23304

طراحي و ساخت كنتور گاز فراصوتي، بومي‌سازي، بهينه‌سازي تكنولوژي اندازه‌گيري، ارسال اطلاعات و بهبود دقت آن

دكتري

ديناميك - كنترل و ارتعاشات

1390

1399/07/20

دكتر ميرسعيد صفي زاده

مكانيك

چكيده دبي‌سنج‌هاي فراصوتي به واسطه‌ي مزاياي بسيار و معايب اندكي كه دارند، امروزه در حوزه انتقال سيالات بخصوص در بخش انتقال‌ها و فرايندي بسيار مورد توجه قرار گرفته‌اند. طي بيست سال اخير پيشرفت‌هاي سخت‌افزاري و نرم‌افزاري زيادي در اين دبي‌سنج‌ها انجام گرفته است كه باعث افزايش سرعت، دقت، قابليت اطمينان و كارايي آن‌ها گرديده است. در اين رساله طراحي و ساخت اجزاي اصلي يك فلو كامپيوتر فراصوتي گاز خانگي مورد بحث و بررسي قرار گرفت. در اين پژوهش ابتدا يك دبي‌سنج فراصوتي گاز خانگي UG-4 (تك مسيره) محصول شركت چيني ژيجانگ وايكسينگ با نام تجاري ويوشاين كه در سطح گسترده جهاني مورد استفاده قرار مي‌گيرد، مهندسي معكوس شد. مشخصات مربوط به حسگرهاي فراصوتي آن و نحوه ارسال و دريافت سيگنال‌ها، بخصوص الگوريتم مورد استفاده در محاسبه دبي، شناسايي گرديد. سپس حسگرهاي فراصوتي دبي‌سنج طراحي، شبيه‌سازي و بومي‌سازي شد. شبيه‌سازي حسگرهاي فراصوتي به بهينه‌سازي اجزاي حسگر كمك كرد و با امكانات موجود در كشور حسگر مناسب ساخته شد. حسگر ساخته شده مورد آزمايش قرار گرفت و مدارات مورد نياز جهت تقويت و نويزگيري سيگنال‌هاي آن‌ها طراحي و ساخته شد. نهايتا حسگرهاي بومي‌سازي شده در دبي‌سنج UG-4 مورد صحت‌سنجي قرار گرفتند. در مرحله دوم مدار فلوكامپيوتر مورد تجزيه و تحليل قرار گرفت و الگوريتم مورد استفاده در محاسبه دبي تعيين گرديد. سپس مدارهاي الكترونيكي براي محاسبه دبي با الگوريتم مورد نظر طراحي و ساخته شدند و در نهايت مدارهاي الكترونيكي ساخته شده، جايگزين مدارهاي محاسبه‌گر دبي‌سنج UG-4 شده و نتايج حاصل از مدارهاي الكترونيكي ساخته شده با نتايج يك دبي‌سنج UG-4 اصلي مقايسه شد. در مرحله سوم روش‌هاي مختلفي براي صحت‌سنجي دبي‌سنج با اجزاي بومي‌سازي شده اجرا گرديد كه روش پيشنهادي كاليبراسيون بر اساس استفاده از شبكه عصبي پرسپترون چندلايه (MLANN) يكي از اين روش‌ها بود. به واسطه وجود جريان گذرا در بخش قابل توجهي از گستره دبيِ كاري دبي‌سنج مذكور (از 0.2 تا 4 مترمكعب بر ساعت) آثار غيرخطي در اندازه‌گيري دبي ايجاد شد و سبب خطاي گرايش متغير با تغييرات دبي سيال گرديد. بنابراين به منظور كاهش خطاي گرايش و افزايش صحت اندازه‌گيري دبي‌سنج، استفاده از شبكه عصبي در كاليبراسيون دبي‌سنج به واسطه توانايي‌هاي آن در نگاشت غيرخطي در نظر گرفته شد. داده‌هاي مربوط به صحت‌سنجي توسط صحت‌سنج نوع بل بدست آمد. يكي از اهداف اين رساله بهبود دقت اين دبي‌سنج بود. يعني رسيدن به خطاي اندازه‌گيري كمتر از 1.5± درصد كه بهترين دقت دبي‌سنج UG-4 است. از طرف ديگر در دبي‌سنج‌هاي فراصوتي زمان-گذر، يكي از متداولترين روش‌هاي اندازه‌گيري زمان پرواز سيگنال‌هاي فراصوتي در حوزه زمان، روش همبستگي متقابل است كه يك روش نيازمند به زمان و محاسبات زياد است. از اين رو، رويكردهاي اختلاف زماني براي كاهش نياز محاسباتي و افزايش زمان پاسخ ترجيح داده مي‌شود. با اين حال، روش‌هاي اختلاف زماني در مقايسه با روش‌هاي معمولي، از خطاي اضافي (خطايي علاوه بر خطاي موجود در سيستم، كه توسط اين روش‌ تحميل مي‌شود) رنج مي‌برند. در پروژه حاضر، با استفاده از روش شبيه‌سازي عددي، اين خطاي اضافي مورد تجزيه و تحليل قرار گرفت و تاثير برخي از عوامل مانند قطر لوله، سرعت جريان و دماي متوسط سيال بررسي و نشان داده شد كه اين خطا، يك خطاي گرايش اضافي است (ABE) و در ادامه رويكردي براي حذف يا كاهش ABE ارائه گرديد. از آنجا كه در مقالات مربوط به اين روش، اشاره شده است كه از روش مذكور فقط براي اعداد ماخ كمتر از 0.1 مي‌توان استفاده كرد، نشان داده شد كه با استفاده از روش پيشنهادي نه تنها مي‌توان از اين روش براي اعداد ماخ بيش از 0.1 نيز استفاده كرد، بلكه ABE حاصل از روش پيشنهادي بسيار كاهش مي‌يابد. نتايج روش پيشنهادي با انجام آزمايش صحه‌گذاري و يكي ديگر از اهداف پروژه كه دستيابي به محدوده‌پذيري بالاتر بود محقق گرديد.

1399/12/10

Design and manufacture of ultrasonic gas flow meter, localization, optimization of measurement technology, data transmission and improvement of its accuracy

10/12/2021 12:00:00 AM

Abstract: This thesis discusses the design and fabrication of a domestic ultrasonic natural gas flow computer. It is then calibrated based on the Multilayer Perceptron Neural Network (MLANN). The measured flow rate ranges from 0.2 to 4 m3 / h. Due to the transient flow in a considerable part of the range of the above flow rate and the low flow velocity in the laminar flow region, nonlinear effects are created on the flow rate measurement and cause a bias error that varies with fluid flow. Therefore, in order to reduce bias error and increase the accuracy of the flow meter measurement, the use of neural network in the flow meter calibration is considered due to its capabilities in nonlinear mapping. The neural network training is based on the input data (the outputs of the fabricated flow computer) and the target data (which corresponds to the outputs obtained by the Bell Prover). Also, the sing-around method was used to measure the time of flight of ultrasound signals with a higher resolution than the microcontroller resolution. The purpose of this thesis is to achieve an error less than 1.5%. To evaluate the proposed method, two-point calibration methods as well as the bracket calibration method were used, and the results of all three methods were compared. Since calibration equations are, in effect, a mapping of flowmeter readings to prover or master meter reading, the aim is to achieve a method that is capable of predicting or mapping the flow computer output with a lower error than usual. Although the two-point calibration method shows a good statistical agreement between the flow computer outputs and the bell prover, it failed to reach that target. On the other hand, in calibration by the bracketing method, measurement error was slightly better than 1.5%, but, using multilayer perceptron neural network method in calibration, the maximum measurement error was 1.21%, which was the best result obtained. This suggests that the use of artificial intelligence as an efficient calibration tool is worth further work and research. In transit-time ultrasonic flow meters, one of the most common methods of measuring the time of flight of ultrasonic signals in the time domain is the cross-correlation method, which requires a great deal of time and computation. Hence, time difference approaches are preferred to reduce the computational burden and improve the response time. However, the time-difference method suffers from an additional error (an error in addition to the system error imposed by this method) compared to conventional methods. In this thesis, this additional error is analyzed using numerical simulation, and the effects of some factors such as pipe diameter, flow rate and fluid temperature are investigated, and it is shown that this additional error is a bias error (additional bias error-ABE). Furthermore, an approach to remove or reduce ABE is presented. Since it is mentioned in the literature that this method can only be used for Mach numbers smaller than 0.1, it is shown that by using the second-order approximation of the explicit equation, this method can be used for Mach numbers larger than 0.1, and the ABE of this method was reduced to approximately zero. In this regard, an experiment was carried out on a six-inch ultrasonic flow meter with an eight-path X-configuration to validate the second-order approximation method. The results of the experiment confirm that the proposed method can be successfully used in ultrasonic flow meters with a flow rate greater than Mach 0.1.

دبي‌سنج فراصوتي زمان-گذر , كاليبراسيون دبي , روش اختلاف زماني , خطاي اضافي , روش سينگ-اراند

Transit-time ultrasonic flow meter , flow calibration , time difference method , bias error , sing-around method