PLANOWANIE POMIARU PRĘDKOŚCI PRZEPŁYWU MIESZANIN WIELOFAZOWYCH W RUROCIĄGACH

(1)

PLANOWANIE POMIARU PRĘDKOŚCI PRZEPŁYWU MIESZANIN WIELOFAZOWYCH W RUROCIĄGACH

Edward Nowak, Leszek Petryka

Wydział Fizyki i Techniki Jądrowej, Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków Abstract

DESIGN OF MULTIPHASE FLOW VELOCITY MEASUREMENT IN PIPES Investigation of complex flow appears something to be difficult when using tradi- tional measurements. Especially, multiphase flows, where phases may move with different speed, are not properly investigated by typical flow meters. Such flows are very often examined by impulse injections of properly selected radiotracers. This method is especially convenient to measure speed of a particular component of the mixture. During optimization of such measurement important is diagnosis of disturbances and the noise, which may occur during transportation, as well as characteristic of the data acquisition set. The paper gives a view of such experiments' design. Particularly the paper focuses on such sampling time and the distance between probes selection that will result in increased accuracy of velocity determination in the accepted time spent for calculation.

PL0201700

1. WSTĘP^r

W większości procesów technologicznych stosuje się ciągłe przepływy surowców i przerabianych materiałów. Pomiar prędkości takiego przepływu standardowymi metodami staje się czasami bardzo trudny, a wręcz niewyko- nalny. Istnieją bardzo dobrze rozwinięte techniki pomiaru prędkości płynów jednorodnych w rurociągach jak przepływomierze indukcyjne czy pojemno- ściowe. W przypadku, gdy potrzebny jest pomiar prędkości przepływu mieszaniny wielofazowej, w której pojawiają się poślizgi pomiędzy fazami, uza- sadnione staje się szukanie metod bardziej dokładnych. Do pomiaru prędkości poszczególnych składników tego typu mieszanin dobrze nadaje się metoda znacznikowa. Podczas optymalizacji takich pomiarów ważną rzeczą jest roz- poznanie zjawisk zachodzących podczas transportu analizowanej substancji oraz dobór parametrów zestawu pomiarowego. Niniejsza praca ma na celu pomoc przy planowaniu eksperymentów, w których chcemy mierzyć prędko- ści przepływu, a zastanawiamy się nad wyborem optymalnego czasu próbko- wania oraz odległości pomiędzy sondami. Konsekwencją tego typu wyboru będzie różna dokładność wyników oraz czas poświęcony na obliczenia.

2. PLANOWANIE POMIARU PRĘDKOŚCI PRZEPŁYWU

Dokładności obliczeń opartych na sygnałach zarejestrowanych w czasie pomiarów radioznacznikowych zależą od sposobu przeprowadzenia

(2)

pomiaru i wybranej metody obróbki danych. Czas próbkowania At, odle- głość pomiędzy sondami, aktywność oraz ilość wprowadzanego znacznika to między innymi te czynniki, od których zależy dokładność pomiaru. Re- ferat pokazuje, iż optymalizacja powyższych parametrów w fazie planowania eksperymentu znacznie ułatwia obliczenia, a równocześnie może podnieść wiarygodność uzyskanych wyników.

W pierwszym etapie planowania pomiaru prędkości przepływu zapro- ponowano zajęcie się optymalizacją czasu próbkowania. Główny nacisk został przy tym położony na zbadanie, jaki wpływ na czasochłonność obliczeń i dokładność wyników ma czas próbkowania rejestrowanych sygnałów (At).

Dobór zbyt krótkiego At umożliwia wprawdzie dokładne wyznaczenie opóź- nienia transportowego T, ale wzrastają wówczas fluktuacje statystyczne czę- stości zliczeń oraz czas trwania obliczeń. Natomiast, gdy wybierzemy dłuższy czas próbkowania At, wtedy maleją wprawdzie fluktuacje statystyczne, lecz pomiar opóźnienia T i wyliczone prędkości stają się mniej dokładne.

W celu wyznaczenia najbardziej prawdopodobnego opóźnienia transportowego zdecydowano się na dopasowywanie modeli matematycznych do wyznaczonych rozkładów korelacji wzajemnych zarejestrowanych sygnałów.

Uzyskane w ten sposób opóźnienie T jest wyznaczone za pomocą całej serii, a nie pojedynczych punktów pomiarowych. W charakterze modeli wykorzystano funkcje wielomianowe 6 i 8 stopnia oraz rozkład Gaussa. Łatwo moż- na przy tym zauważyć, że proponowane modele dają możliwość dokładnego określenia opóźnień, nawet przy dużych czasach próbkowania.

Po odfiltrowaniu szumów z transmitancji badanego odcinka strumienia G(ica), otrzymano rozkład czasu przebywania znacznika pomiędzy son- dami. Wówczas, gdy nie ma stref martwych lub osadów dennych w ruro- ciągu, wtedy opóźnienie transportowe można wyznaczyć z wartości, w której rozkład czasu przebywania (RTD) przyjmuje maksimum. Błąd wyznaczenia tego opóźnienia metodami analizy spektralnej oraz korelacji wzajemnych wynosi połowę czasu próbkowania [1].

W celu sprawdzenia zaproponowanego sposobu planowania pomiaru pręd- kości mieszanin w rurociągach wykonano testy na instalacji laboratoryjnej Zakładu Radiometrii Przemysłowej i Znaczników Izotopowych Akademii Górniczo-Hutniczej (AGH), które mieści się na Wydziale Fizyki i Techniki Jądrowej (WFiTJ).

W skład instalacji wchodzi:

• zbiornik z cieczą,

• pompa,

• sondy scyntylacyjne,

• osłony,

• komputer klasy PC.

(3)

Schemat instalacji laboratoryjnej w WFiTJ-AGH Kraków przedstawiono na rys. 1.

Znacznik Ii. = 920 mm

Pompa

Zbiornik z cieczą

Rys. 1. Schemat instalacji laboratoryjnej w WFiTJ-AGH.

W prezentowanym laboratorium możliwe jest przeprowadzenie za- równo pomiarów znacznikowych jak i absorpcyjnych na poziomym odcin- ku rurociągu. Przepływ w tej instalacji był wymuszony przez pompę, która jest wyposażona w falownik częstotliwościowy, pozwalając na dokładną regulację prędkości przepływu mieszaniny. Poprzednie pomiar}' przepro- wadzone na tej instalacji wykazały konieczność usunięcia powietrza w celu zapewnienia stabilnej pracy pompy. Rura, którą płynęła badana mie- szanina miała wewnętrzną średnicę 0^Wew = 32 mm. W eksperymentach oznaczonych symbolem „Mar", sondy scyntylacyjne zostały umieszczone w odległości L = 920 mm. Każdy z czterech pomiarów (Mar005-Mar008) trwał 300 sekund, a czas próbkowania wynosił l ms. Pierwszy z tych eks- perymentów był wykonany przy 1000 obr./min, a przy każdym następnym zwiększano prędkość o 600 obr./min (tabela 1). W charakterze znacznika wykorzystano izotop promieniotwórczy^99mTc o czasie połowicznego roz- padu 6 godzin oraz aktywności 300 MBq.

Tabela l . Główne parametry pomiaru.

Pomiar MarOOS MarOOó MarOO?

MarOOS

Objętość wprowadzanego znacznika [ml]

5 10 15 20

Prędkość obrotowa pompy [obr./min]

1000 1600 2200 2800

(4)

Przy zachowaniu stacjonarności przepływu i impulsowym wprowa- dzeniu znacznika w miejscu zaznaczonym na rys. l, zarejestrowano sy- gnały MarOOS do MarOOS. W przytoczonej serii pomiarów stopniowano zwiększano objętość znacznika, co 5 ml (tabela 1). W celu ograniczenia promieniowania docierającego do sond, zostały użyte mosiężne kolimato- ry, a dolna część instalacji była osłonięta murem z cegieł ołowianych.

W komputerze obsługującym eksperymenty wykorzystano specjalną kartę umożliwiająca zbieranie danych oraz śledzenie na monitorze liczby zliczeń w jednostce czasu.

120'

O.E

100- 80- 60-

CC 40- 20-

0-

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

Czas [s]

3.5 4.0

Rys. 2. Rozkład opóźnień dla analizowanych czasów próbkowania.

Na rys. 2 jest przedstawione zostały rozkłady opóźnień otrzymane przy różnych czasach próbkowania.

Tabela 2. Wyniki otrzymane z pomiaru MarOOS.

Czas próbkowania

[ms]

1 2 5 10 20 50 100 200 500

Opóźnienie transportowe Wartość

[s]

1,8075 1,807 1,8075

1,805 1,790 1,77 1.75 1,70 2,25

Niepewność bezwzględna [s]

- 0,001

0 0,003 0,018 0,03 0,06 0,11

0,4

Niepewność względna [%]

- 0,03

0 0,14

1,0 1,83 6 20

Prędkość [m/s]

0,5090 0,5091 0,5090 0,5097 0,514

0,52 0,53 0,54 0,41

obliczeńCzas [s]

30 22 16 13 11 10 10 10 10

(5)

Odległość pomiędzy sondami była mierzona z dokładnością 0,5 mm, dla- tego o niepewności wyznaczenia prędkości decydowała dokładność opóź- nienia transportowego. Uzyskane wyniki zostały umieszczone w tabeli 2.

Łatwo zauważyć, że czas próbkowania ma znaczny wpływ na czas obli- czeń poszczególnych opóźnień transportowych. Przy niepewności nie przekraczającej 1%, czas obliczeń skrócono o ponad 60%. Odpowiadające temu częstotliwości próbkowania zaznaczono w tabeli 2.

30-

•5_N

l

O

l

- niepewność wyznaczenia t - czas obliczeń

.

-10 £•

•O•U)

l-

⁵o

1

_Q.

O)

1E-3 O.Ol 01 Czas próbkowania [s]

Rys. 3. Zależność czasu wykonywania obliczeń oraz niepewności wyznaczenia opóźnie- nia w funkcji czasu próbkowania.

Na rys. 3 zobrazowano przybliżony czas wykonywania obliczeń oraz nie- pewność wyznaczenia opóźnienia w funkcji czasu próbkowania.

3. PODSUMOWANIE

Niniejsza praca pokazuje kryteria, dzięki którym możliwe jest dobra- nie optymalnego czasu próbkowania sygnałów w radioznacznikowych pomiarach prędkości przepływu mieszanin. Cel ten został osiągnięty dzięki zastosowaniu metody korelacyjnej do wyznaczania opóźnień transportowych znakowanego składnika oraz dopasowaniu modeli matematycznych do wyznaczonych korelogramów. Zamieszczone przykłady ilustrują jak dla zadanej dokładności pomiaru prędkości można dobrać optymalny czas próbkowania rejestrowanych sygnałów oraz znacząco ograniczyć czas trwania obliczeń (o ponad 60%). Osiągnięte rezultaty dają podstawy do podjęcia prac nad podniesieniem efektywności badania przepływów w warunkach przemysłowych.

(6)

LITERATURA

[1]. Beck M.S., Pląskowski A.: Cross-correlation flow meters - their design and application. Adam Hilger, 1987.

[2]. Petryka L.: Application of Statistical Methods to Determination of RTD in Flow Processes. First International Congress on "Tracers and Tracing Methods", Nancy, 29-30.05.2001.

[3]. Nowak E.: Planowanie pomiaru prędkości przepływu mieszanin w rurociągach. Praca magisterska. AGH, Kraków 2000.