặc tính khí khác nhau. Vị trí lắp đặt đầu dò có ảnh hưởng quan trọng đến kết quả đo. Thông thường, máy phát và máy thu phải được bố trí đối xứng ở các vị trí khác nhau trên đường ống để đảm bảo đường truyền của tín hiệu siêu âm vẫn đồng nhất nhất có thể.
Thiết kế kênh chất lỏng
Khi thiết kế kênh chất lỏng của đồng hồ đo khí, cần biết đường kính trong của đường ống để phù hợp với phạm vi lưu lượng khí. Bề mặt bên trong của đường ống phải nhẵn để giảm nhiễu với dòng chất lỏng. Cũng cần thiết kế các thiết bị điều chỉnh dòng chảy để đảm bảo vận tốc chất lỏng nằm trong phạm vi có thể đo được, tránh ảnh hưởng của tốc độ dòng chảy quá nhanh hoặc quá chậm đến phép đo.
Vỏ ngoài và cố định
Xem xét mức độ phức tạp của môi trường làm việc, việc lựa chọn vật liệu vỏ ngoài tập trung vào việc chọn vật liệu-chống ăn mòn và chịu-nhiệt độ{2}}cao, chẳng hạn như thép không gỉ hoặc nhựa kỹ thuật, có thể bảo vệ hiệu quả các bộ phận điện tử và bộ chuyển đổi bên trong. Đồng thời, cần thiết kế cơ chế cố định đáng tin cậy để đảm bảo độ ổn định của đồng hồ đo khí trong điều kiện làm việc áp suất cao. Thiết bị cố định phải xem xét không gian lắp đặt và điều kiện môi trường của đường ống.
Xử lý điện và tín hiệu
Về mặt xử lý điện và tín hiệu, việc thiết kế một hệ thống kết nối điện hiệu quả cũng quan trọng không kém để đảm bảo truyền và xử lý tín hiệu ổn định, bao gồm cả việc thu, xử lý và tính toán tín hiệu siêu âm. Để chuyển đổi chênh lệch thời gian lan truyền siêu âm thành dữ liệu dòng chảy, các thuật toán tương ứng phải được thiết kế riêng.
Hệ số chính xác của phép đo
Độ chính xác đo của máy đo lưu lượng khí tự nhiên siêu âm cũng liên quan đến nhiều yếu tố, chẳng hạn như chất lượng cảm biến, nhiệt độ môi trường, tốc độ dòng khí, thành phần khí và áp suất. Trong số này, độ chính xác đo của máy đo lưu lượng khí tự nhiên siêu âm có mối tương quan chặt chẽ với sự phân bố tốc độ dòng chảy, đòi hỏi sự phân bố chất lỏng trong đường ống đo có thể phản ánh đầy đủ tốc độ dòng chảy trên mặt cắt-của kênh dòng chảy.
Những cân nhắc thiết kế chính
Ngoài ra, các yếu tố sau cần được xem xét trong thiết kế cấu trúc của kênh đo lưu lượng khí tự nhiên siêu âm:
(1) Sự suy giảm biên độ tín hiệu siêu âm trong kênh dòng chảy khi tốc độ dòng chảy thay đổi; (2) Tín hiệu siêu âm phải bị ảnh hưởng đáng kể nhất có thể do sự thay đổi tốc độ dòng chất lỏng để cải thiện độ phân giải đo của hệ thống; (3) Tốc độ dòng chảy tức thời của chất lỏng đi qua đường ống đo phải đáp ứng-các yêu cầu đo lường trong phạm vi đầy đủ của hệ thống.
Kết hợp các yếu tố trên, mô hình kênh đo lưu lượng khí tự nhiên siêu âm được thiết kế và mô hình hóa bằng phần mềm SpaceClaim, với mô hình như hình 3.31.
Hình 3.31
Thiết kế kênh lưu lượng của đồng hồ đo khí bao gồm hai phần: phần kết nối với đường ống dẫn khí thông qua một ống tròn, có kích thước giống hệt với kích thước của đồng hồ đo khí màng. Xem xét hiệu ứng phản xạ của tín hiệu siêu âm và việc thực hiện hiệu chỉnh phân bố tốc độ dòng chảy, phần đo tốc độ dòng chảy sử dụng cấu trúc kênh dòng chảy hình chữ nhật, với ba cánh điều chỉnh dòng chảy được lắp đặt bên trong. Các cánh gạt thẳng có lợi cho việc phân phối đồng đều tốc độ dòng chất lỏng. Đồng thời, việc giảm đường kính trong của kênh dòng hình chữ nhật có nghĩa là trong cùng điều kiện tốc độ dòng đầu vào, tốc độ dòng tức thời trong kênh dòng hình chữ nhật trở nên nhanh hơn, chênh lệch thời gian vận chuyển tăng lên, có thể cải thiện độ phân giải đo lưu lượng của máy đo lưu lượng khí tự nhiên siêu âm. Về phương pháp lắp đặt đầu dò áp điện, để đảm bảo độ chính xác của phép đo tại các điểm dòng chảy nhỏ của máy đo lưu lượng khí tự nhiên siêu âm, cần phải mở rộng chiều dài đường truyền. Tuy nhiên, việc tăng độ dài đường dẫn sẽ gây tổn thất năng lượng trong quá trình truyền tín hiệu, đòi hỏi sự cân bằng giữa độ chính xác của phép đo hệ thống và mức độ suy giảm tín hiệu từ hai khía cạnh. Cấu trúc lắp đặt hình AV{6}}được áp dụng, với hai bộ chuyển đổi đối xứng qua đường tâm dọc của các cánh gạt thẳng.
Tạo và chất lượng lưới
Trước khi tiến hành mô phỏng động lực học chất lỏng, các hoạt động tiền xử lý được thực hiện trên mô hình kênh đo lưu lượng khí tự nhiên siêu âm. Sau khi hoàn thành việc sửa chữa và đơn giản hóa mô hình để thu được chất rắn, vùng chất lỏng bên trong của mô hình được trích xuất và lưới được chia. Chất lượng phân chia lưới quyết định trực tiếp đến độ tin cậy và ổn định của kết quả mô phỏng tiếp theo. Bạn có thể sử dụng quy trình làm việc kín nước Fluent để thực hiện quy trình trên, đặt phạm vi kích thước tạo lưới bề mặt thành 0,1-4 mm, sử dụng 2 lớp lấp đầy khoảng trống, áp dụng tính năng phát hiện độ gần cho các ranh giới vững chắc. Độ lệch tối đa của lưới bề mặt được chia là 0,69, cho thấy chất lượng lưới tốt. Trên cơ sở này, lưới thể tích lấp đầy hình lục giác-đa diện được sử dụng, các lớp biên được thêm vào vùng chất lỏng và chất lượng trực giao cuối cùng của lưới thể tích đạt 0,15. Kết hợp với các thử nghiệm độc lập lưới, số lượng lưới của mô hình được xác định là khoảng 1,2 triệu. Sự phân bố khối lượng lưới được thể hiện trong hình 3.32.
Hình 3.32
