Sebagai pionir dalampengukur aliran ultrasonik untuk gas alamindustri pengukuran, selama 5 tahun terakhir kami telah menemukan bahwa dengan perluasan jaringan pipa gas perkotaan yang terus-menerus dan peningkatan persyaratan akurasi pengukuran gas yang berkelanjutan, meteran gas mekanis tradisional secara bertahap telah mengungkap masalah seperti keausan yang parah, rasio penghentian yang terbatas, dan kemampuan beradaptasi yang buruk terhadap kondisi pengoperasian gas selama-pengoperasian jangka panjang. Masalah-masalah ini mempersulit pemenuhan persyaratan pengukuran gas modern untuk presisi tinggi, kecerdasan, dan masa pakai yang lama. Pengukur aliran gas alam ultrasonik, karena keunggulannya karena tidak memiliki bagian mekanis yang bergerak, rasio turndown yang besar, kehilangan tekanan yang rendah, dan kemudahan digitalisasi dan komunikasi jarak jauh, secara bertahap menjadi pilihan penting di bidang pengukuran aliran gas. Penting bagi personel pengadaan untuk memahami konten berikut sebelum mengambil keputusan.
Penelitian Distribusi Kecepatan Aliran
Karena distribusi kecepatan aliran fluida di dalam pipa secara langsung mempengaruhi jalur propagasi sinyal ultrasonik, distribusi kecepatan aliran yang tidak seragam akan menyebabkan sinyal ultrasonik tersebar dan dilemahkan ke berbagai tingkat selama propagasi di dalam pipa, yang mengakibatkan fenomena seperti rasio sinyal-terhadap-kebisingan yang rendah dari sinyal gema yang diterima dan redaman amplitudo yang parah. Oleh karena itu, memastikan distribusi kecepatan aliran gas yang seragam di dalam pipa merupakan prasyarat untuk mencapai persyaratan akurasi pengukuranmeter aliran gas ultrasonik.
Dalam keadaan normal, aliran fluida yang dipengaruhi oleh gaya viskos dapat menghasilkan dua rezim aliran dasar (aliran laminar dan aliran turbulen), yang juga terkait dengan faktor-faktor seperti rezim aliran dan viskositas kinematik fluida, karakteristik fluida, dan parameter pipa. Kedua rezim aliran ini umumnya dibedakan berdasarkan bilangan Reynolds (Re).
Ketika Re Kurang dari atau sama dengan 2300, fluida berada dalam keadaan aliran laminar. Pada saat ini, pengaruh gaya viskos pada partikel fluida lebih besar daripada gaya inersia, rezim aliran relatif stabil tanpa fenomena turbulen, tetapi hanya ada komponen kecepatan aksial. Distribusi kecepatannya seragam, menghadirkan bentuk parabola. Kecepatan aliran lebih kecil di dekat dinding pipa melingkar dan secara bertahap meningkat menuju pusat pipa, dengan profil kecepatan ditunjukkan pada Gambar 3.29.
Kecepatan aliran pada setiap titik pada pipa melingkar hanya berhubungan dengan jarak r dari titik tersebut ke sumbu pipa, dan hukum distribusi kecepatannya dapat dinyatakan sebagai:
Dimana: vr adalah kecepatan aliran pada jarak r dari sumbu pipa; v_m adalah kecepatan aliran pada sumbu pipa, yang merupakan kecepatan aliran maksimum di seluruh penampang-; R adalah radius pipa.
Hubungan antara kecepatan-rata-rata garis dan kecepatan rata-rata-luas masing-masing dapat dinyatakan menggunakan vm sebagai:
Dengan menyelesaikan persamaan (3.16) dan (3.17) secara bersamaan, koefisien koreksi Reynolds dapat diperoleh dan dinyatakan sebagai:
Ketika Re Lebih besar dari atau sama dengan 4000, fluida berada dalam keadaan turbulen. Pada saat ini pengaruh gaya inersia terhadap partikel fluida semakin signifikan, rezim aliran relatif kacau, komponen kecepatan aksial dan longitudinal terdapat secara bersamaan, distribusi kecepatan tidak-seragam, resistensi turbulen meningkat, dan profil kecepatan ditunjukkan pada Gambar 3.30.
Karena proses perambatan aliran turbulen tidak memiliki teori yang relevan dan metode analisis khusus, untuk memajukan penelitian lebih lanjut, para insinyur biasanya menggunakan deret daya untuk menghitung perkiraan distribusi kecepatan dalam pipa melingkar dalam kondisi turbulen, yang dapat dinyatakan sebagai:
Dimana: nilai n berhubungan dengan kekasaran permukaan pipa dan bilangan Reynolds. Dalam kondisi ideal dimana dinding bagian dalam pipa mulus, hubungan antara n dan Re dapat dinyatakan dengan rumus Prandtl sebagai:
Artinya, bila bilangan Reynolds diketahui, maka nilai n dapat dihitung sehingga menentukan kurva distribusi kecepatan turbulen yang ditunjukkan pada Gambar 3.30. Hubungan antara kecepatan rata-rata-garis dan luas-kecepatan rata-rata dapat dinyatakan masing-masing menggunakan v_m sebagai:
Dengan menyelesaikan persamaan (3.21) dan (3.22) secara simultan, maka hubungan antara koefisien koreksi Reynolds dan n dapat diperoleh sebagai:
Dalam pipa turbulen yang dikembangkan sepenuhnya, hubungan antara koefisien koreksi Reynolds dan Re dapat dinyatakan sebagai:
Pertimbangan Rekayasa Praktis
Rumus di atas semuanya didasarkan pada diskusi yang dilakukan dalam kondisi tidak ada faktor pengganggu lainnya dan panjang pipa lurus yang memadai sebelum dan sesudah pipa pengukuran. Namun, dalam aplikasi teknik sebenarnya, faktor-faktor seperti metode pemasangan transduser, katup hulu, dan tikungan sebelum dan sesudah pipa pengukuran semuanya akan menyebabkan penyimpangan dalam distribusi kecepatan aliran internal, sehingga sulit untuk diterapkan dalam proses pengukuran sebenarnya. Oleh karena itu, penelitian tentang distribusi kecepatan aliran yang seragam di dalam saluran aliran sangatlah penting.
Desain Struktur Pengukur Aliran Gas Alam Ultrasonik
Pengukur aliran gas alam ultrasonik adalah perangkat yang menggunakan teknologi ultrasonik untuk mengukur aliran gas. Penelitian desain struktural dan simulasinya melibatkan berbagai aspek, seperti desain sensor, dinamika fluida, dan propagasi akustik. Lengkappengukur aliran ultrasonik gastermasuk saluran aliran, transduser, dan sirkuit pengukuran. Sistem ini melakukan pengukuran rangkaian dan perancangan program berdasarkan saluran aliran dan transduser yang ada.
Desain dan Pemasangan Transduser
Pengukur aliran gas alam ultrasonik biasanya memiliki dua transduser: pemancar dan penerima. Pertimbangan desain mencakup frekuensi, daya, dan rentang suhu pengoperasian transduser untuk beradaptasi dengan karakteristik gas yang berbeda. Posisi pemasangan transduser mempunyai pengaruh penting terhadap hasil pengukuran. Biasanya, pemancar dan penerima harus diatur secara simetris pada posisi berbeda pada pipa untuk memastikan bahwa jalur propagasi sinyal ultrasonik tetap seragam.
Desain Saluran Fluida
Saat merancang saluran fluida meteran gas, perlu diketahui diameter dalam pipa agar sesuai dengan rentang aliran gas. Permukaan bagian dalam pipa harus halus untuk mengurangi gangguan aliran fluida. Perangkat pengatur aliran juga perlu dirancang untuk memastikan bahwa kecepatan fluida berada dalam kisaran yang dapat diukur, menghindari dampak kecepatan aliran yang terlalu cepat atau lambat pada pengukuran.
Casing luar dan Fiksasi
Mengingat kompleksitas lingkungan kerja, pemilihan material selubung luar berfokus pada pemilihan material-tahan korosi dan-suhu-tinggi, seperti baja tahan karat atau plastik rekayasa, yang dapat secara efektif melindungi komponen elektronik internal dan transduser. Pada saat yang sama, mekanisme pemasangan yang andal harus dirancang untuk memastikan stabilitas meteran gas dalam-kondisi kerja bertekanan tinggi. Perangkat pemasangan harus mempertimbangkan ruang pemasangan dan kondisi lingkungan pipa.
Pemrosesan Listrik dan Sinyal
Dalam hal pemrosesan kelistrikan dan sinyal, merancang sistem sambungan listrik yang efisien sama pentingnya untuk memastikan transmisi dan pemrosesan sinyal stabil, termasuk penerimaan, pemrosesan, dan penghitungan sinyal ultrasonik. Untuk mengubah perbedaan waktu propagasi ultrasonik menjadi data aliran, algoritma yang sesuai harus dirancang secara terpisah.
Faktor Akurasi Pengukuran
Akurasi pengukuran pengukur aliran gas alam ultrasonik juga terkait dengan beberapa faktor, seperti kualitas sensor, suhu lingkungan, kecepatan aliran gas, komposisi gas, dan tekanan. Di antaranya, akurasi pengukuran pengukur aliran gas alam ultrasonik memiliki korelasi kuat dengan distribusi kecepatan aliran, sehingga distribusi fluida dalam pipa pengukuran harus cukup mencerminkan kecepatan aliran melintasi penampang saluran aliran-.
Pertimbangan Desain Utama
Selain itu, faktor-faktor berikut harus dipertimbangkan dalam desain struktural saluran aliran meteran gas alam ultrasonik:
(1) Redaman amplitudo sinyal ultrasonik pada saluran aliran selama perubahan kecepatan aliran; (2) Sinyal ultrasonik harus dipengaruhi secara signifikan oleh perubahan kecepatan aliran fluida untuk meningkatkan resolusi pengukuran sistem; (3) Kecepatan aliran sesaat fluida yang melewati pipa pengukuran harus memenuhi persyaratan pengukuran rentang penuh sistem.
Menggabungkan faktor-faktor di atas, model saluran aliran pengukur aliran gas alam ultrasonik yang dirancang dirancang dan dimodelkan menggunakan perangkat lunak SpaceClaim, dengan model ditunjukkan pada Gambar 3.31.
Gambar 3.31
Desain saluran aliran meteran gas terdiri dari dua bagian: bagian penghubung ke pipa gas menggunakan pipa melingkar, dengan dimensi yang sama dengan meteran gas diafragma. Mengingat efek refleksi sinyal ultrasonik dan penerapan koreksi distribusi kecepatan aliran, bagian pengukuran kecepatan aliran mengadopsi struktur saluran aliran persegi panjang, dengan tiga baling-baling pelurus aliran dipasang di dalamnya. Baling-baling pelurus bermanfaat untuk pemerataan kecepatan aliran fluida. Pada saat yang sama, pengurangan diameter dalam saluran aliran persegi panjang berarti bahwa dalam kondisi kecepatan aliran masuk yang sama, kecepatan aliran sesaat dalam saluran aliran persegi panjang menjadi lebih cepat, perbedaan waktu transit meningkat, yang dapat meningkatkan aliran resolusi pengukuran meteran aliran gas alam ultrasonik. Mengenai metode pemasangan transduser piezoelektrik, untuk memastikan akurasi pengukuran pada titik aliran kecil pengukur aliran gas alam ultrasonik, panjang jalur propagasi perlu diperpanjang. Namun bertambahnya panjang jalur akan menyebabkan hilangnya energi selama perambatan sinyal, sehingga memerlukan keseimbangan antara akurasi pengukuran sistem dan derajat redaman sinyal dari dua aspek. Struktur pemasangan berbentuk AV-diadopsi, dengan dua transduser simetris terhadap garis tengah memanjang baling-baling pelurus.
Generasi dan Kualitas Mesh
Sebelum melakukan simulasi dinamika fluida, dilakukan operasi preprocessing pada model saluran aliran flow meter gas alam ultrasonik. Setelah menyelesaikan perbaikan model dan penyederhanaan untuk mendapatkan padatan, wilayah fluida internal model diekstraksi dan mesh dibagi. Kualitas pembagian mesh secara langsung menentukan keandalan dan stabilitas hasil simulasi selanjutnya. Alur kerja kedap air Fluent dapat digunakan untuk menjalankan proses di atas, mengatur rentang ukuran pembuatan jaring permukaan menjadi 0,1-4 mm, menggunakan 2 lapisan pengisian celah, menerapkan deteksi kedekatan pada batas padat. Kemiringan maksimum jaring permukaan terbagi adalah 0,69, yang menunjukkan kualitas jaring yang baik. Atas dasar ini, mesh volume pengisian heksahedral-polihedral digunakan, lapisan batas ditambahkan ke daerah fluida, dan kualitas ortogonal akhir dari mesh volume mencapai 0,15. Dikombinasikan dengan eksperimen independensi mesh, jumlah mesh model ditentukan sekitar 1,2 juta. Distribusi volume mesh ditunjukkan pada Gambar 3.32.
Gambar 3.32
