Tiêu chuẩn TCVN 8438-1:2010 Đồng hồ siêu âm khí dùng cho giao nhận thương mại

TIÊU CHUẨN QUỐC GIA

TCVN 8438-1:2010

ĐO DÒNG LƯU CHẤT TRONG ỐNG DẪN KÍN - ĐỒNG HỒ SIÊU ÂM KHÍ - PHẦN 1: ĐỒNG HỒ DÙNG CHO GIAO NHẬN THƯƠNG MẠI VÀ PHÂN PHỐI

Measurement of fluid flow in closed conduits - Ultrasonic meters for gas - Part 1: Meters for custody transfer and allocation measurement

Lời nói đầu

TCVN 8438-1:2010 xây dựng dựa trên việc tham khảo ISO/DIS 17089-1: 2009;

TCVN 8438-1:2010 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 DÒNG LƯU CHẤT TRONG ỐNG DẪN KÍN - ĐỒNG HỒ SIÊU ÂM KHÍ - PHẦN 1: ĐỒNG HỒ DÙNG CHO GIAO NHẬN THƯƠNG MẠI VÀ PHÂN PHỐI

Measurement of fluid flow in closed conduits - Ultrasonic meters for gas - Part 1: Meters for custody transfer and allocation measurement

1. Phạm vi áp dụng

Tiêu chuẩn này quy định những yêu cầu và khuyến nghị cho đồng hồ âm đo khí sử dụng thời gian di chuyển của sóng âm để đo dòng khí đồng nhất đơn pha trong ống dẫn kín.

Tiêu chuẩn này áp dụng cho đồng hồ âm đo khí dạng thời gian truyền, cho giao nhận thương mại và phân phối, ví dụ, nhưng không giới hạn, như đường kính trong đầy, diện tích biến đổi, áp suất cao, áp suất thấp hoặc kết hợp những yếu tố trên. Không có giới hạn về kích cỡ nhỏ nhất và lớn nhất của đồng hồ. Tiêu chuẩn này có thể áp dụng cho việc đo hầu hết các loại khí, ví dụ nhưng không giới hạn như không khí, khí thiên nhiên, ê tan v.v...

Tiêu chuẩn này bao gồm các yêu cầu về hoạt động đo lường cho đồng hồ thuộc hai cấp chính xác phù hợp với ứng dụng như giao nhận thương mại và phân phối.

Tiêu chuẩn này quy định các đặc tính về cấu trúc, hoạt động, hiệu chuẩn và đầu ra của đồng hồ âm đo dòng khí và đề cập đến các điều kiện lắp đặt.

2. Tài liệu viện dẫn

2.1. Tài liệu viện dẫn bắt buộc

Các tài liệu viện dẫn sau rất cần thiết cho việc áp dụng tiêu chuẩn này. Đối với các tài liệu viện dẫn ghi năm công bố thì áp dụng phiên bản được nêu. Đối với các tài liệu viện dẫn không ghi năm công bố thì áp dụng phiên bản mới nhất, bao gồm cả các sửa đổi, bổ sung (nếu có).

TCVN 8112:2009 (ISO 4006:1991), Đo lưu lượng lưu chất trong ống dẫn kín. Từ vựng và ký hiệu

ISO 3: 1973 Preferred numbers – Series of preferred numbers (Số ưu tiên- chuỗi số ưu tiên)

ISO 12213-1 u/I 12213-3:1997, Natural gas - Calculation of compression factor “Khí thiên nhiên- Tính toán hệ số nén”

2.2. Tài liệu viện dẫn bổ sung

TCVN 8113-1:2009 (ISO 5167-1:2003), Đo lường lưu chất bằng đồng hồ chênh áp gắn vào đường ống đầy lưu chất có tiết diện ngang hình tròn - Phần 1: Nguyên tắc và yêu cầu.

ISO/TR 7871:1997(E), Culmulative sum charts - Guidance on quality control and data analysis using CUSUM techniques (Đồ thị tổng tích lũy- Hướng dẫn phân tích dữ liệu và quản lý chất lượng sử dụng kỹ thuật CUSUM)

ISO 17025, General requirement for the competence of testing and calibration laboratories (Yêu cầu chung về năng lực của phòng thử nghiệm và hiệu chuẩn).

ISO 7871:2004 Cumulative sume charts – guidance on quality control and data analysis using cusum techniques (Đồ thị tổng tích lũy - Hướng dẫn phân tích dữ liệu và quản lý chất lượng sử dụng kỹ thuật cusum)

API Manual of Petroleum Measurement Standards (MPMS) (Sổ tay tiêu chuẩn đo lường dầu mỏ (MPMS) 13.2 Table 14)

AGA 10, Speed of Sound in Natural Gas and Other Related Hydrocarbon Gases, 2003 (Tốc độ âm thanh trong khí và các loại khí hydrocarbon khác liên quan, 2003)

GERG-2004 Wide – Range Equation of State for Natural Gases and Other Mixtures GERG TM 15 2007 (Công thức trạng thái Wide-range cho khí thiên nhiên và các hỗn hợp khác GERG TM 15 2007)

OIML D 11-EN: 1994, General Requirements for Electronic Measuring Instruments; currently under resivision (Yêu cầu chung đối với phương tiện đo điện tử, bản đang được xét duyệt)

OIML R 6: 1989, General provisions for gas meters (Sự dự phòng đối với đồng hồ khí)

OIML V2 VIM: 1993, International vocabulary of basic and general terms in metrology (BIPM,IEC,ISO,OIML) [Từ vựng quốc tế về thuật ngữ chung và cơ bản trong đo lường học (BIPM,IEC,ISO,OIML)].

3. Định nghĩa và ký hiệu

3.1. Định nghĩa

3.1.1. Quy định chung

Trong tiêu chuẩn này áp dụng các định nghĩa trình bày trong TCVN 8112 (ISO 4006), Đo lường lưu chất trong đường ống kín - Từ ngữ và ký hiệu. Và một số thuật ngữ cụ thể sử dụng trong trường hợp đặc biệt như sau

3.1.2. Đại lượng

3.1.2.1. Lưu lượng (flow rate)

Thể tích trên một đơn vị thời gian tại điều kiện đo.

3.1.2.2. Hiển thị (indication)

Lưu lượng được chỉ bởi đồng hồ.

3.1.2.3. Phạm vi làm việc (working range)

Phạm vi lưu lượng khí được giới hạn bởi lưu lượng lớn nhất Q_max và và lưu lượng nhỏ nhất Q_min, trong đó sai số của đồng hồ đo nằm trong giới hạn quy định, trong một số trường hợp được gọi là “phạm vi đo”.

3.1.2.4. Áp suất tại đồng hồ (metering pressure)

Áp suất tuyệt đối của khí trong đồng hồ đo tại điều kiện dòng liên quan đến thể tích khí được hiển thị.

3.1.2.5. Vận tốc trung bình (average velocity)

Lưu lượng chia cho diện tích mặt cắt ngang

3.1.3. Thiết kế đồng hồ (meter design)

3.1.3.1. Thân đồng hồ đo (meter body)

Cấu trúc chịu áp của đồng hồ.

3.1.3.2. Đường truyền sóng âm (acoustic path)

Đường truyền của âm giữa cặp biến đổi siêu âm.

3.1.3.3. Đường trục (axial path)

Toàn bộ đường truyền sóng âm theo hướng của đường trục chính ống. Đường đi này có thể trùng hoặc song song với đường tâm hoặc trục dọc của đường ống

Hình 1- Đường trục

3.1.3.4. Đường xuyên tâm (diametrical path)

Đường truyền sóng âm nhờ đó sóng âm di chuyển qua đường tâm hoặc trục dài của đường ống

Hình 2 - Đường xuyên tâm

3.1.3.5. Đường dây cung (chordal path)

Đường truyền sóng âm nơi đó sóng âm di chuyển song song với đường xuyên tâm

Hình 3 - Đường truyền sóng âm

3.1.4. Điều kiện nhiệt động học (thermodynamic conditions)

3.1.4.1. Điều kiện đo (metering conditions)

Điều kiện tại điểm đo: ví dụ thành phần khí, nhiệt độ, áp suất được biết đến như điều kiện chưa hiệu chính.

3.1.4.2. Điều kiện cơ bản (base conditions)

Điều kiện mà tại đó thể tích đo được của khí được quy đổi, ví dụ nhiệt độ cơ bản, áp suất cơ bản

CHÚ THÍCH: Điều kiện đo và điều kiện cơ bản chỉ liên quan đến thể tích khí được đo và hiển thị, và không nên nhầm lẫn với điều kiện vận hành hoặc điều kiện quy chiếu, đề cập đến đại lượng ảnh hưởng.

3.1.4.3. Điều kiện quy định (specified conditions)

Điều kiện của khí tại đó quy định đặc tính của đồng hồ được đưa ra.

3.1.5. Thống kê (statistics)

3.1.5.1. Sai số (error)

Độ lệch giữa số chỉ của đồng hồ đang được kiểm tra so với số chỉ đồng hồ quy chiếu.

3.1.5.2. Đường cong sai số (error curve)

Đường nối hoặc đường cong được làm khớp (ví dụ đa thức) trên tập hợp sai số là hàm của lưu lượng đồng hồ quy chiếu.

3.1.5.3. Sai số cho phép lớn nhất (maxium permissible error)

Sai số cho phép lớn nhất trong khoảng hoạt động quy định của đồng hồ

3.1.5.4. Sai số trung bình (mean error)

Sai số trung bình có trọng số theo lưu lượng (FWME) của đồng hồ. Việc tính toán FWME được mô tả trong 6.3.4.

3.1.5.5. Sai số đỉnh tới đỉnh lớn nhất (max peak-to-peak error)

Sự khác nhau lớn nhất giữa hai giá trị sai số bất kỳ

3.1.5.6. Độ lặp lại (repeatability)

Mức độ gần nhau giữa một số các phép đo liên tiếp đầu ra của đồng hồ thử đối với cùng một lưu lượng quy chiếu trong cùng điều kiện vận hành.

3.1.5.7. Độ tái lập (reproducibility)

Mức độ gần nhau giữa một số các phép đo đầu ra của đồng hồ thử đối với cùng một lưu lượng trong điều kiện vận hành khác nhau.

3.1.5.8. Độ phân giải (resolution)

Sự thay đổi nhỏ nhất trong vận tốc dòng có thể đo và hiển thị.

3.1.5.9. Khoảng lấy mẫu vận tốc (velocity sampling interval)

Khoảng thời gian giữa hai lần đo liên tiếp vận tốc khí.

3.1.5.10. Số đọc dòng “không” (“zero” flow reading)

Số đọc dòng của đồng hồ khi khí ở trạng thái dừng; nghĩa là cả thành phần vận tốc dọc trục và không dọc trục đều là “không”

3.1.5.11. Tuyến tính hóa (linearization)

Cách giãn phi tuyến của USM, thường được áp dụng bằng cách hiệu chính trong phần mềm.

Sự tuyến tính hóa có thể được áp dụng trong những bộ phận điện tử của đồng hồ đo và/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.

3.1.5.12. Độ nghiêng (slope)

Độ nghiêng của đường thẳng đã gắn khớp tốt nhất, được xác định bởi phương pháp bình phương tối thiểu thông qua các điểm hiệu chuẩn trên đường cong sai số.

3.1.5.13. Dịch gốc (off-set)

Điểm cắt của đường thẳng đã được làm khớp tốt nhất, được xác định bởi phương pháp bình phương tối thiểu thông qua các điểm hiệu chuẩn với trục sai số.

3.1.6. Lưu lượng (flow rates)

VÍ DỤ:

Q_max,20 Lưu lượng thiết kế lớn nhất, ứng với tốc độ dòng khí lớn nhất 20 m/s;

Q_max,30 Lưu lượng thiết kế lớn nhất, ứng với tốc độ dòng khí lớn nhất 30 m/s;

Q_max,40 Lưu lượng thiết kế lớn nhất, ứng với tốc độ dòng khí lớn nhất 40 m/s;

Q_max,x Lưu lượng thiết kế lớn nhất, ứng với tốc độ dòng khí lớn nhất x m/s;

Q_max,op Lưu lượng vận hành lớn nhất, chỉ xác định khi nhỏ hơn lưu lượng thiết kế lớn nhất;

Q_max,cal Lưu lượng lớn nhất được hiệu chuẩn, chỉ xác định khi nhỏ hơn lưu lượng vận hành lớn nhất;

Q_min Lưu lượng thiết kế nhỏ nhất;

Q_t Lưu lượng chuyển tiếp để xác định các yêu cầu về độ chính xác.

3.2. Ký hiệu và chỉ số

Ký hiệu và viết tắt được sử dụng trong tiêu chuẩn này được trình bày trong Bảng 2 và Bảng 3

Bảng 2 - Ký hiệu

Đại lượng	Ký hiệu	Thứ nguyên	Đơn vị SI
Hệ số giãn nở nhiệt	α	K-1	K-1
Bán kính ngoài ống	a	m	m
Sai số tại lưu lượng Ql	Δi	2)	%
Diện tích mặt cắt ngang	A	L2	m2
Tốc độ âm thanh trong dòng lưu chất	C	LT1	m/s
Đường kính trong phần thân đồng hồ	D	L	M
Đường kính ngoài phần thân đồng hồ	a	L	m
Bề dày thành ống	d	L	m
Modun đàn hồi	E	ML-1T-2	MPa
Hệ số trọng số (đầu vào trực tiếp)	¦i	2)	-
Số nguyên (1,2,3….)	i,, j, n	2)	-
Hệ số hiệu chuẩn	K	2)	-
Hệ số kiểu thân	Ks	-	-
Hệ số hiệu chính cuối cùng phần thân	KE	-	-
Hệ số hiệu chính phân bổ vận tốc	kn	2)	-
Hệ số tăng cứng mặt bích	Kb	-	-
Khoảng cách nhỏ nhất đến sự xáo trộn lưu lượng đầu vào xác định	Lmin	L	m
Chiều dài đường truyền	Lp	L	m
Hệ số suy giảm	Nd	-	-
Hệ số trọng số van	Nv	-	-
Áp suất tuyệt đối	P	ML-1T-2	Pa
Chênh áp	ΔP	ML-1T-2	Pa
Áp suất âm được phát	Pn	ML-1T-2	Pa
Cường độ tín hiệu đồng hồ lưu lượng siêu âm	Ps	ML-1T-2	Pa
Lưu lượng thể tích	Q	L3T-1	M3/s
Bán kính trong đường ống	R	m	m
Số Reynold (liên quan đến D)	ReD	2)	-
Nhiệt độ tuyệt đối của khí	T		K
Chênh lệch nhiệt độ	ΔT		K
Thời gian truyền	t	T	s
Vận tốc trung bình	n	LT-1	m/s
Vận tốc đường đi âm thứ i	ni	LT-1	m/s
Hệ số trọng số (giá trị xác định)	wi	2)	-
Hệ số nén	Z	2)	-
Bước sóng dao động của sóng siêu âm	l	L	M
Khối lượng riêng dòng lưu chất	ρ	ML-3	Kg/m3
Góc đường truyền	Ф	-	Rad
Độ nhớt động	μ	Pa.s	cP
Tần số tuần hoàn	ω	T-1	Rad.s-1
M: khối lượng; L: độ dài; T: thời gian; K: Nhiệt độ 2) Đại lượng không thứ nguyên 3) Thứ nguyên của tham số này là thứ nguyên của đại lượng liên quan.

Bảng 3- Chỉ số

Ký hiệu	Ý nghĩa
cal	hiệu chuẩn
min	nhỏ nhất
max	lớn nhất
op	vận hành
t	sự truyền

3.3. Chữ viết tắt

AGA	Hiệp hội khí Hoa Kỳ
API	Viện Dầu Khí Hoa Kỳ
CMC	Khả năng đo và hiệu chuẩn
ES	Hệ thống điện tử
FAT	Kiểm tra chấp thuận tại nhà máy
FC	Thiết bị ổn dòng
FRMM	Phương pháp quy chiếu đo lưu lượng/Phương pháp đo lưu lượng quy chiếu
FWME	Sai số trung bình lưu lượng có trọng số
HDF	Dấu vết khác biệt trong quá trình
HDH	Biểu đồ khác biệt trong quá trình
M&R	Trạm đo và điều áp
MDF	Dấu vết khác biệt hàng tháng
MPMS	Sổ tay tiêu chuẩn đo lường dầu khí của API
MSOS	Tốc độ âm được đo
OIML	Tổ chức đo lường pháp định quốc tế
SOS	Vận tốc âm
TSOS	Tốc độ âm lý thuyết
USM	Đồng hồ lưu lượng siêu âm
USMP	Hệ thống đồng hồ lưu lượng siêu âm, bao gồm ống đo, máy tính lưu lượng, và đồng hồ nhiệt độ
VIM	Từ vựng quốc tế về thuật ngữ chung và cơ bản trong đo lường học

4. Nguyên lý đo

4.1. Công thức cơ bản

USM dựa trên phép đo thời gian truyền âm trong môi trường lưu chất.

Trong Hình 4 chỉ ra sự bố trí hệ thống cơ bản. Bộ chuyển đổi có khả năng phát và nhận xung âm, được gắn vào cả hai phía của ống tại A và B. Những bộ chuyển đổi này truyền xung âm trong một khoảng thời gian ngắn sao cho tốc độ âm có thể được nhận diện đối với cả hai chiều đo và thời gian truyền là đo được. Với dòng “không”, thời gian truyền từ A đến B (t_AB) tương đương với thời gian truyền từ B đến A (t_BA). Tuy nhiên, nếu có dòng, thời gian truyền xung âm từ A đến B sẽ giảm và từ B đến A sẽ tăng (bỏ qua những ảnh hưởng thứ cấp như sự uốn cong đường truyền):

và

trong đó:

L_p là chiều dài đường truyền

C là tốc độ âm trong khí

n  là vận tốc trung bình của khí

Ф là góc đường truyền

t_AB và t_BA là thời gian truyền của xung âm

Hình 4 - Bố trí hệ thống cơ bản

Sử dụng các công thức trên, các biểu thức dưới đây đối với vận tốc đo được của khí có thể được tính bằng cách lấy 4.1 trừ 4.2:

Điều quan trọng là cần nhấn mạnh trong biểu thức này là thành phần tốc độ âm trong khí được loại trừ. Điều này có nghĩa là phép đo vận tốc khí là độc lập với tính chất của dòng khí như là áp suất, nhiệt độ và thành phần khí. Tuy nhiên, trong trường hợp khi bộ chuyển dổi dừng hoạt động, sẽ có thành phần thời gian trễ bổ sung, tốc độ âm phụ thuộc vào đó.

Tương tự như vậy, tốc độ âm được tính toán bằng cách cộng 4.1 và 4.2:

Trong đồng hồ đa đường truyền, các phép đo vận tốc đường truyền riêng biệt là kết hợp các công thức toán học để hình thành một ước lượng vận tốc trung bình đường ống:

Trong đó n là tổng số đường truyền. Do sự biến đổi trong cấu hình đường truyền và cách tiếp cận khác nhau để giải công thức 4.5, thậm chí đối với số đường truyền đã cho, dạng chính xác của ¦(n₁… n_n) có thể khác biệt.

Để nhận được lưu lượng thể tích (Q), ước lượng vận tốc trung bình đường ống được nhân với diện tích mặt cắt ngang của phần đo, A, như sau:

Q = A.n                                                                                                             (4.6)

4.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính năng

Tính năng của USM phụ thuộc vào yếu tố bên trong và yếu tố bên ngoài.

Yếu tố bên trong (nghĩa là liên quan đến đồng hồ và việc hiệu chuẩn) bao gồm:

● Dạng hình học của thân đồng hồ và vị trí bộ biến đổi siêu âm với độ không đảm bảo đo đã biết (bao gồm hệ số nhiệt độ và áp suất).

● Độ chính xác và chất lượng của bộ biến đổ và các bộ phận điện tử sử dụng trong vòng đo thời gian truyền (ví dụ độ ổn định của đồng hồ điện tử).

● Kỹ thuật được sử dụng để xác định thời gian truyền và tính toán vận tốc trung bình (xác định độ nhạy của đồng hồ đối với sự thay đổi trong phân bố vận tốc dòng)

● Hiệu chuẩn (bao gồm sự bù thích hợp cho việc trễ tín hiệu trong các bộ phận điện tử và biến đổi tín hiệu

Yếu tố bên ngoài (nghĩa là liên quan đến dòng và điều kiện môi trường của ứng dụng) bao gồm

● Biên dạng vận tốc dòng

● Phân bổ nhiệt độ

● Độ rung dòng chảy

● Nhiễu, cả âm và điện từ

● Tạp chất rắn và lỏng

● Tình toàn vẹn của kích thước qua thời gian

4.3. Mô tả một số kiểu chung

4.3.1. Quy định chung

Phần này mô tả những đặc điểm chung của USM đo khí. Nó đưa ra phạm vi đa dạng của thiết kế thương mại và tiềm năng trong phát triển mới. Với mục đích mô tả, đồng hồ âm được xem như bao gồm nhiều bộ phận cấu thành, gọi là:

● Bộ biến đổi

● Thân đồng hồ với cấu hình đường tryền âm

● Điện tử

● Bộ phận xử lý và lưu trữ dữ liệu

4.3.2. Bộ biến đổi

Bộ biến đổi được cung cấp với nhiều hình dạng. Điển hình bao gồm nhiều phần tử áp điện với các đầu nối điện cực và cấu trúc đỡ cơ khí với nó quá trình kết nối được thực hiện. Bộ biến đổi đối với giao nhận thương mại và phân phối được lắp đặt ướt (tiếp xúc trực tiếp với lưu chất).

Hình 5 nêu lắp đặt điển. Kết nối công nghệ của bộ biến đổi ướt có thể được hàn, bằng mặt bích hoặc ren hoặc tổ hợp của nhiều kết nối cơ khí khác, ví dụ cho phép tháo bộ biến đổi khỏi đường ống có áp. Các phần tử hoạt động thường được cách ly với lưu chất bởi bộ phận nối âm. Trong vận hành, phần tử hoạt động sẽ truyền sóng siêu âm ở một góc so với trục đồng hồ đo tới bộ chuyển đổi thứ hai và hoặc điểm phản xạ bên trong thân đồng hồ.

Đối với các ứng dụng đặc biệt, yêu cầu phải có những bộ biến đổi đặc biệt. Quy định đối với bộ chuyển đổi và lắp đặt cần phải xem xét cẩn thận ở những điều kiện đặc biệt hoặc khắc nghiệt như:

● Nhiệt độ cao và thấp

● Áp suất cao và thấp

● Vận tốc khí cao

● Gần với van tiết lưu có tổn thất áp lớn (tiềm ẩn nhiễu siêu âm trong đường ống)

● Nhiệt độ giảm hoặc tuần hoàn hoặc thay đổi áp suất

● Khí ăn mòn hoặc xói mòn (khí chua)

● Khí có vết ẩm hoặc bụi bẩn

Hình 5 - Lắp đặt bộ biến đổi điển hình

4.3.3. Thân đồng hồ và cấu hình đường âm

4.3.3.1. Quy định chung

USM thích hợp với đa dạng đường truyền. Số đường truyền đo lường nhìn chung được chọn dựa trên những yêu cầu đối với sự biến đổi trong phân bố vận tốc và độ chính xác yêu cầu.

Cùng với những biến đổi trong vị trí xuyên tâm của đường truyền đo trong mặt cắt ngang, cấu hình đường truyền có thể thay đổi theo hướng về phía trục đường ống. Bằng cách sử dụng phản xạ của sóng siêu âm từ phía trong thân đồng hồ hoặc gương phản xạ được lắp đặt, đường truyền sóng có thể đi qua mặt cắt ngang nhiều lần.

4.3.3.2. Các loại đường truyền âm cơ bản

Các loại đường truyền âm thông thường được minh họa trong Hình 6

Hình 6 - Một số loại đường truyền âm cho đồng hồ âm đa đường truyền

Việc đo vận tốc trên một đường qua tâm dễ bị ảnh hưởng bởi những thay đổi trong biên dạng dòng hơn là đường truyền không qua tâm như là đường bán kính giữa. Đường phản xạ kép trong một mặt phẳng đơn ít nhạy hơn đối với thành phần vận tốc không hướng trục so với đường phản xạ. Những cấu hình khác như đường chập ba giữa đường bán kính có thể nhạy hơn với ảnh hưởng của thành phần không hướng trục nhưng có thể được sử dụng trong việc kết hợp để loại trừ hoặc giảm bớt ảnh hưởng của dòng chảy xoáy hoặc dòng chảy ngang. Đường truyền trực tiếp có thể đơn, kép hoặc cắt nhau.

4.3.3.3. Cấu hình mặt cắt ngang đa đường truyền phổ biến

Cấu hình mặt cắt ngang rất quan trọng khi nói đến những thông tin về phân bố vận tốc dọc trục là có sẵn để tính toán vận tốc dọc trục trung bình. Một số cấu hình mặt cắt ngang điển hình nêu trong Hình 7:

Hình 7 - Một số loại cấu hình đường truyền âm mặt cắt ngang

4.3.3.4 Đồng hồ có các đường truyền dịch chuyển qua tâm tương đương

Đồng hồ với các đường truyền dịch chuyển qua tâm tương đương (ví dụ như B trong Hình 7) về cơ bản thực hiện các phép đo giống nhau với phân bổ vận tốc nếu dòng chảy đối xứng quanh trục, số đường truyền sử dụng. Trong trường hợp này vận tốc trung bình được xác định bởi trung bình đơn giản. Trong dòng chảy phát triển hoàn toàn, hệ số hiệu chính lý thuyết, kh có thể được tính đến những biến đổi trong biên dạng vận tốc. Điều này áp dụng chỉ với dòng chảy phát triển hoàn toàn, không áp dụng cho dòng chảy rối.

trong đó:

n là tổng số đường truyền

n_i là vận tốc dòng chảy trung bình đo được trên đường truyền i

Hệ số k_n là hàm của số Reynold, độ nhám đường ống và sự dịch chuyển qua tâm. Trong thực tế nó được đặt như là một hằng số hoặc được tính toán dựa trên các thông số tĩnh và/hoặc các biến số đo được.

4.3.3.5. Đồng hồ với các đường truyền tại vị trí ngoài đường kính

Trong trường hợp này (ví dụ cấu hình A,C và D trong Hình 7) vận tốc được đo tại những vị trí hướng tâm khác nhau. Nhiều phương pháp có thể được sử dụng khi kết hợp các vận tốc để đạt được vận tốc đường ống trung bình. Chúng được phân loại như sau:

Phép tính tổng của trọng số hằng số:

Trong đó dịch chuyển hướng tâm của các đường truyền và các hằng số w_i đến w_n, được xác định trên cơ sở phương pháp tích phân số học kiểm chứng được.

Hoặc tính tổng với các trọng số biến số:

Trong đó dịch chuyển hướng tâm của các đường truyền được cố định khi thiết kế và biến số f_i đến f_n có thể được xác định từ thông số đầu và/hoặc các biến đo được (ví dụ các vận tốc).

Trong bất cứ cấu hình nào được trình bày, phép nhân hoặc hệ số đồng hồ K (hoặc hằng số hoặc biến số) có thể được áp dụng sau khi tính tổng để hiệu chỉnh độ lệch do dung sai chế tạo và/hoặc những giả định không đầy đủ.

4.4. Các thành phần của độ không đảm bảo đo trong đo lường

Lưu lượng thể tích tổng cộng được đo bởi đồng hồ dòng chảy siêu âm có thể được tính toán theo công thức 4.11

Xem xét công thức này, độ không đảm bảo đo tổng cộng dựa trên độ không đảm bảo đo riêng biệt của tất cả các yếu tố liên quan. Trong đó có thể phân biệt được bốn nhóm:

● Độ không đảm bảo đo trong hiệu chuẩn hệ số K

● Độ không đảm bảo đo trong việc đo của bộ biến đổi và dạng hình học của thân đồng hồ

● Độ không đảm bảo đo của hệ số trọng số/hệ số hiệu chính biên dạng dòng ¦

● Độ không đảm bảo đo thời gian truyền sóng và việc đo sự chênh lệch thời gian truyền.

Sau khi hiệu chuẩn và điều chỉnh, sai số kết hợp trong phép đo của t, L, o, A và ¦ gần như bằng “không” và chỉ độ không đảm bảo đo khi hiệu chuẩn tại hiện trường là độ không đảm bảo đo của hệ số hiệu chuẩn K. Vận chuyển đồng hồ đến hiện trường, có độ không đảm bảo đo bổ sung do điều kiện vận hành cụ thể và điều kiện lắp đặt tại hiện trường, nó khác với điều kiện hiệu chuẩn.

4.5. Phân loại USM

Mục đích của điều này là hỗ trợ người sử dụng lựa chọn đồng hồ dựa trên độ không đảm bảo đo tổng thể yêu cầu đối với phép đo. Quá trình này chia đồng hồ ra thành các cấp theo tính năng như được trình bày trong Bảng 4. Ngoài ra, có những loại khác liên quan tới những ứng dụng đo lường khác.

Bảng 4 - Phân loại USM

Cấp	Ứng dụng điển hình	Độ không đảm bảo đo điển hình với độ tin cậy 95% (lưu lượng thể tích)
1	Giao nhận thương mại	<± 0,7 % đối với Q > Qt
2	Phân phối	<± 1,5 % đối với Q > Qt

Tính năng của đồng hồ bao gồm độ không đảm bảo đo tổng cộng, độ lặp lại độ phân giải, sai số đỉnh tới đỉnh lớn nhất, phụ thuộc vào các yếu tố bao gồm đường kính trong đường ống, độ dài đường truyền âm, số đường truyền âm, thành phần khí/tốc độ âm, khả năng lặp lại theo thời gian của đồng hồ.

Hai cấp đại diện những yêu cầu quy định đo lường khác nhau thường được áp dụng phổ biến trong công nghiệp. Dựa trên sự quan trọng của phép đo đối với những quy định hoặc nhu cầu về giao nhận thương mại, độ không đảm bảo đo tổng cộng của hệ thống sẽ khác nhau.

4.6. Số Reynolds

Biên dạng dòng là một hàm số của số Reynold và hầu hết USM hiệu chính cho những thay đổi trong số Reynold. Số Reynold được tính toán từ đường kính trong đã biết của thân đồng hồ D, vận tốc trung bình n, đo được và giá trị định sẵn của khối lượng riêng thực tế r và độ nhớt động học μ.

Trong quá trình hiệu chuẩn, cũng như quá trình vận hành, giá trị thực tế của khối lượng riêng và độ nhớt động học sẽ được nhập vào máy tính của USM. Xem 5.8.3.

Đối với số Reynold trên 50 000 ảnh hưởng của sự thay đổi bất thường trong số Reynold là không lớn và nằm trong khoảng từ xấp xỉ 1 % trên quãng mười đối với đường truyền sóng qua tâm ống nhỏ hơn 0,3 % trên quãng mười đối với đường truyền nửa bán kính. Đối với hầu hết đồng hồ âm đa đường truyền ảnh hưởng lên phép đo sẽ nhỏ hơn 0,1 % đối với thay đổi của hệ số 2 trong số Reynold (cần được xác nhận bởi nhà sản xuất).

4.7. Hiệu chính nhiệt độ và áp suất

4.7.1. Giới thiệu

Trong quá trình hiệu chuẩn động (ướt) tất cả các sai số hệ thống được đưa về “không” bằng cách xác định và áp dụng hệ số hiệu chuẩn của đồng hồ. Từ thời điểm này trở đi, điều kiện tham chiếu của đồng hồ là áp suất và nhiệt độ trong quá trình hiệu chuẩn động. Bất cứ thay đổi nào về nhiệt độ và áp suất sẽ thay đổi kích thước vật lý của đồng hồ và, nếu không được hiệu chỉnh, sẽ dẫn đến sai số hệ thống của phép đo dòng. Nói chung áp suất và nhiệt độ trong quá trình hiệu chuẩn sẽ khác với trong điều kiện vận hành.

Trong các phần sau, kết thúc ở điều 4.7.5, phương pháp đơn giản được đưa ra cho phép ước lượng ban đầu hình thành từ sai số lưu lượng tạo ra bởi điều kiện nhiệt độ và áp suất khác với điều kiện hiệu chuẩn. Nếu những sai số này có ý nghĩa với độ không đảm bảo đo quy định cho mục đích giao nhận thương mại hoặc phân phối, đánh giá chi tiết về sai số lưu lượng phải được thực hiện như mô tả trong điều 4.7.6 để đạt được giá trị chính xác hơn cho sai số lưu lượng. Phụ lục E cung cấp giải thích mở rộng và chi tiết về công nghệ và người đọc được khuyến nghị nên tham khảo phần này làm cơ sở cho phần lớn các trình bày trong những phần sau.

4.7.2. Hiệu chính nhiệt độ

Đối với tất cả các loại đồng hồ, cấu trúc hình học liên quan đến hiệu chính nhiệt độ có thể được đưa ra như giải pháp phân tích dễ hiểu (xem Phụ lục E, điều E.2). Do vậy, việc hiệu chính có độ chính xác rất cao và độ không đảm bảo đo liên quan đến việc hiệu chính này chỉ là độ không đảm bảo đo liên quan đến hằng số vật liệu.

Hệ số hiệu chính lưu lượng do thay đổi nhiệt độ thân đồng hồ ΔT, được tính bởi:

Vì α. ΔT là rất nhỏ nên công thức (4.13) có thể được đơn giản hóa thành:

Hoặc cách khác, được diễn tả như sai số lưu lượng:

Bảng 5 trình bày những giá trị điển hình của hệ số dãn nở nhiệt đối với vật liệu thân đồng hồ phổ biến

Bảng 5 - Hệ số giãn nở nhiệt phổ biến trong khoảng phạm vi (0 – 100) ^oC

Vật liệu	Giá trị (oC-1)
Thép Cacbon	12.10-6
Thép không gỉ (Austenic)	10.10-6
Thép không gỉ (Ferrit)	13.10-6

Biểu diễn bằng đồ thị của công thức 4.15 được trình bày trong Hình 8 cho hai loại vật liệu trong Bảng 5

Hình 8 - Nhiệt độ liên quan đến sai số lưu lượng đối với hai loại vật liệu

Hình 8 có thể được sử dụng để ước lượng nhanh phần trăm hiệu chính đối với sự thay đổi nhiệt độ đã cho. Tại điểm ví dụ, sự thay đổi nhiệt độ +23 ^oC với thân bằng thép không gỉ austenic, hệ số hiệu chính là + 0,07 %. (nghĩa là đồng hồ sẽ chỉ lưu lượng thấp hơn 0,07 % nếu không hiệu chính). Nếu ΔT âm, ΔQ/Q sẽ âm (nghĩa là đồng hồ sẽ chỉ lưu lượng cao hơn).

4.7.3. Hiệu chính áp suất

Cấu trúc hình học liên quan đến hiệu chính áp suất rất phức tạp và phụ thuộc vào thiết kế của thân đồng hồ, kết nối cuối và cách lắp đặt nó trong vận hành. Xem xét trong thị trường, thiết kế đồng hồ rất đa dạng được nhóm ra thành ba loại:

● Thiết kế thân hình trụ hàn bên trong;

● Thân đồng hồ bao gồm một đường ống với mặt bích hàn;

● Thiết kế thân đồng hồ không phải hình trụ, ví dụ dựa trên khuôn đúc.

Những phần dưới đây cung cấp phương pháp ước lượng ban đầu của sai số lưu lượng cho bất kỳ kiểu thân đồng hồ nào.

4.7.3.1. Biểu thức đơn giản tổng quan đối với loại thân đồng hồ bất kỳ

Bước ban đầu trong ước lượng ảnh hưởng của áp suất, một biểu thức cơ bản có thể được rút ra bằng giả thiết thân đồng hồ bao gồm một đường ống hình trụ đơn giản. Một ước lượng sai số lưu lượng kỳ vọng lớn nhất do sự thay đổi áp suất thân đồng hồ, ΔP, (mô tả trong Phụ lục E, điều E.10) được trình bày bởi:

Nếu thân đồng hồ không đều hoặc không phải hình trụ (ví dụ có thể là trường hợp thân đúc), để nhằm mục đích ước lượng ban đầu bán kính ngoài, a, phải được lấy tại điểm có thành ống mỏng nhất, điều này sẽ cho ước lượng lớn nhất của sai số lưu lượng.

Công thức 4.16 được biểu diễn theo dạng đồ thị được trình bày trong Hình 9 đối với dải giá trị d/R, nghĩa là tỷ số của độ dày đường ống trên bán kính trong.

Hình 9 - Sai số lưu lượng kỳ vọng lớn nhất liên quan đến áp suất đối với các tỷ số d/R khác nhau

Hình 9 cho thấy phương pháp ước lượng sai số lưu lượng kỳ vọng lớn nhất do thay đổi áp suất thân đồng hồ. Hình này vẽ cho một loại vật liệu làm thân với Modun Young’s là 2*10¹¹ N/m² và một tỷ số Poison’s là 0,3. Ví dụ ΔP là 63 bar cho thấy áp suất kỳ vọng lớn nhất cho sai số là 0,06 % đối với d/R = 0,25. Nếu ΔP âm, ΔQ/Q sẽ âm (nghĩa là đồng hồ sẽ đọc quá lưu lượng).

Vì công thức 4.16 và Hình 9 cung cấp sai số kỳ vọng lớn nhất, có thể xem 4.7.5 (lấy K_E = K_s = 1) để đánh giá ý nghĩa của sai số không cần lọc trong ước lượng ban đầu nêu trong Điều 4.7.3.2 và 4.7.3.3 bởi vì những phần này sẽ cho kết quả trong giá trị thấp hơn sai số lưu lượng.

4.7.3.2. Chọn lọc các ước lượng ban đầu để tính các thiết kế thân đồng hồ khác nhau

Mặt bích cuối hoặc hình dạng bất thường đối với thân đồng hồ sẽ củng cố thân so với đường ống hình trụ đề cập trong 4.7.3.1. Do đó, độ giãn nở phần thân và kết quả sai số lưu lượng sẽ nhỏ hơn giá trị tính bằng công thức 4.16 và Hình 9. Để bù vào những ảnh hưởng của việc củng cố cục bộ thân đồng hồ “hệ số hiệu chính”, K_s được sử dụng để đưa ra ước lượng điều chỉnh cho sai số lưu lượng:

K_s luôn nhỏ hơn hoặc bằng 1. Giá trị của K_s được sử dụng cho loại thân đồng hồ như sau:

● Đối với thân đồng hồ hàn trong không có mặt bích cuối trong vòng 2a của vị trí đặt bộ biến đổi siêu âm, K_s =1, nghĩa là thân đồng hồ hoạt động như một đường ống đơn giản.

● Đối với thân đồng hò có gắn mặt bích (ví dụ gồm có 2 mặt bích hàn vào ống), hoặc thiết kế hàn trong nơi mà các mặt bích lân cận trong vòng 2a của vị trí đặt bộ biến đổi siêu âm, giá trị của K_s được tính toán như mô tả trong Phụ lục E, điều E.4.

● Đối với thân đồng hồ có hình dạng bất thường, ví dụ thân đúc, K_s thu được như sau dựa trên sai số lưu lượng trung bình:

○ Sử dụng công thức 4.16, hoặc Hình 9 để đạt được sai số lưu lượng lần thứ 2, y, nhưng dựa vào phần thành ống dày nhất.

○ K_s được tính toán, K_s = 0,5 (1+y/x) trong đó x là ước lượng ban đầu dựa trên phần thành ống mỏng nhất.

4.7.3.3. Chọn lọc ước lượng ban đầu cho ảnh hưởng của sự kéo, nâng, chèn ép

Công thức (4.16) và Hình 9 dựa trên điều kiện xấu nhất cho sự giãn nở thân đồng hồ theo bán kính (không có tải cuối và không có vị trí cuối). Ảnh hưởng của điều kiện tốt nhất (áp suất tải cuối và không có vị trí cuối) đối với giãn nở thân đồng hồ hướng theo tâm nhỏ nhất có thể được tính đến bằng cách đưa vào một “hệ số hiệu chính thân điểm cuối”, K_E, được cho trong Hình 10 (với tỷ số Poison =0,3)
(Mời xem tiếp trong file tải về)