Ultrazvučni mjerač protoka plina odnosi se na mjerač protoka koji se postavlja na cjevovod kroz koji teče plin i mjeri protok plina pomoću ultrazvučnog principa. Ultrazvučni mjerač protoka plina s jednom-stazom odnosi se na uređaj opremljen samo jednim akustičnim putem, dok se ultrazvučni mjerač protoka plina s dvije ili više akustičnih staza naziva više{2}}ultrazvučnim mjeračem protoka plina.
Kako radi ultrazvučni mjerač protoka? Osnovno načelo za mjerenje brzine protoka plinskim ultrazvučnim mjeračem protoka je izračunavanje brzine protoka, protoka, gustoće i drugih parametara plinskog fluida mjerenjem vremena širenja ultrazvučnih valova u plinovitom mediju. Ovo poglavlje uglavnom analizira načelo rada ultrazvučnog mjerenja protoka-vremena prolaza i čimbenike koji utječu na mjerenje protoka, te provodi simulacijske studije o tome kako poboljšati točnost-mjerenja protoka, kako bi se izvršile pripreme za proučavanje više{3}}ultrazvučnih metoda mjerenja-protoka{4}}plina i modeliranja mehanizma.
Analiza principa rada ultrazvučnog mjerenja protoka-vremena plina
Ultrazvučna-metoda mjerenja-vremena protoka plina-je metoda mjerenja-protoka plina u kojoj se, na istoj duljini putanje plina, vremenska razlika -prostiranja između dva ultrazvučna signala koji putuju nizvodno i uzvodno koristi za određivanje prosječne brzine protoka plina duž akustične staze. Kada se ultrazvučni valovi šire u tekućem plinovitom mediju, njihova brzina širenja varira s brzinom protoka plina.
Točnije, brzina širenja ultrazvučnih valova mijenja se u istom smjeru kao i brzina protoka plina: kada se brzina protoka plina povećava, brzina ultrazvučnog vala koji se širi u istom smjeru također se u skladu s tim povećava; obrnuto, ako se brzina protoka plina povećava dok je suprotna od smjera širenja ultrazvuka, brzina ultrazvuka će se smanjiti u skladu s tim.
Osnovna struktura ultrazvučnog cijevnog-senzora protoka
Kao što je prikazano na slici . 2.1, dvije ultrazvučne sonde koje mogu i odašiljati i primati ultrazvučne impulse (nazivaju se sonde ili sonde) ugrađene su s jedne ili s obje strane cjevovoda. Stvarni put ultrazvučnog signala između pretvornika za odašiljanje i prijem naziva se akustički put; tako, par pretvarača tvori jedan akustični put. Membrana-za prijenos zvuka ili dio stjenke akustičnog valovoda postavljen je između pretvarača i fluidnog medija. U ultrazvučnom-mjeru protoka s jednom stazom, linija valovoda između dva ultrazvučna sonde siječe os instrumenta.
Slika. 2.1 Shematski dijagram principa ultrazvučnog mjerenja protoka-vremena
Kao što je prikazano na slici. 2.1, promjer cijevi je D. Ravna-udaljenost između krajeva sondi A i B ugrađenih na obje strane cjevovoda je akustična-duljina puta L (također se naziva akustična udaljenost L), a njen odnos s promjerom D je
Slika. 2.1 Geometrijski odnos između akustične-duljine puta i promjera cijevi-tranzitno vrijeme ultrazvučni mjerač protoka
gdje je φ kut nagiba akustične staze, odnosno kut između akustične staze i osi cijevi. Kut nagiba akustične staze također je upadni kut ultrazvučnog vala. Upadni kut φ ovisi o brzini zvuka u fluidu, kao i o brzini zvuka u klinu i u materijalu stijenke cijevi-.
Općenito, varijacija brzine zvuka s temperaturom u krutim materijalima je manja od one u plinovitim materijalima. Kada varijacija temperature nije velika, može se zanemariti utjecaj klina i materijala stijenke cijevi na točnost mjerenja; međutim, kada je raspon temperaturnih varijacija velik, mora se ispraviti velika promjena brzine zvuka u klinu i materijalima stijenke cijevi-.
Za pretvarač s upadnim kutom od 30 stupnjeva, koeficijent prijenosa je relativno visok, gubitak energije je mali, a potrebni pobudni napon je nizak. Takav pretvarač je prikladan za ručne ultrazvučne mjerače protoka koji nisu prikladni za korištenje AC napajanja. Pretvornik s upadnim kutom od 45 stupnjeva ima relativno nizak koeficijent prijenosa, ali može usvojiti veći čip pretvornika i viši pobudni napon, te je stoga prikladan za fiksne ultrazvučne mjerače protoka ili one koji mogu koristiti AC napajanje.
Radni princip ultrazvučnog mjerenja protoka-vremena plina
Tehnologija mjerenja-vremena ultrazvučnog protoka plina-određuje aksijalnu prosječnu brzinu protoka Vz na ravnini koju čine akustični put i os, mjerenjem vremenske razlike između ultrazvučnih valova koji se šire nizvodno i uzvodno u plinovitom mediju. Tranzitna vremena ultrazvučnih valova razlikuju se u nizvodnom i uzvodnom smjeru. Tranzitno vrijeme nizvodno je:
Slika. 2.2 Nizvodna ultrazvučna tranzitna-jednadžba vremena
a uzvodno tranzitno vrijeme je
Slika. 2.3 Uzvodna ultrazvučna tranzitna-jednadžba vremena
gdje je C brzina zvuka ultrazvučnih valova u stacionarnom mjerenom fluidu, odnosno brzina zvuka; Vz je prosječna brzina protoka fluida u aksijalnom smjeru na ravnini koju čine ultrazvučni put i os cijevi, koja se također naziva i staza-prosječne brzine.
Kada se ne uzme u obzir utjecaj promjene-brzine zvuka zbog unutarnjeg okruženja cijevi, izraz za-prosječnu brzinu na putu je
Slika. 2.4 Izraz za-prosječnu aksijalnu brzinu
Mjerenjem nizvodnog vremena prolaza tD i uzvodnog vremena prolaza tU ultrazvučnog vala, vremenska razlika između uzvodnog i nizvodnog širenja dobiva se kao
Slika. 2.5 Definicija uzvodno-nizvodne tranzitne-vremenske razlike
Upotrebom metode tranzitnog-vremena može se dobiti-prosječna brzina jednog akustičnog puta. Na temelju prosječnih brzina različitih akustičkih putanja i pomoću odgovarajućih algoritama može se izračunati prosječna brzina okomita na cijeli poprečni-presjek, koja se naziva volumen-srednja brzina V.
Metoda mjerenja prosječne brzine fluida (volumena) cjevovoda V mjerenjem razlike vremena-tranzita između širenja ultrazvučnog zvuka uzvodno i nizvodno naziva se metoda mjerenja-vremena ultrazvučnog protoka-tranzita. Mjerač protoka koji mjeri protok tekućine u cjevovodu pomoću ultrazvučne metode-vrijeme tranzita naziva se ultrazvučni mjerač protoka-vremena prolaza.
Odnos između put-prosječne brzine na akustičnom putu tranzitnog-vremenskog ultrazvučnog mjerača protoka i volumenske-prosječne brzine u cjevovodu je
Slika. 2.6 Definicija faktora korekcije-brzine protoka
gdje se K naziva faktor korekcije-brzine protoka. Faktor korekcije-brzine protoka izveden je iz matematičkog modela profila raspodjele brzine u mjernom dijelu mjerača protoka. Prema režimu strujanja plina u cjevovodu može se dobiti faktor korekcije-brzine protoka. Dakle, iz jednadžbi (2.4) i (2.6) prosječna brzina plina u cjevovodu je
Slika. 2.7 Odnos između prosječne brzine cijevi-i puta-prosječne brzine
Volumetrijski protok može se dobiti iz jednadžbe (2.7) kao
Slika. 2.8 Volumetrijska jednadžba-brzine protoka
gdje je A površina poprečnog-presjeka cijevi.
Nakon kompenzacije tlaka i temperature volumetrijskog protoka, maseni protok može se dobiti kao
Slika. 2.9 Jednadžba masenog protoka-s korekcijom tlak-temperatura-stlačivost
gdje je Z faktor stlačivosti plina; P0 i P su parametri tlaka pri standardnim uvjetima, odnosno stvarnim uvjetima; T0 i T su vrijednosti temperature pri standardnim uvjetima, odnosno stvarnim uvjetima; a ρ0 je gustoća plinovitog medija u standardnim uvjetima.
Nakon što se dobije brzina protoka, može se izračunati volumen tekućine koja prolazi kroz cijev određenog promjera tijekom određenog razdoblja. Volumen protoka F koji prolazi kroz cijev u 1 h je 79:
Slika. 2.10 Volumen tekućine kroz cijev po satu na temelju-mjerenja vremena-načelo rada ultrazvučnog mjerača protoka vremena prolaska
Osnovni radni princip više{0}}ultrazvučnog mjerenja protoka plina
Ultrazvučni mjerači protoka plina mogu se podijeliti na jedno-putne i više-putne tipove, a oba se temelje na principu-tranzitnog vremena za ultrazvučno mjerenje protoka. Trenutno, među sličnim proizvodima u inozemstvu, broj akustičnih staza može biti čak šest. U više-ultrazvučnom mjeraču protoka, ViV_iVi predstavlja put-prosječne brzine na iii-om akustičnom putu. Dobiva se mjerenjem nizvodno i uzvodno ultrazvučnih tranzitnih vremena, izračunavanjem vremenske razlike između njih, a zatim izračunavanjem prosječne brzine puta-.
Prema odnosu između-prosječnih brzina svakog akustičnog puta i faktora korekcije-brzine protoka, volumen-prosječne brzine plina u cjevovodu može se procijeniti kao
Slika. 2.11 Multi{1}}jednadžba ponderirane prosječne brzine-kako radi ultrazvučni mjerač protoka
gdje je WiW_iWi težinski koeficijent svake akustične staze, a njegova vrijednost ovisi o usvojenom integracijskom algoritmu.
Slika. 2.12 Multi-volumetrijski protok-jednadžba brzine-ultrazvučni mjerač protoka kako radi
U teoriji, što je više akustičnih staza, to bi trebala biti veća točnost mjerenja. Međutim, praktično iskustvo pokazalo je da kada broj akustičnih staza po-presjeku dosegne četiri, daljnje povećanje broja staza vrlo malo doprinosi poboljšanju točnosti, dok značajno povećava troškove proizvodnje.
Analiza čimbenika koji utječu na ultrazvučno mjerenje protoka plina
Prema formulama za proračun -brzine i protoka-protoka ultrazvučnih mjerača protoka plina, brzina protoka ili brzina protoka povezana je s nekoliko aspekata, kao što su geometrijski parametri mjerne cijevi, faktor korekcije-brzine protoka (ili težinski koeficijent) i izmjerene vrijednosti vremena širenja ultrazvuka. Sljedeća analiza provodi se s ovih aspekata.
Korekcija faktora-brzine protoka i poboljšanje točnosti mjerenja
U gore spomenutom ultrazvučnom mjeraču protoka-plina s tranzitnim vremenom, studija se temelji na idealnom stanju u kojem je-prosječna brzina staze ravnomjerno raspoređena po-presjeku cijevi. U praktičnim situacijama, zbog ne-jednolike raspodjele brzine fluida po poprečnom-presjeku cijevi, brzina dobivena izračunom zapravo je put-prosječne brzine duž smjera širenja ultrazvuka i aksijalnog smjera, dobivena iz izmjerene vremenske razlike-tranzita ultrazvuka. Konačni izračunati volumenski protok neizbježno će proizvesti pogreške. Kako bi se osigurala točnost mjerenja, potrebno je utvrditi odnos između to dvoje i ispraviti stvarnu izmjerenu brzinu pomoću principa-mehanike fluida; odnosno faktor korekcije protoka K-uvodi se pri mjerenju volumetrijskim mjeračem protoka.
Zbog složenosti stanja protoka fluida-u cjevovodima, rezultirajuće raspodjele brzina također su složene. Trenutna istraživanja uglavnom su ograničena na raspodjelu brzine u idealnim uvjetima, odnosno na raspodjelu brzine pri laminarnom strujanju i potpuno razvijenom turbulentnom strujanju u glatkim cijevima. Laminarno strujanje i turbulentno strujanje dva su osnovna stanja strujanja fluida u cijevima. Laminarno strujanje odnosi se na stanje u kojem čestice tekućine nemaju transverzalno gibanje i razmatra se samo aksijalno gibanje; Turbulentno strujanje odnosi se na stanje u kojem se čestice tekućine gibaju i aksijalno i poprečno. Budući da se karakteristike protoka razlikuju u različitim stanjima protoka u cjevovodu, dobivaju se različite raspodjele brzina.
Na karakteristike protoka fluida zajedno utječu prosječna brzina u cijevi, kinematička viskoznost i promjer cijevi, dok je Reynoldsov broj ReReRe važan pokazatelj za procjenu stanja protoka. Kada je Re<2300Re < 2300Re<2300, the flow is laminar; when Re>4000Re > 4000Re>4000, the flow is turbulent. Re=2300Re = 2300Re=2300 is usually taken as the critical value for the transition from laminar to turbulent flow. When Re>2300Re > 2300Re>2300, tekućina počinje prelaziti u turbulentno stanje, a ovo prijelazno područje općenito se također tretira kao turbulentno strujanje.
FAQ
Što je ultrazvučni mjerač protoka-plina za prolazno vrijeme?
Ultrazvučni mjerač protoka-plina mjeri protok plina slanjem ultrazvučnih impulsa nizvodno i uzvodno i izračunavanjem brzine protoka iz razlike u njihovim vremenima prolaza.
Koja je razlika između jedno-putnih i više-ultrazvučnih mjerača protoka?
Mjerač protoka s jednom-stazom koristi jedan par sondi i jednu akustičnu stazu, dok mjerač protoka s više-staza koristi nekoliko akustičnih staza na različitim visinama ili kutovima za bolje hvatanje profila brzine i poboljšanje točnosti.
Zašto je potreban faktor korekcije-brzine protoka?
Budući da raspodjela brzine u cijevi nije savršeno ujednačena, brzina izmjerena duž jednog akustičnog puta nije jednaka prosječnoj brzini-presjeka. Korektivni faktor povezuje to dvoje.
Koji čimbenici utječu na točnost ultrazvučnog mjerenja protoka plina?
Ključni čimbenici uključuju izobličenje profila brzine, uvjete instalacije, Reynoldsov broj, sastav plina i brzinu zvuka, promjene temperature i tlaka te pogreške u obradi signala.
