Методологія проєктування та дослідження інформаційно-вимірювальних систем витрати газу

Abstract

Об’єктом дослідження є процес проєктування ультразвукових інформаційно-вимірювальних систем для визначення витрати газу та шляхи підвищення точності вимірювання в реальних умовах експлуатації, які можуть характеризуватися турбулентністю потоку, геометричними обмеженнями трубопроводів і забрудненням вимірювальних каналів. Запропоновано ітераційну методологію проєктування, яка поєднує теоретичний аналіз поставленої задачі, CFD-моделювання, розробку конструкції засобу, експериментальні дослідження та методи штучного інтелекту в межах замкненого циклу «модель – алгоритм – апаратна реалізація – експеримент – корекція». Значну роль у процесі проєктування відіграє штучний інтелект. Застосування CFD-моделювання та інтелектуальних методів обробки даних дає змогу оптимізувати конструкцію витратоміра та суттєво скоротити термін проєктування. Методологія додатково насичена локальними зворотними зв’язками, що забезпечує адаптивність і корекцію на кожному етапі проєктування. Використання такої ітераційної моделі проєктування ультразвукових витратомірів можливим за наявності спеціалізованого обладнання та відповідного програмного забезпечення, яке повинно включати: середовище для числового моделювання газових потоків, 3D-принтер, вбудовані комп’ютерні системи для цифрової обробки інформації, стендові пристрої для дослідження роботи засобів вимірювання. Застосування запропонованої методології дало змогу: розробити пристрій стабілізації потоку для багатопроменевого ультразвукового лічильника газу GFA202 DN50, що дозволило поєднати компактність конструкції з високою точністю, властивою лічильникам більших типорозмірів, які відповідають вимогам класу 0,5, хоча сам лічильник належить до класу точності 1; створити нову конструкцію чотириканального витратоміра з однаковими сигнальними шляхами, середнє значення похибки якого не перевищує 0,8 % у широкому діапазоні витрат, тоді як класичний чотириканальний засіб має похибку до 1,3 %; запропонувати метод корекції результатів вимірювання витрати, який базується на використанні калібрувальних даних під час калібрування та повірки ультразвукових витратомірів. Реалізація запропонованих рішень дозволила зменшити вплив гідродинамічних збурень і конструктивних факторів на результат вимірювання та підвищити точність витратоміра. Отримані результати можуть бути використані в промислових газотранспортних системах, зокрема за умов обмежених довжин прямих ділянок трубопроводів та змінних режимів течії.

The object of the study is the design process of ultrasonic information-measuring systems for determining gas flow rate and the ways to improve measurement accuracy under real operating conditions, which may be characterized by flow turbulence, geometric constraints of pipelines, and contamination of measuring channels. An iterative design methodology is proposed, which combines theoretical analysis of the problem, CFD modeling, device design development, experimental research, and artificial intelligence methods within a closed cycle “model – algorithm – hardware implementation – experiment – correction.” Artificial intelligence plays a significant role in the design process. The application of CFD modeling and intelligent data processing methods makes it possible to optimize the flowmeter design and significantly reduce the design time. The methodology is additionally enriched with local feedback loops, ensuring adaptability and correction at each stage of the design process. The use of such an iterative design model for ultrasonic flowmeters is possible with the availability of specialized equipment and software, which should include: an environment for numerical modeling of gas flows, a 3D printer, embedded computer systems for digital data processing, and test benches for studying the operation of measuring instruments. The application of the proposed methodology made it possible to: develop a flow-stabilizing device for the multi-beam ultrasonic gas meter GFA202 DN50, which allowed combining compact design with high accuracy typical of larger-size meters that meet class 0.5 requirements, although the meter itself belongs to accuracy class 1; create a new design of a four-channel flowmeter with equal signal paths, whose average measurement error does not exceed 0.8 % over a wide flow range, as the classical four-channel ultrasonic flowmeter has an error up to 1.3 %; propose a method for correcting gas flow measurement results based on the use of calibration data during calibration and verification of ultrasonic flowmeters. The implementation of the proposed solutions reduced the influence of hydrodynamic disturbances and structural factors on measurement results and improved the accuracy of the flowmeter. The obtained results can be applied in industrial gas transportation systems, particularly under conditions of limited lengths of straight pipeline sections and variable flow modes.