Development and investigation of a four-channel ultrasonic flowmeter with equal signal paths

Abstract

У статті запропоновано нову модель чотириканального ультразвукового витратоміра. Вимірювальний пристрій працює, на відміну від класичного, з двома групами ультразвукових променів, при цьому вони мають однакову довжину шляху сигналу. Така конструкція дає змогу зменшити похибку вимірювання, оскільки не потребує урахування різниці довжин акустичних шляхів, як у традиційних схемах, що виникає внаслідок викривлення труби. Для підтвердження роботи витратоміра подано його математичну модель. Результати порівняно з математичною моделлю класичного чотириканального витратоміра, і вони показали вищі показники точності. У класичних схемах похибки, пов’язані з геометрією, накопичуються для кожного променя. У запропонованій конфігурації похибки мають спільну природу й частково компенсуються, тому загальна невизначеність вимірювання зменшується. Оцінено сумарну похибку вимірювання витрати, яка на 10–15 % менша порівняно з класичними витратомірами. Отримані результати також підтверджено моделюванням витратомірів у середовищі SOLIDWORKS Flow Simulation.

The paper proposes a new model of a four-channel ultrasonic flowmeter. The measuring device operates, unlike the classical one, with two groups of ultrasonic beams, and at the same time they have equal signal path lengths. Such a design makes it possible to reduce the measurement error, since it does not require taking into account the difference in the lengths of acoustic paths, as in traditional schemes, which arises as a result of pipe curvature. To confirm the operation of the flowmeter, its mathematical model is presented. The results were compared with the mathematical model of a classical four-channel flowmeter and showed higher accuracy indicators. In classical schemes, errors associated with geometry accumulate for each beam. In the proposed configuration, the errors have a common nature and are partially compensated, and therefore the overall measurement uncertainty is reduced. The total flow measurement error is estimated, which is 10–15% lower compared to classical flowmeters. The obtained results are also confirmed by modeling of flowmeters in the SOLIDWORKS Flow Simulation environment.