Tiêu chuẩn TCVN 12037:2017 Đồng hồ siêu âm kiểu thời gian chuyển tiếp cho chất lỏng

TIÊU CHUẨN QUỐC GIA

TCVN 12037:2017

IEC 12242:2012

ĐO LƯU LƯỢNG CHẤT TRONG ỐNG DẪN KÍN - ĐỒNG HỒ SIÊU ÂM KIỂU THỜI GIAN CHUYỂN TIẾP CHO CHẤT LỎNG

Measurement of fluid flow in closed conduits - Ultrasonic transit-time meters for liquid

Mục lục

Lời nói đầu

1  Phạm vi áp dụng

2  Tài liệu viện dẫn

3  Thuật ngữ và định nghĩa

4  Nguyên tắc đo

5  Các yêu cầu tính năng

6  Độ không đảm bảo đo

7  Lắp đặt

8  Thử nghiệm và hiệu chuẩn

9  Thử nghiệm tính năng

10  Đặc tính của đồng hồ

11  Thực hành hoạt động

Phụ lục A (Quy định) - Hiệu chính nhiệt độ và áp suất

Phụ lục B (Tham khảo) - Ảnh hưởng của sự thay đổi độ nhám

Phụ lục C (Tham khảo) - Ví dụ về tính toán độ không đảm bảo

Phụ lục D (Tham khảo) - Các tài liệu

Thư mục tài liệu tham khảo

Lời nói đầu

TCVN 12037:2017 hoàn toàn tương đương với ISO 12242:2012;

TCVN 12037:2017 do Ban kỹ thuật tiêu chuẩn quốc gia TCVN/TC 30 Đo lưu lượng lưu chất trong ống dẫn kín biên soạn, Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng đề nghị, Bộ Khoa học và Công nghệ công bố.

 

ĐO LƯU LƯỢNG LƯU CHẤT TRONG ỐNG DẪN KÍN - ĐỒNG HỒ SIÊU ÂM KIỂU THỜI GIAN CHUYỂN TIẾP CHO CHẤT LỎNG

Measurement of fluid flow in closed conduits - Ultrasonic transit-time meters for liquid

1  Phạm vi áp dụng

Tiêu chuẩn này quy định các yêu cầu và khuyến nghị cho đồng hồ siêu âm đo lưu lượng chất lỏng, sử dụng thời gian chuyển tiếp của tín hiệu siêu âm để đo lưu lượng chất lỏng đồng nhất một pha trong ống dẫn kín.

Tiêu chuẩn không giới hạn kích thước nhỏ nhất hoặc lớn nhất của đồng hồ.

Tiêu chuẩn này quy định tính năng, hiệu chuẩn và đặc tính đầu ra của đồng hồ siêu âm (USMs) đo lưu lượng chất lỏng và phù hợp với điều kiện lắp đặt. Đồng hồ siêu âm bao gồm việc lắp đặt có và không có hệ thống kiểm chứng chuyên dụng (hiệu chuẩn). Đồng hồ siêu âm bao gồm các bộ chuyển đổi gắn bên trong và bộ chuyển đổi kẹp bên ngoài (được sử dụng trong cấu hình mà trong đó trùm tia tín hiệu không bị bức xạ và bị bức xạ). Đồng hồ siêu âm cũng bao gồm cả đồng hồ tích hợp trên thân đồng hồ khác và đồng hồ với các bộ chuyển đổi gắn trên bề mặt.

2  Tài liệu viện dẫn

Các tài liệu viện dẫn dưới đây là cần thiết cho việc áp dụng tiêu chuẩn này. Đối với các tài liệu ghi năm công bố thì áp dụng bản được nêu. Đối với các tài liệu không ghi năm công bố thì áp dụng bản mới nhất, bao gồm cả các sửa đổi.

TCVN 8112(ISO 4006), Đo lưu lượng lưu chất trong ống dẫn kín - Từ vựng và ký hiệu

3  Thuật ngữ và định nghĩa

Tiêu chuẩn này sử dụng các thuật ngữ và định nghĩa trong ISO 4006 và các thuật ngữ và định nghĩa dưới đây.

3.1  Đại lượng (Quantities)

3.1.1

Lưu lượng thể tích (volume flowrate)

q_v

trong đó:

V: là thể tích

t: là thời gian

CHÚ THÍCH: Chấp nhận TCVN 7870-4:2007 (ISO 80000-4:2006), [42] 4-30.

3.1.2

Áp suất đo (metering pressure)

Áp suất tuyệt đối của lưu chất trong đồng hồ đo dưới điều kiện dòng liên quan đến thể tích chất lỏng được hiển thị.

3.1.3

Vận tốc trung bình trong thân đồng hồ đo (mean velocity in the meter body)

v

Lưu lượng lưu chất chia cho tiết diện của thân đồng hồ.

3.1.4

Vận tốc ống trung bình (mean pipe velocity)

v_p

Lưu lượng lưu chất chia cho tiết diện của ống phía dòng vào.

3.1.5

Vận tốc đường truyền (path velocity)

Vận tốc lưu chất trung bình trên một đường truyền siêu âm.

3.1.6

Số Reynold (Reynold number)

Tham số không thứ nguyên thể hiện tỷ số giữa quán tính và lực nhớt.

3.1.7

Số Reynold ống (Reynold number pipe)

Re_D

Tham số không thứ nguyên thể hiện tỷ số giữa lực quán tính và lực nhớt trong ống dẫn.

Trong đó:

ρ là khối lượng riêng

v_p là vận tốc ống trung bình

D là đường kính trong ống

μ là độ nhớt động lực học

v_kv là độ nhớt động học

CHÚ THÍCH: Trường hợp đồng hồ đo có đường kính trong giảm, có thể xác định số Reynolds của cổ ống, theo định nghĩa vận tốc trung bình thân đồng hồ, đường kính bên trong của đồng hồ và độ nhớt động học.

3.2  Thiết kế đồng hồ (Meter design)

3.2.1

Thân đồng hồ đo (meter body)

Cấu trúc chịu áp của đồng hồ.

3.2.2

Đường truyền siêu âm (ultrasonic path)

Đường truyền của tín hiệu siêu âm giữa hai bộ biến đổi siêu âm.

3.2.3

Đường truyền dọc trục (axial path)

Đường truyền của tín hiệu siêu âm trùng hoặc song song với trục của ống

3.2.4

Đường truyền xuyên tâm (diametrical path)

Đường truyền siêu âm qua đó tín hiệu siêu âm di chuyển qua đường tâm hoặc trục dọc của đường ống

3.2.5

Đường truyền dây cung (chordal path)

Đường truyền siêu âm nhờ đó tín hiệu siêu âm di chuyển song song với đường truyền xuyên tâm.

3.2.6

Lắp đặt ngoài hiện trường (field mounted)

Bên ngoài ống, được gắn tại chỗ, không phải để khi hiệu chuẩn tại phòng thử nghiệm.

3.3  Điều kiện nhiệt động học (thermodynamic conditions)

3.3.1

Điều kiện đo (metering conditions)

Điều của lưu chất trong đo thể tích lưu chất được đo, tại điểm đo

CHÚ THÍCH: Được biết đến như là điều kiện vận hành hay điều kiện thực tế.

3.3.2

Điều kiện tiêu chuẩn (standard conditions)

Điều kiện nhiệt độ và áp suất đo xác định sử dụng trong đo lượng lưu chất để một thể tích tiêu chuẩn là thể tích chiếm được bởi một lượng lưu chất khi nó ở áp suất và nhiệt độ tiêu chuẩn.

CHÚ THÍCH 1: Điều kiện tiêu chuẩn có thể được xác định theo quy định hoặc hợp đồng.

CHÚ THÍCH 2: Không khuyến khích thay thế bằng các thuật ngữ: Điều kiện qui chiếu, Điều kiện cơ bản, điều kiện thông thường vv...

CHÚ THÍCH 3: Điều kiện đo và điều kiện tiêu chuẩn chỉ liên quan đến thể tích chất lỏng được đo và hiển thị, và không nên nhầm lẫn với điều kiện vận hành hoặc điều kiện quy chiếu, (xem TCVN 6165:2009 (ISO/IEC Guide 99:2007),^[44] 4.9 và 4.11), đề cập đến đại lượng ảnh hưởng (xem TCVN 6165:2009 (ISO/IEC Guide 99:2007),^[44] 2.52)

3.3.3

Điều kiện quy định (specified conditions)

Điều kiện của lưu chất tại đó thông số kỹ thuật về tính năng của đồng hồ được đưa ra.

3.4  Thống kê (statistics)

3.4.1

Sai số (error)

Giá trị đại lượng đo được trừ giá trị đại lượng qui chiếu.

[TCVN 6165:2009 (ISO/IEC Guide 99:2007),^[44] 2.16]

3.4.2

Độ lặp lại (của kết quả phép đo) (repeatability (of results of measurements))

Mức độ gần nhau giữa kết quả các phép đo liên tiếp của cùng một đại lượng đo được thực hiện trong cùng điều kiện đo

CHÚ THÍCH 1: Các điều kiện này được gọi là điều kiện lặp lại

CHÚ THÍCH 2: Điều kiện lặp lại bao gồm:

- Cùng một quy trình;

- Cùng một người quan sát

- Cùng một dụng cụ đo, được sử dụng trong cùng điều kiện

- Cùng một địa điểm

- Lặp lại trong một khoảng thời gian ngắn

CHÚ THÍCH 3: Độ lặp lại có thể được thể hiện theo định lượng về đặc tính phân tán của các kết quả

[TCVN 9595-3:2013 (ISO/IEC Guide 98-3:2008),^[43] B.2.15]

3.4.3

Độ tái lập (của kết quả phép đo) (reproducibility (of results of measurements))

Mức độ gần nhau giữa kết quả các phép đo liên tiếp của cùng một đại lượng đo được thực hiện trong điều kiện đo thay đổi

CHÚ THÍCH 1: Công bố có hiệu lực về độ lặp lại yêu cầu các quy định kỹ thuật về các điều kiện được thay đổi.

CHÚ THÍCH 2: Điều kiện thay đổi có thể bao gồm:

- Nguyên lý của phép đo.

- Phương pháp đo.

- Người quan sát.

- Dụng cụ đo.

- Tiêu chuẩn tham chiếu.

- Địa điểm.

- Điều kiện sử dụng.

- Thời gian.

CHÚ THÍCH 3: Độ tái lập có thể được thể hiện theo định lượng về đặc tính phân tán của các kết quả

CHÚ THÍCH 4: Các kết quả ở đây thường được hiểu là kết quả đã hiệu chính.

3.4.4

Độ phân giải (resolution)

Chênh lệch nhỏ nhất giữa các số chỉ của một đồng hồ mà có thể phân biệt được một cách rõ ràng.

3.4.5

Giá trị đọc dòng “không” (“zero” flow reading)

Giá trị đọc của của đồng hồ đo khi chất lỏng ở trạng thái dừng; nghĩa là cả thành phần vận tốc dọc trục và không dọc trục đều là “không”.

3.4.6

Tuyến tính hóa (linearization)

Cách giãn phi tuyến của USM, bằng cách áp dụng hệ số hiệu chính.

CHÚ THÍCH: Sự tuyến tính hóa có thể được áp dụng trong những bộ phận điện tử của đồng hồ đo hoặc trong máy tính lưu lượng kết nối với USM. Sự hiệu chính có thể là ví dụ tuyến tính hóa thông minh từng phần hoặc tuyến tính hóa đa thức.

3.4.7

Độ không đảm bảo (của phép đo) (uncertainty (of measurement))

Tham số, gắn với kết quả đo, đặc trưng cho sự phân tán của các giá trị có thể được quy cho đại lượng đo một cách hợp lý.

CHÚ THÍCH 1: Tham số có thể là, ví dụ, độ lệch chuẩn (hoặc một bội xác định của nó), hoặc nửa của khoảng, với mức tin cậy quy định.

CHÚ THÍCH 2: Nói chung, độ không đảm bảo đo bao gồm nhiều thành phần. Một số thành phần có thể đánh giá bằng phân bố thống kê của các kết quả từ dãy các phép đo và có thể được đặc trưng bằng độ lệch chuẩn thực nghiệm. Các thành phần khác, cũng có thể được đặc trưng bằng độ lệch chuẩn, được đánh giá từ phân bố xác suất giả định dựa trên thực nghiệm hoặc thông tin khác.

CHÚ THÍCH 3: Kết quả đo là ước lượng tốt nhất của giá trị đại lượng đo và tất cả thành phần của độ không đảm bảo, gồm cả các thành phần xuất hiện từ những tác động hệ thống như thành phần gắn với sự hiệu chính và chuẩn đo lường, đều góp phần vào sự phân tán.

[TCVN 9595-3:2013 (ISO/IEC Guide 98-3:2008),^[43] B.2.18]

3.4.8

Độ không đảm bảo chuẩn (standard uncertainty)

u

Độ không đảm bảo của kết quả đo được thể hiện như là độ lệch chuẩn.

TCVN 9595-3:2013 (ISO/IEC Guide 98-3:2008),^[43] 2.3.1]

3.4.9

Độ không đảm bảo mở rộng (expanded uncertainty)

U

Đại lượng xác định khoảng kết quả đo có thể được kỳ vọng phủ phần lớn phân bố các giá trị có thể quy cho đại lượng đo một cách hợp lý.

[TCVN 9595-3:2013 (ISO/IEC Guide 98-3:2008),^[43] 2.3.5]

CHÚ THÍCH 1: Phần lớn thường là 95% và thường gắn với hệ số phủ k = 2

CHÚ THÍCH 2: Độ không đảm bảo mở rộng thường được xem như là độ không đảm bảo

3.4.10

Hệ số phủ (coverage factor)

Thừa số được dùng để nhân với độ không đảm bảo tiêu chuẩn tổng hợp để nhận được độ không đảm bảo mở rộng.

CHÚ THÍCH: Theo TCVN 9595-3:2013 (ISO/IEC Guide 98-3:2008),^[43] 2.3.6

3.5  Hiệu chuẩn (Calibration)

3.5.1

Hiệu chuẩn lưu lượng (flow calibratrion)

Hiệu chuẩn khi lưu chất chảy qua đồng hồ

3.5.2

Quy trình dự báo lý thuyết (theoretical prediction procedure)

Qui trình theo đó tính năng của đồng hồ đo được dự đoán theo lý thuyết mà không có chất lỏng chảy qua đồng hồ đo

3.5.3

Thử nghiệm tính năng (performance testing)

Thử nghiệm một mẫu đại diện của đồng hồ đo để xác định, ví dụ: các yêu cầu độ tái lập và lắp đặt cho đồng hồ đồng dạng hình học

3.6  Ký hiệu và chữ viết tắt

Các ký hiệu và chữ viết tắt sử dụng trong tiêu chuẩn này được đưa ra trong Bảng 1 và Bảng 2

Bảng 1 - Ký hiệu

Đại lượng	Ký hiệu	Thứ nguyêna	Đơn vị SI
Tiết diện	A	L2	m2
Tốc độ âm thanh trong lưu chất	c	LT-1	m/s
Đường kính trong phần thân đồng hồ	d	L	m
Đường kính trong ống	D	L	m
Môđun Young	E	ML-1T2	Pa
Hàm vận tốc đường truyền	f	-	1
Số nguyên (1,2,3....)	i, j, n	-	-
Hệ số hiệu chuẩn	K	-	1
Hệ số hiệu chính cuối cùng phần thân	KE		1
Hệ số đường truyền hình học	Kg	Lb hoặc LT-1c	mb hoặc m/sc
Hệ số hiệu chính dạng vận tốc	Kp	-	1
Hệ số hiệu chỉnh kiểu thân	Ks	-	1
Khoảng cách nhỏ nhất đến sự xáo trộn lưu lượng đầu vào xác định	lmin	L	m
Chiều dài đường truyền	Ip	L	m
Áp suất tuyệt đối	P	ML-1T2	Pa
Lưu lượng thể tích	qv	L3T-1	m3/s
Bán kính trong ống	r	l	m
Bán kính ngoài ống	R	l	m
Số Reynolds cổ ống	Red	-	1
Hệ số Renolds đường ống	ReD	-	1
Phần trăm độ lệch lớn nhất trong lưu lượng đo được do sự điều chỉnh đầu vào	S	-	1
Nhiệt độ tuyệt đối của chất lỏng	T	Θ	K
Thời gian chuyển tiếp	t	T	s
Trễ thời gian	t0	T	s
Vận tốc lưu chất xuyên trục trung bình trong thân đồng hồ đo	v	LT-1	m/s
Vận tốc lưu chất xuyên trục trung bình trên đường siêu âm, i	vi	LT-1	m/s
Vận tốc lưu chất xuyên trục trung bình trong ống đầu vào	vp	LT-1	m/s
Bộ biến đổi xuyên trục	X	L	m
Hệ số giãn nở nhiệt	α	Θ-1	K-1
Chiều dày thành ống	δ	L	m
Nhớt động lực học	μ	ML-1T1	Pa s
Nhớt động học	vkv	L2T1	m2/s
Khối lượng riêng dòng lưu chất	ρ	ML-3	kg/m3
Hệ số Poát-xông	σ	-	1
Góc giữa đường truyền siêu âm và trục dọc ống	ϕ	-	rad
a) M: khối lượng; L: độ dài: T: thời gian; K: Nhiệt độ b) Cấu trúc không khúc xạ 3) Cấu trúc khúc xạ

Bảng 2 - Chữ viết tắt

Chữ viết tắt	Ý nghĩa
cal	Dưới điều kiện hiệu chuẩn
meas	Được đo (không hiệu chính)
op	Dưới điều kiện vận hành
true	Thực (đã hiệu chính)

3.7  Thuật ngữ viết tắt

AGC: Điều khiển tự động

FAT: Thử nghiệm chấp nhận nhà máy

MSOS: đo tốc độ âm thanh

SNR: tỉ số tín hiệu đến nhiễu

SOS: tốc độ âm thanh

RSOS: tốc độ âm thanh tham chiếu

USM: Đồng hồ siêu âm

USMP: Bộ USM, bao gồm ống đo, bộ điều hòa lưu lượng, máy tính lưu lượng và lỗ thăm nhiệt

4  Nguyên tắc đo

4.1  Mô tả

Đồng hồ lưu lượng chuyển tiếp thời gian siêu âm là một thiết bị lấy mẫu, đo vận tốc đường truyền riêng biệt sử dụng một hoặc nhiều cặp bộ biến đổi. Mỗi cặp bộ biến đổi nằm ở một khoảng cách đã biết, I_p, sao cho bộ này là đầu nguồn của bộ khác (xem hình 1). Các bộ biến đổi phía đầu nguồn và cuối nguồn gửi và nhận các xung siêu âm luân phiên, được gọi là truyền đối nghịch, và thời gian truyền được sử dụng để tính vận tốc dọc trục trung bình, v. Tại bất kỳ thời điểm nào, sự khác biệt giữa tốc độ âm thanh biểu kiến trong một chất lỏng chuyển động và tốc độ của âm thanh trong cùng một chất lỏng khi dừng là tỷ lệ thuận với vận tốc tức thời của chất lỏng. Kết quả là có thể đo được vận tốc dọc trục trung bình của chất lỏng dọc theo đường truyền bằng cách truyền tín hiệu siêu âm dọc theo đường truyền trong cả hai hướng và sau đó đo sự khác biệt về thời gian chuyển tiếp.

Lưu lượng thể tích của chất lỏng chảy trong ống dẫn kín điền đầy hoàn toàn được xác định là vận tốc trung bình của chất lỏng qua một mặt cắt nhân với tiết diện. Do đó, bằng cách đo vận tốc trung bình của một chất lỏng dọc theo một hoặc nhiều đường siêu âm (ví dụ: đường, không phải khu vực) và kết hợp các phép đo tiết diện và biến dạng vận tốc qua mặt cắt, điều này có thể ước tính lưu lượng thể tích của chất lỏng trong ống dẫn.

Hình 1 - Nguyên tắc đo

Một số kỹ thuật có thể được sử dụng để đo được tốc độ hiệu quả trung bình của việc truyền tín hiệu siêu âm trong chất lỏng chuyển động để xác định vận tốc dòng chảy dọc trục trung bình theo đường truyền siêu âm. Tuy nhiên, kỹ thuật thông thường được áp dụng trong USMs hiện đại là kỹ thuật chênh lệch thời gian trực tiếp.

Cơ sở của kỹ thuật này là đo thời gian chuyển tiếp của các tín hiệu siêu âm khi chúng truyền đi giữa máy phát và máy thu. Vận tốc truyền tín hiệu siêu âm là tổng của tốc độ âm thanh, c, và vận tốc dòng chảy theo hướng truyền sóng. Do đó, thời gian chuyển tiếp ở đầu nguồn và cuối nguồn có thể được biểu diễn như sau:

trong đó

c là tốc độ của âm thanh trong chất lỏng;

n là vector đơn vị bình thường vào phía trước sóng;

v_l là vector vận tốc dòng chảy tại vị trí, I, trên đường truyền l_p

CHÚ THÍCH: Điều này đúng đối với máy phát ở đầu nguồn hay cuối nguồn

Với các giả định rằng vận tốc dòng chảy chỉ ở hướng trục và v_i << c và v_i là vận tốc dòng dọc trục trung bình trên đường truyền siêu âm i, thì thời gian chuyển tiếp đầu nguồn và cuối nguồn có thể được viết như sau

	(2)
	(3)

Sắp xếp lại quan hệ và đưa ra v_i:

	(4)
	(5)

trong đó:

l_p là khoảng cách giữa các bộ chuyển đổi;

∆t là sự chênh lệch trong thời gian chuyển tiếp;

ϕ là góc nghiêng của tín hiệu siêu âm đối với hướng trục của dòng chảy.

Tốc độ của âm thanh có thể được tính toán như sau:

	(6)
	(7)

4.2  Lưu lượng dòng chảy

Các phép đo vận tốc đường truyền riêng lẻ được kết hợp bởi một hàm số toán học để cho ra ước lượng vận tốc trung bình trong thân đồng hồ đo:

(8)

Trong đó n là tổng số đường truyền.

Do các biến trong cấu trúc đường truyền và cách tiếp cận riêng khác nhau để giải quyết công thức (8), ngay cả đối với một số đường truyền nhất định, dạng chính xác của f(v₁,...,v_n) có thể khác nhau.

Mối quan hệ giữa vận tốc đường ống trung bình và vận tốc đường truyền đo được phụ thuộc vào biên dạng dòng chảy. Trong dòng chảy điền đầy, biên dạng dòng chảy chỉ phụ thuộc vào số Reynolds và độ nhám của đường ống.

Một giải pháp khả thi là tính vận tốc trung bình như là một tổng trọng số của vận tốc đường truyền và áp dụng một hệ số biên dạng vận tốc, K_p, để bù cho sự thay đổi biên dạng. Giá trị của K_p được tính bởi một thuật toán đưa vào tính toán chế độ dòng chảy (lớp, chuyển tiếp, và hỗn loạn), cũng như các biến quy trình khác, theo yêu cầu.

(9)

Lưu lượng thể tích, q_v, được cho bởi:

qv = Av

(10)

trong đó

v là ước lượng vận tốc đường ống trung bình;

A là diện tích mặt cắt của phần đo.

Lưu ý rằng tăng n có thể làm giảm sự không đảm bảo liên quan đến các biến biên dạng dòng chảy.

4.3  Mô tả chung

4.3.1  Tổng quan

Điều này là một mô tả chung về USMs cho chất lỏng và thừa nhận phạm vi đối với biến thể trong các thiết kế thương mại và tiềm năng cho sự phát triển mới. Với mục đích mô tả, USMs được xem là bao gồm một số thành phần, cụ thể là:

A) Bộ biến đổi;

B) Thân đồng hồ đo với cấu hình đường truyền siêu âm;

C) Bộ hiển thị và xử lý dữ liệu điện tử.

CHÚ THÍCH  Trong một đồng hồ đo với bộ biến đổi gắn bên ngoài, thân đồng hồ đo là đường ống mà các bộ biến đổi được gắn lên.

4.3.2  Bộ biến đổi

Bộ biến đổi là máy phát và thu tín hiệu siêu âm. Chúng có thể được cung cấp dưới nhiều hình dạng. Thông thường chúng bao gồm một bộ phận áp điện với các đầu nối điện cực và một cấu trúc cơ học hỗ trợ kết nối quá trình được thực hiện.

Các sắp xếp điển hình được thể hiện trong hình 2 và 3. Để đo vận tốc dọc trục, bộ biến đổi truyền sóng siêu âm ở góc không vuông góc với trục thân đồng hồ theo chiều của bộ biến đổi thứ hai hoặc điểm phản xạ bên trong thiết bị đo. Có hai phương pháp gắn các bộ biến đổi:

a) Bên ngoài đường ranh giới duy trì áp suất;

b) Bên trong đường ranh giới duy trì áp suất.

Các chùm của USM có thể được

1) Bị khúc xạ;

2) Không bị khúc xạ.

Hình 2 - Cấu trúc không khúc xạ

Hình 3 - Cấu trúc khúc xạ với một gắn kết bên ngoài

Nếu bộ biến đổi nằm bên ngoài ranh giới đường ống, thì chùm tia luôn bị khúc xạ; cấu trúc này thường được gọi là kẹp hoặc gắn bề mặt. Hình học của một chùm tia khúc xạ là một hàm, như vận tốc âm thanh chất lỏng (và nhiệt độ). Hình học chùm tia xác định vị trí bộ biến đổi tối ưu. Nếu bộ biến đổi không được đặt ở vị trí tối ưu của chúng, độ không đảm bảo đo sẽ tăng.

Nếu các bộ biến đổi nằm bên trong ranh giới của đường ống, cấu trúc này thường được gọi là gắn bên trong; Chùm tia hầu như không bị khúc xạ.

4.3.3  Thân đồng hồ đo và cấu hình đường truyền siêu âm

Thân đồng hồ đo cơ bản là một ống dẫn mà các bộ biến đổi được gắn vào. Nhiệt độ và áp suất có ảnh hưởng đến diện tích ống (xem 4.7 và Phụ lục A). Trong một đồng hồ đo đường kính trong giảm, diện tích của phần đo nhỏ hơn diện tích của đường ống.

USMs có sẵn trong một loạt các cấu trúc đường truyền. Số lượng đường truyền đo thường được lựa chọn dựa trên yêu cầu đối với sự thay đổi trong phân bố vận tốc và yêu cầu độ chính xác.

Cũng như sự thay đổi vị trí xuyên tâm của các đường truyền đo trong mặt cắt ngang, cấu trúc đường truyền có thể thay đổi theo hướng đến trục ống. Bằng cách sử dụng sự phản xạ của sóng siêu âm từ bên trong thân đồng hồ đo hoặc từ một phản xạ giả lập, đường truyền có thể đi qua mặt cắt nhiều lần.

Một số loại đường truyền siêu âm được minh họa trong Hình 4 và 5. Hình 4 chỉ ra các ví dụ về đồng hồ đo một đường truyền, Hình 5 ví dụ của đồng hồ đa đường truyền.

Các phép đo vận tốc được thực hiện trên nhiều đường truyền thường ít bị ảnh hưởng bởi sự biến dạng dòng chảy hơn khi thực hiện trên một đường truyền. Đường ngang đôi trong một mặt phẳng ít nhạy với thành phần vận tốc không dọc trục hơn đường truyền ngang đơn. Các cấu trúc khác, ví dụ như đường truyền bán kính giữa ba chiều, có thể nhạy với các thành phần không dọc trục nhưng có thể được sử dụng kết hợp để loại bỏ hoặc để giảm tác động của xoáy và dòng chéo. Các đường truyền trực tiếp có thể là đơn, kép hoặc chéo.

4.3.4  Đo thời gian

Tất cả USM chứa một phần điện tử phát và nhận tín hiệu và thực hiện phép đo thời gian.

4.4  Xem xét trễ thời gian

Trong 4.1, giả sử rằng tín hiệu siêu âm dành dùng bộ thời gian chuyển tiếp trong chất lỏng và hướng lan truyền ở một góc ϕ đến thành ống. Trong một hệ thống thực, thời gian đo được giữa tín hiệu siêu âm di chuyển từ máy phát đến lúc nhận được ở máy nhận bao gồm thời gian trễ t₀, do vật liệu xen giữa, điện tử, xử lý tín hiệu, chiều dài cáp, vv...:

(11)

Ở đây giả sử rằng chênh lệch giữa thời gian trễ t_{0_up} và t_{0_dn} là nhỏ so với thời gian chuyển tiếp t_{me_up/dn}. Bất kỳ chênh lệch giữa t_{0_up} và t_{0_dn} dẫn tới kết quả bù “không”.

Công thức (5) và (7) như sau:

	(12)
	(13)

 

a) Đường truyền xuyên tâm	b) Đường truyền xuyên tâm, phản xạ
c) Đường truyền dọc trục	d) Đường truyền đa phản xạ

Hình 4 - Một số kiểu đường truyền siêu âm cho đồng hồ một đường truyền

a) Đa đường truyền xuyên tâm	b) Đa đường truyền xuyên tâm, phản xạ
c) Đa đường truyền dây cung	d) Đa đường truyền dây cung, đồng phẳng
e) Đa đường truyền dây cung, không đồng phẳng	f) Đa đường truyền dây cung, cung phản xạ
g) Đa đường truyền dây cung, cung chéo	h) Đa đường truyền phức hợp

Hình 5 - Một số kiểu đường truyền siêu âm cho đồng hồ đa đường truyền

4.5  Xem xét nhắc khúc xạ

Việc sắp xếp bộ biến đổi gắn ngoài (xem hình 3) để bù đắp khúc xạ để hoạt động đúng và chính xác là rất cần thiết đối với USMs. Khi một sóng âm đi qua một mặt phân cách giữa hai vật liệu ở góc nghiêng và các vật liệu có trở kháng âm khác nhau, cả hai sóng phản xạ và khúc xạ đều được tạo ra. Sự khúc xạ sóng âm diễn ra khi âm thanh chuyển từ bộ biến đổi sang thành đường ống, từ đường ống vào lớp lót ống (nếu có), và từ ống hoặc ống dẫn lót vào chất lỏng. Điều này là do các vận tốc khác nhau của sóng âm trong các vật liệu này. Với việc sắp xếp bộ biến đổi gắn ngoài, công thức (5) thường được sắp xếp lại thành một dạng khác, được tạo ra trong điều này.

Với việc xác định các góc độ theo Hình 3, Định luật Snell có thể được biểu diễn dưới dạng Công thức (14):

(14)

trong đó:

c_t là tốc độ âm thanh trong thanh nối của bộ biến đổi

c_w là vận tốc âm thanh trong thành ống

c là vận tốc âm thanh trong chất lỏng

Do vậy, ϕ và l_p trong công thức (5) và (12) trở thành hàm của tốc độ âm thanh c_t, c_w,c và của nhiệt độ, áp suất, thành phần của chất lỏng quá trình và vật liệu xen giữa

(Mời xem tiếp trong file tải về)