CÔNG TY CỔ PHẦN THIẾT BỊ NÂNG CHUYỂN VÀ ĐO KIỂM
CÔNG TY CỔ PHẦN H-GROUP 
Địa chỉ: Số 12 ngõ 942 đường Láng, quận Đống Đa, TP Hà Nội
Điện Thoại: 024 8582 2159   -   Fax: 024 3791 7621  
  Email:sales@lavme.vn   -   website: lavme.vn
Năng lực tạo nên giá trị - Chuyên sâu cho từng sản phẩm
HỖ TRỢ TRỰC TUYẾN
Tel:
Fax:
Tel:  04.8582.2159
04.3791.7621
Fax: 04.3791.7621
Phòng kinh doanh
0984 322 364
Email:
sales@lavme.vn
Phòng kỹ thuật
0936 36 8731
Email:
hotrokythuat@lavme.vn
Phòng kế toán
0987 674 866
Email:
accounting@lavme.vn
Phòng xuất nhập khẩu
0988 666 281
Email:
import-export@lavme.vn
Phòng dự án
0986 588 389
Email:
du.an@lavme.vn
Phòng IT
034 959 8048
Email:
IT@lavme.vn
Đang online
2
Tổng lượt truy cập
4.896.317
Tin tức

phương pháp không can thiệp cho phép thực hiện quan trắc hay đo đạc trong các hệ thống đo lưu lượng dòng chảy công nghiệp

(Ngày đăng: 02/24/2022 - lượt xem: 644)
Phương pháp đo đạc profile vận tốc dòng chảy sử dụng sóng trên âm. Đây là phương pháp đo đạc tiên tiến cho phép xác định profile vận tốc tức thời của dòng chảy chất lỏng không nhất thiết trong suốt. Đồng thời đo đạc có thể được thực hiện trong các miền không nhìn thấy (biên không trong suốt). Đây cũng là phương pháp không can thiệp cho phép thực hiện quan trắc hay đo đạc trong các hệ thống đo lưu lượng dòng chảy công nghiệp đang vận hành, trong các điều kiện khắc nghiệt về nhiệt độ, áp suất v.v. Dựa trên profile vận tốc chất lỏng, đo lưu lượng dòng chảy có thể được tính toán với độ chính xác cao cho phép nâng cao hiệu suất vận hành các hệ thống sản xuất năng lượng. Các vấn đề cơ bản được trình bày gồm cơ sở lý thuyết, thu nhận và xử lý tín hiệu.

Hai phương pháp xử lý tín hiệu phổ biến nhất hiện nay là phương pháp phân tích đa xung và phương pháp phân tích tương quan hai xung

Phương pháp đo đạc profile vận tốc chất lỏng sử dụng sóng trên âm cho phép đo đạc profile vận tốc dòng chảy dọc theo trục đo đạc (thành phần vận tốc chất lỏng nằm trên trục đo). Phương pháp này bắt nguồn từ phương pháp đo đạc vận tốc máu trong cơ thể sử dụng sóng trên âm. Phương pháp này có nhiều ưu điểm so với các phương pháp đo đạc vận tốc truyền thống. Phương pháp này là phương pháp không can thiệp, không ảnh hưởng đến dòng chảy, và có thể áp dụng cho các chất lỏng tùy ý (trong suốt hoặc đục) và trong các biên không trong suốt. Nó cho phép xác định profile vận tốc tức thời của dòng chảy ngay trong khi tiến hành đo đạc. Đầu đo siêu âm lưu lượng và hệ thống thiết bị kèm theo có thiết kế nhỏ gọn. Vì vậy phương pháp đo đạc này đặc biệt thích hợp với các hệ thống có sẵn đang vận hành trong các điều kiện khắc nghiệt về nhiệt độ, áp suất v.v. mà không cần phải thay đổi hệ thống ống hay dừng vận hành. Ngoài ra phương pháp này cho kết quả có độ phân giải cao về không gian và thời gian. Vì thế nó còn thích hợp cho việc nghiên cứu các hiện tượng thủy nhiệt động lực học không dừng.

Sự phát triển của các phương pháp đo đạc, chẩn đoán sử dụng sóng trên âm trong lĩnh vực y tế đã diễn ra mạnh mẽ trong vài thập kỷ vừa qua. Về mặt nguyên lý có hai phương pháp phổ biến để xác định vận tốc chất lỏng sử dụng sóng trên âm. Phương pháp thứ nhất là phương pháp đa xung. Phương pháp này xác định sự thay đổi tần số của sóng trên âm phát ra so với tần số của sóng trên âm phản xạ về từ chất lỏng do ảnh hưởng của vận tốc dòng chảy và từ đó xác định vận tốc của dòng chảy. Phương pháp thứ hai là phương pháp phân tích tương quan tín hiệu thu về từ dòng chảy từ đó xác định được khoảng dịch chuyển của chất lỏng trong khoảng thời gian giữa hai xung. Từ đó vận tốc dòng chảy cũng được xác định.

Phương pháp đo đạc, đo lưu lượng sử dụng sóng trên âm

Phương pháp đa xung (PUR)

Phương pháp này sử dụng một số xung sóng trên âm phản hồi từ chất lỏng để phân tích tìm tần số Doppler (fd). Tần số Doppler chính là độ thay đổi tần số gây ra do chuyển động của môi trường và có mối liên hệ như phương trình (1):

fd ­= 2f0v/c.      (1)   

Nguyên lý làm việc của hệ thống đo đạc profile vận tốc sử dụng sóng trên âm dựa trên phương pháp xác định tần số Doppler. Đầu đo sóng trên âm phát một xung sóng trên âm vào môi trường và chuyển sang chế độ nhận (chế độ nghe) âm phản hồi từ môi trường (từ các hạt lơ lửng trong môi trường). Tốc độ truyền sóng trong môi trường được giả thiết đã xác định từ trước. Các kênh đo (vị trí đo đạc vận tốc trong profile - measurement channels) được xác định theo thời điểm đầu đo thu nhận tín hiệu phản hồi về (còn gọi là canh thời gian - hay gated time). Ví dụ như trong Hình 1, tín hiệu phản hồi về từ kênh 1 được thu nhận sau một khoảng thời gian: Phương trình (1) giả thiết rằng vận tốc v của vật thể có hướng trùng với hướng nối vật chuyển động và nguồn phát sóng trên âm; f0 là tần số sóng trên âm (tần số cơ bản); c là vận tốc truyền sóng trong môi trường.

t = 2∆x / c.      (2) 

Do tần số Doppler có thể được xác định theo các hướng truyền âm. Phương pháp UVP không thể xác định thành phần vận tốc vuông góc với hướng truyền âm. Do vậy trong thực tế đo đạc sử dụng hệ thống UVP, đầu đo sóng trên âm thường được đặt nghiêng một góc θ so với hướng của vận tốc (Hình 1). Khi đó thành phần vận tốc theo hướng vuông góc với hướng dòng chảy có thể được xác định theo phương trình (3).  ∆t giây kể từ khi đầu đo phát ra một xung tín hiệu sóng trêm âm vào môi trường. Hoàn toàn tương tự cho các kênh khác. Bằng việc phân tích tín hiệu phản hồi về từ môi trường cho mỗi kênh, tần số Doppler được xác định cho các kênh và vận tốc sẽ được xác định.

v=fd/f0 . c/2cos(θ).      (3)

Nguyên lý của phương pháp UPR
 
Hình 1: Nguyên lý của phương pháp UPR 

Mặc dù mỗi tín hiệu phản hồi về thực sự có truyền tải thông tin về tần số Doppler. Tuy nhiên hiện nay vẫn chưa có phương pháp nào có thể xác định tần số Doppler mà chỉ sử dụng một xung sóng phản hồi. Các phương pháp hiện nay sử dụng một số xung sóng phản hồi về (tương ứng với số xung sóng phát ra) để xác định tần số Doppler (số xung sóng phản hồi được sử dụng phổ biến là 16, 32, 64, 128, 256 etc.). Các phương pháp được sử dụng để tính toán tần số Doppler phổ biến là phương pháp đếm 0 (zero crossing method), phương pháp phân tích phổ Fourier. Chi tiết có thể tham khảo them các tài liệu [1,2].
Phương pháp này là phương pháp không can thiệp và có thể áp dụng trong các hệ thống có sẵn đang vận hành sử dụng chất lỏng và thành ống không trong suốt. Ngoài ra phương pháp này cho phép xác định profile vận tốc chất lỏng so với các phương pháp đo điểm, đo lưu lượng truyền thống.

Trong các hệ thống UVP hiện nay, các xung tín hiệu phản hồi về được sử dụng (với tần số phát xung Fprf và chu kỳ phát xung Tprf). Một cách tương đương, đó chính là chu kỳ và tần số lấy mẫu của vận tốc. Điều này sẽ ảnh hưởng đến độ phân giải về thời gian và độ sâu đo đạc tối đa của phương pháp UVP do hạn chế của lý thuyết lấy mẫu Nyquist. Ngoài ra độ phân giải không gian cũng phụ thuộc vào đường kính của đầu đo.

Phương pháp tương quan (UTDC)

Đo lưu lượng vận tốc dòng chảy còn có thể được xác định trực tiếp sử dụng phương pháp tương quan để tính toán hệ số tương quan giữa hai xung liên tiếp của sóng phản hồi từ một kênh đo đạc bất kỳ. Kết quả tính toán cho phép xác định thời gian dịch chuyển giữa hai lần phát xung (hay tương ứng là hai miền chất lỏng có tương quan xuất hiện ở cùng một vị trí hình học tại hai thời điểm liên tiếp). 

Nguyên lý của phương pháp UTDC

 Hình 2: Nguyên lý của phương pháp UTDC

Trong hình 3, E1(t) và E2(t) là các xung tín hiệu liên tiếp nhận được từ một kênh đo. E1(t) tương ứng với thể tích đo đạc tại thời điểm trước. E2(t) tương ứng với thể thể tích ở thời điểm tiếp theo (cùng vị trí hình học dọc theo đường đo đạc). Nếu Tprf được điều chỉnh sao cho tại thời điểm tiếp theo trong miền hình học có chứa một số phần tử chất lỏng tại thời điểm trước đó (phần tô đỏ trong Hình 3). Khi đó tín hiệu phản hồi E2(t) sẽ có phần tương tự với tín hiệu E1(t) [3,4]. Phương pháp tương quan được áp dụng cho chuỗi số liệu E1(t) và E2(t) như trong phương trình (4):

R(d) = ∫sE1(t)E2(d+t)dt.      (4)

Có thể thấy rằng hệ số tương quan sẽ tốt nếu hai tín hiệu có nhiều tính tương tự. Về mặt vật lý điều đó yêu cầu tại thời điểm sau, miền không gian phải có nhiều phần tử còn lại tại thời điểm trước. Tương đương với việc thời gian phát xung (khoảng thời gian giữa hai xung liên tiếp) ngắn hay tần số phát xung cao. Tuy nhiên điều này sẽ hạn chế độ sâu tối đa đo đạc được do đầu đo có ít thời gian hơn để nghe tín hiệu phản hồi trước khi phát xung tiếp theo. Điều này cũng là hạn chế đối với phương pháp UPR. Nói cách khác độ sâu tối đa đo đạc được sử dụng phương pháp UVP tỷ lệ nghịch với tần số phát xung của tín hiệu sóng trên âm.Thuật toán tính toán hệ số tương quan được trình bày trong Hình 3. Một cửa sổ chiều dài s, thường được lấy bằng độ rộng kênh đo, được lựa chọn từ chuỗi số liệu E1(t) tại thời điểm l. Một cửa sổ khác với chiều dài tương tự được dịch chuyển trong chuỗi E2(t) theo biến thời gian d và hệ số tương quan R(d) được xác định cho mọi giá trị của d (R là hàm của d) theo phương trình 4. Nếu tại thời điểm l=t1 và d=t2 nào đó (trong miền 0 ≤ l, d ≤ L), R(d) đạt giá trị cực đại thì thời gian dịch chuyển của chất lỏng (Hình 2) được xác định như sau: τ=t1-t2.

Thuật toán tính toán R(d)

Hình 3: Thuật toán tính toán R(d)
Khoảng dịch chuyển tương ứng (theo hướng truyền sóng trên âm) là cτ/2. Do đó khoảng dịch chuyển theo hướng dòng chảy là cτ/(2cosθ) (Hình 2). Khi đó vận tốc dòng chảy tại kênh đo đạc được xác định theo công thức (5):
v = cτ/ 2Tprfcos(θ)      (5)
Về cơ bản do phương pháp đo lưu lượng này chỉ sử dụng hai xung phản hồi nên độ phân giải về thời gian cao hơn phương pháp UPR. Ngoài ra phương pháp này không bị hạn chế bởi tần số lấy mẫu Nyquist.

Một số nhận xét về hai phương pháp UPR và UTDC

Các phương pháp UPR và UTDC đều có các ưu điểm và hạn chế riêng. Do phương pháp UPR sử dụng một số xung phản hồi liên tiếp sóng trên âm nên nó cho kết quả tốt hơn khi hệ đo đạc có nhiễu cao. Hạn chế của phương pháp này là độ phân giải thời gian thấp và độ sâu tối đa cũng như vận tốc tối đa đo đạc được bị hạn chế bởi tần số phát xung (Fprf).
Mặt khác phương pháp UTDC đo lưu lượng chỉ sử dụng hai xung liên tiếp nên độ phân giải thời gian cao hơn và không bị hạn chế về độ sâu tối đa và vận tốc tối đa đo đạc được. Tuy nhiên phương pháp này cho kết quả kém khi có nhiễu lớn trong hệ thống.

Kết quả đo lưu lượng thực tế

Hệ thống thí nghiệm

Sơ đồ nguyên lý hệ thống thí nghiệm được trình bày trong Hình 4 và hệ thống thí nghiệm thực tế được xây dựng tại Phòng thí nghiệm Thủy khí Công nghiệp và Môi trường, Viện Cơ học được trình bày trong Hình 5.

Đo lưu lượng dòng chảy trong ống nghiên cứu được điều chỉnh sử dụng một van kim ở đầu ra của ống. Hai bể (trên cao và bể sàn) có trang bị các gờ tràn để đảm bảo duy trì chênh lệch mực độ nước giữa hai bể luôn là hằng số. Hệ thống này có thể được sử dụng trong nghiên cứu đo đạc dòng chảy một và hai pha. Trong trường hợp nghiên cứu dòng chảy bọt hai pha ngược chiều (counter current two phase flow), một hệ thống tạo bọt được trang bị ở phần cuối của ống (trong bể dưới) cung cấp bọt vào ống. Bọt khí sẽ chuyển động ngược chiều với chiều dòng chảy chất lỏng cũng dưới tác dụng của trọng trường. Nhiều chế độ dòng chảy khác nhau có thể được tạo ra (dòng chảy slug, annular, churn v.v.) tùy thuộc vào lưu lượng khí cung cấp và lưu lượng dòng chảy chất lỏng trong ống.
Đây là thí nghiệm đo đạc dòng chảy tuần hoàn từ trên xuống trong ống đứng dưới tác dụng của trọng trường và sử dụng bơm tuần hoàn. Vật liệu ống đo đạc là nhựa. Đường kính trong của ống D=50mm. Thành ống dầy 5mm. Chất lỏng được sử dụng là nước máy. Chiều dài ống đo đạc 3m. Vị trí đo đạc 240D.

Đo lưu lượng dòng chảy trong ống được xác định bằng một thiết bị khác đo lưu lượng và cũng sử dụng sóng trên âm. Thiết bị này là một thiết bị thương mại (KATflow 200, KATronic Technologies Ltd., UK). Phương pháp đo đạc được sử dụng là phương pháp tương quan xác định thời gian truyền sóng âm xuôi và ngược chiều dòng chảy (ultrasonic time difference correlation method). Vận tốc trung bình của dòng chảy trong ống tại một mặt cắt nơi lắp đặt đầu đo được xác định. Từ đó lưu lượng dòng chảy được xác định. Đây cũng là một thiết bị đo thương mại sử dụng sóng trên âm độ chính xác cao. Tuy nhiên vận tốc đo đạc được là giá trị trung bình.

Sơ đồ nguyên lý hệ thống thí nghiệm

Hình 4: Sơ đồ nguyên lý hệ thống thí nghiệm

Ngoài ra để tạo môi trường truyền âm đồng nhất (bên ngoài và bên trong thành ống) cho sóng trên âm, đầu đo được đặt trong một hộp chứa nước bao quanh ống ở vị trí đo đạc (các loại keo sử dụng cho sóng trên âm cũng có thể được sử dụng thay thế). Hộp này cũng được sử dụng cho các phương pháp quang học khác để nghiên cứu dòng chảy trong ống.
Hiện nay hệ thống thí nghiệm vẫn đang tiếp tục được nâng cấp để có thể phục vụ các thí nghiệm đo đạc các dòng chảy một và hai pha (cùng chiều hay ngược chiều - co-current hoặc counter-current).

Hệ thống UVP

Một hệ thống đo đạc UVP thử nghiệm (sử dụng phương pháp UPR) bước đầu đang được nghiên cứu, phát triển và ứng dụng trong đo đạc dòng chảy một và hai pha với hệ thống thí nghiệm tại Viện Cơ học (Hình 4).

Hiện tại các kết quả đo đạc profile vận tốc và tính toán lưu lượng dòng chảy trong hệ thống thí nghiệm ống đứng (sử dụng trong báo cáo này) được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Dòng chảy nhiều pha, Viện Công nghệ Tokyo (tương tự hệ thống thí nghiệm tại Viện Cơ học) sử dụng hệ thống UVP với cấu hình như sau:
 -             Tần số cơ bản: 8MHz
 -             Tần số phát xung: 8kHz
 -             Độ rộng kênh đo: 0.74mm
 -             Số kênh đo: 150 (profile vận tốc gồm 150 điểm)
 -             Độ phân giải không gian và thời gian: 0.74mm và 60ms
 -             Số xung sử dụng trong tính toán 1 giá trị vận tốc: 32

Hệ thống thí nghiệm dòng chảy 1 và 2 pha trong ống đứng tại Phòng Thủy khí

Hình 5: Hệ thống thí nghiệm dòng chảy 1 và 2 pha trong ống đứng tại Phòng Thủy khí
Công nghiệp và Môi trường Lục địa, Viện Cơ học

Một số kết quả đo đạc và tính toán đo lưu lượng

Kết quả đo đạc profile vận tốc tức thời dòng chảy trong ống được trình bày trong Hình 6 (với số Re = 6000).
Sử dụng profile vận tốc đo đạc được, lưu lượng dòng chảy trong ống được xác định theo công thức (6) và Hình 7.
Q = n
∑ Sivi
i = 0
(6)
Kết quả đo đạc cho thấy khi không áp dụng các phương pháp nội suy cho profile vận tốc thì sai số so sánh với kết quả đo đạc sử dụng đồng hồ đo lưu lượng từ tính nằm trong khoảng 2%. Khi sử dụng nội suy profile vận tốc (tăng số điểm của profile vận tốc), các kết quả đo đạc cho thấy sai số giảm dưới 1%. Ngoài ra một số đo đạc của các tác giả trên thế giới đối với ống gang trong nhà máy cũng đã cho kết quả có sai số rất nhỏ [7]. Ngoài ra để nâng cao độ chính xác của công thức (6), có thể tăng độ phân giải của profile vận tốc bằng cách sử dụng các phương pháp nội suy.

Phương pháp xác định lưu lượng dòng chảy dựa trên profile vận tốc


Hình 7: Phương pháp xác định lưu lượng dòng chảy dựa trên profile vận tốc
 

Tin liên quan:
© Copyright (C) LAVME .,JSC. All rights reserved 2010