Ένα ροόμετρο υπερήχων αερίου αναφέρεται σε ένα ροόμετρο που είναι εγκατεστημένο σε αγωγό με ρέον αέριο και μετρά τη ροή αερίου μέσω της αρχής των υπερήχων. Ένα ροόμετρο υπερήχων αερίου μονής-διαδρομής αναφέρεται σε μια συσκευή εξοπλισμένη με μία μόνο ακουστική διαδρομή, ενώ ένα ροόμετρο υπερήχων αερίου με δύο ή περισσότερες ακουστικές διαδρομές ονομάζεται ροόμετρο υπερήχων αερίου πολλαπλών-διαδρομών.
Πώς λειτουργεί ένας μετρητής ροής υπερήχων; Η βασική αρχή για τη μέτρηση της ταχύτητας ροής με ένα ροόμετρο υπερήχων αερίου είναι ο υπολογισμός της ταχύτητας ροής, του ρυθμού ροής, της πυκνότητας και άλλων παραμέτρων του αερίου ρευστού μετρώντας το χρόνο διάδοσης των κυμάτων υπερήχων στο αέριο μέσο. Αυτό το κεφάλαιο αναλύει κυρίως την αρχή λειτουργίας της διέλευσης-μέτρησης ροής υπερήχων χρόνου και τους παράγοντες που επηρεάζουν τη μέτρηση της ροής και πραγματοποιεί μελέτες προσομοίωσης σχετικά με τον τρόπο βελτίωσης της ακρίβειας μέτρησης ροής-, ώστε να προετοιμαστούν για τη μελέτη των μεθόδων και μοντελοποίησης μηχανισμών μέτρησης πολυ-πολυδρομικών μεθόδων μέτρησης ροής αερίων υπερήχων{{4}.
Ανάλυση της αρχής λειτουργίας της διέλευσης-Μέτρηση ροής αερίου με υπερήχους
Η μέθοδος μέτρησης-χρόνου υπερηχητικού αερίου-μέθοδος μέτρησης είναι μια μέθοδος μέτρησης ροής αερίου-στην οποία, στο ίδιο μήκος διαδρομής του αερίου, η διαφορά χρόνου διάδοσης- μεταξύ δύο υπερηχητικών σημάτων που ταξιδεύουν κατάντη και ανάντη χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό της μέσης ταχύτητας ροής αερίου κατά μήκος της ακουστικής διαδρομής. Όταν τα υπερηχητικά κύματα διαδίδονται σε ένα ρέον αέριο μέσο, η ταχύτητα διάδοσής τους ποικίλλει ανάλογα με την ταχύτητα ροής του αερίου.
Πιο συγκεκριμένα, η ταχύτητα διάδοσης των κυμάτων υπερήχων αλλάζει προς την ίδια κατεύθυνση με την ταχύτητα ροής του αερίου: όταν αυξάνεται η ταχύτητα ροής του αερίου, η ταχύτητα του κύματος υπερήχων που διαδίδεται στην ίδια κατεύθυνση αυξάνεται επίσης ανάλογα. Αντίθετα, εάν η ταχύτητα ροής του αερίου αυξάνεται ενώ είναι αντίθετη από την κατεύθυνση διάδοσης των υπερήχων, η ταχύτητα υπερήχων θα μειωθεί ανάλογα.
Βασική δομή ενός σωλήνα υπερήχων-Αισθητήρας ροής
Όπως φαίνεται στο Σχήμα. 2.1, δύο μορφοτροπείς υπερήχων ικανοί τόσο να μεταδίδουν όσο και να λαμβάνουν υπερηχητικούς παλμούς (που αναφέρονται ως ανιχνευτές ή μετατροπείς) είναι ενσωματωμένοι στη μία πλευρά ή και στις δύο πλευρές του αγωγού. Η πραγματική διαδρομή του υπερηχητικού σήματος μεταξύ του μετατροπέα εκπομπής και λήψης ονομάζεται ακουστική διαδρομή. Έτσι, ένα ζεύγος μετατροπέων σχηματίζει μια ακουστική διαδρομή. Μεταξύ των μορφοτροπέων και του υγρού μέσου είναι διατεταγμένη μια μεμβράνη-μετάδοσης ήχου ή ένα τμήμα ακουστικού τοιχώματος κυματοδηγού. Σε ένα ροόμετρο υπερήχων μονής-διαδρομής, η γραμμή κυματοδηγού μεταξύ των δύο μορφοτροπέων υπερήχων τέμνει τον άξονα του οργάνου.
Εικ. 2.1 Σχηματικό διάγραμμα της αρχής της διέλευσης-μέτρησης ροής υπερήχων χρόνου
Όπως φαίνεται στο Σχήμα. 2.1, η διάμετρος του σωλήνα είναι D. Η απόσταση ευθείας γραμμής μεταξύ των ακραίων όψεων των μορφοτροπέων Α και Β που είναι ενσωματωμένες και στις δύο πλευρές του αγωγού είναι το ακουστικό-μήκος L (ονομάζεται επίσης ακουστική απόσταση L) και η σχέση της με τη διάμετρο D είναι
Εικ. 2.1 Γεωμετρική σχέση μεταξύ ακουστικής-μήκους διαδρομής και διαμέτρου σωλήνα-χρόνος διέλευσης μετρητής ροής υπερήχων
όπου φ είναι η γωνία κλίσης της ακουστικής διαδρομής, δηλαδή η γωνία μεταξύ της ακουστικής διαδρομής και του άξονα του σωλήνα. Η γωνία κλίσης της ακουστικής διαδρομής είναι επίσης η γωνία πρόσπτωσης του υπερηχητικού κύματος. Η γωνία πρόσπτωσης φ επηρεάζεται από την ταχύτητα του ήχου στο ρευστό, καθώς και από την ταχύτητα του ήχου στη σφήνα και στο υλικό του τοιχώματος του σωλήνα-.
Γενικά, η διακύμανση της ταχύτητας του ήχου με τη θερμοκρασία στα στερεά υλικά είναι μικρότερη από αυτή στα αέρια υλικά. Όταν η διακύμανση της θερμοκρασίας δεν είναι μεγάλη, μπορεί να αγνοηθεί η επίδραση των υλικών του τοιχώματος σφήνας και σωλήνων- στην ακρίβεια της μέτρησης. Ωστόσο, όταν το εύρος διακύμανσης θερμοκρασίας είναι μεγάλο, πρέπει να διορθωθεί η μεγάλη αλλαγή στην ταχύτητα του ήχου στα υλικά του τοίχου σφήνας και σωλήνων{{2}.
Για έναν μορφοτροπέα με γωνία πρόσπτωσης 30 μοιρών, ο συντελεστής μετάδοσης είναι σχετικά υψηλός, η απώλεια ενέργειας είναι μικρή και η απαιτούμενη τάση διέγερσης είναι χαμηλή. Ένας τέτοιος μορφοτροπέας είναι κατάλληλος για φορητούς μετρητές υπερήχων που δεν είναι κατάλληλοι για χρήση τροφοδοτικού AC. Ένας μορφοτροπέας με γωνία πρόσπτωσης 45 μοιρών έχει σχετικά χαμηλό συντελεστή μετάδοσης, αλλά μπορεί να υιοθετήσει μεγαλύτερο τσιπ μορφοτροπέα και υψηλότερη τάση διέγερσης, και επομένως είναι κατάλληλος για σταθερά ροόμετρα υπερήχων ή για αυτά που μπορούν να χρησιμοποιήσουν τροφοδοτικό AC.
Αρχή λειτουργίας της διέλευσης-Μέτρηση ροής αερίου υπερήχων χρόνου
Η τεχνολογία μέτρησης -χρόνου υπερηχητικής ροής αερίου-καθορίζει την αξονική μέση ταχύτητα ροής Vz στο επίπεδο που σχηματίζεται από την ακουστική διαδρομή και τον άξονα, μετρώντας τη διαφορά χρόνου μεταξύ των κυμάτων υπερήχων που διαδίδονται κατάντη και ανάντη στο αέριο μέσο. Οι χρόνοι διέλευσης των κυμάτων υπερήχων διαφέρουν ως προς την κατάντη και την ανάντη κατεύθυνση. Ο χρόνος μετάβασης κατάντη είναι:
Εικ. 2.2 Εξίσωση χρόνου κατάντη διέλευσης υπερήχων-
και ο χρόνος διέλευσης ανάντη είναι
Εικ. 2.3 Ανοδική εξίσωση χρόνου διέλευσης υπερήχων-
όπου C είναι η ταχύτητα ήχου των κυμάτων υπερήχων στο σταθερό μετρούμενο υγρό, δηλαδή η ταχύτητα του ήχου. Vz είναι η μέση ταχύτητα ροής του ρευστού στην αξονική κατεύθυνση στο επίπεδο που σχηματίζεται από την υπερηχητική διαδρομή και τον άξονα του σωλήνα, που ονομάζεται επίσης διαδρομή-μέση ταχύτητα.
Όταν δεν λαμβάνεται υπόψη η επίδραση της διακύμανσης της ταχύτητας του ήχου-που οφείλεται στο εσωτερικό περιβάλλον του σωλήνα, η έκφραση για τη διαδρομή-μέση ταχύτητα είναι
Εικ. 2.4 Έκφραση για διαδρομή-μέση αξονική ταχύτητα
Μετρώντας τον χρόνο μετάβασης κατάντη tD και τον χρόνο μετάβασης ανάντη tU του υπερηχητικού κύματος, η χρονική διαφορά μεταξύ ανάντη και κατάντη διάδοσης προκύπτει ως
Εικ. 2.5 Ορισμός μετακίνησης ανάντη-κάτω ροής-διαφορά ώρας
Χρησιμοποιώντας τη μέθοδο διέλευσης-χρόνου, μπορεί να ληφθεί η διαδρομή-μέση ταχύτητα μιας ακουστικής διαδρομής. Με βάση τις μέσες ταχύτητες διαφορετικών ακουστικών μονοπατιών και χρησιμοποιώντας κατάλληλους αλγόριθμους, μπορεί να υπολογιστεί η μέση ταχύτητα κάθετα σε ολόκληρη την-διατομή, η οποία ονομάζεται όγκος-μέση ταχύτητα V.
Η μέθοδος μέτρησης της μέσης ταχύτητας V του ρευστού (όγκου) του αγωγού με τη μέτρηση της διαφοράς χρόνου διέλευσης- μεταξύ της διάδοσης υπερήχων ανάντη και κατάντη ονομάζεται μέθοδος μέτρησης διέλευσης-χρόνου υπερηχητικής ροής-. Ένα ροόμετρο που μετρά τη ροή του υγρού του αγωγού χρησιμοποιώντας τη μέθοδο transit{4}}time ultrasonic αναφέρεται ως transit-time ultrasonic flowmeter.
Η σχέση μεταξύ της διαδρομής-μέση ταχύτητας στην ακουστική διαδρομή ενός ροόμετρου υπερήχων διέλευσης-χρόνου και της μέσης ταχύτητας όγκου-στο αγωγό είναι
Εικ. 2.6 Ορισμός του συντελεστή διόρθωσης ροής-
όπου K ονομάζεται συντελεστής διόρθωσης ροής-. Ο συντελεστής διόρθωσης ροής-προέρχεται από το μαθηματικό μοντέλο του προφίλ κατανομής ταχύτητας στο τμήμα μέτρησης του ροόμετρου. Σύμφωνα με το καθεστώς ροής αερίου στον αγωγό, μπορεί να ληφθεί ο συντελεστής διόρθωσης ροής-. Έτσι, από τις εξισώσεις (2.4) και (2.6), η μέση ταχύτητα του αερίου στον αγωγό είναι
Εικ. 2.7 Σχέση μεταξύ της μέσης ταχύτητας σωλήνα-και της μέσης ταχύτητας διαδρομής-
Ο ογκομετρικός ρυθμός ροής μπορεί να ληφθεί από την εξίσωση (2.7) ως
Εικ. 2.8 Εξίσωση ρυθμού ογκομετρικής ροής-
όπου Α είναι η-διατομή του σωλήνα.
Μετά την αντιστάθμιση πίεσης και θερμοκρασίας του ογκομετρικού ρυθμού ροής, ο ρυθμός ροής μάζας μπορεί να ληφθεί ως
Εικ. 2.9 Εξίσωση ρυθμού ροής μάζας-με διόρθωση πίεσης-θερμοκρασίας-συμπιεστότητας
όπου Z είναι ο συντελεστής συμπιεστότητας αερίου. Τα P0 και P είναι οι παράμετροι πίεσης σε τυπικές και πραγματικές συνθήκες, αντίστοιχα. T0 και T είναι οι τιμές θερμοκρασίας σε τυπικές και πραγματικές συνθήκες, αντίστοιχα. και ρ0 είναι η πυκνότητα του αερίου μέσου υπό τυπικές συνθήκες.
Μόλις επιτευχθεί η ταχύτητα ροής, μπορεί να υπολογιστεί ο όγκος του ρευστού που διέρχεται από έναν σωλήνα δεδομένης διαμέτρου για μια ορισμένη περίοδο. Ο όγκος ροής F που διέρχεται από τον σωλήνα σε 1 ώρα είναι 79:
Σχ.. 2.10 Ωριαία όγκος ρευστού μέσω του σωλήνα με βάση την αρχή λειτουργίας του μετρητή ροής υπερήχων-μέτρησης χρόνου-χρόνου διέλευσης
Βασική αρχή λειτουργίας της μέτρησης ροής αερίου υπερήχων πολλαπλών διαδρομών
Τα ροόμετρα υπερήχων αερίου μπορούν να χωριστούν σε τύπους μονής-διαδρομής και πολλαπλών-διαδρομών, και οι δύο βασίζονται στην αρχή του χρόνου διέλευσης-για τη μέτρηση της ροής υπερήχων. Προς το παρόν, μεταξύ παρόμοιων προϊόντων στο εξωτερικό, ο αριθμός των ακουστικών μονοπατιών μπορεί να φτάσει έως και έξι. Σε ένα ροόμετρο υπερήχων πολλαπλών-διαδρομών, το ViV_iVi αντιπροσωπεύει τη διαδρομή-μέση ταχύτητα στην iii-η ακουστική διαδρομή. Λαμβάνεται μετρώντας τους χρόνους διέλευσης υπερήχων κατάντη και ανάντη, υπολογίζοντας τη διαφορά χρόνου μεταξύ τους και, στη συνέχεια, υπολογίζοντας τη μέση ταχύτητα της διαδρομής{10}}.
Σύμφωνα με τη σχέση μεταξύ της διαδρομής-μέσες ταχύτητες κάθε ακουστικής διαδρομής και των παραγόντων διόρθωσης της ροής-, η μέση ταχύτητα όγκου-του αερίου στον αγωγό μπορεί να εκτιμηθεί ως
Εικ. 2.11 Πολλαπλή-εξίσωση μέσης ταχύτητας σταθμισμένης διαδρομής-πώς λειτουργεί ο μετρητής ροής υπερήχων
όπου WiW_iWi είναι ο συντελεστής στάθμισης κάθε ακουστικής διαδρομής και η τιμή του εξαρτάται από τον αλγόριθμο ολοκλήρωσης που υιοθετείται.
Εικ. 2.12 Πολλαπλή-εξίσωση ογκομετρικής ροής-ρυθμού πολλαπλών διαδρομών-μετρητής ροής υπερήχων πώς λειτουργεί
Θεωρητικά, όσο περισσότερα ακουστικά μονοπάτια υπάρχουν, τόσο μεγαλύτερη θα πρέπει να είναι η ακρίβεια μέτρησης. Ωστόσο, η πρακτική εμπειρία έχει δείξει ότι όταν ο αριθμός των ακουστικών διαδρομών σε όλη τη διατομή-φθάνει τέσσερις, η περαιτέρω αύξηση του αριθμού των διαδρομών συμβάλλει πολύ λίγο στη βελτίωση της ακρίβειας, ενώ αυξάνει σημαντικά το κόστος κατασκευής.
Ανάλυση παραγόντων που επηρεάζουν τη μέτρηση ροής αερίων υπερήχων
Σύμφωνα με τους τύπους υπολογισμού της ροής-ταχύτητας και ροής-των ροόμετρων υπερήχων αερίου, η ταχύτητα ροής ή ο ρυθμός ροής σχετίζεται με διάφορες πτυχές, όπως οι γεωμετρικές παράμετροι του σωλήνα μέτρησης, ο συντελεστής διόρθωσης ροής-και ο συντελεστής στάθμισης του χρόνου υπερήχων. Η ακόλουθη ανάλυση πραγματοποιείται από αυτές τις πτυχές.
Διόρθωση του συντελεστή ροής-Συντελεστής ταχύτητας και βελτίωση της ακρίβειας μέτρησης
Στο προαναφερθέν-ροόμετρο υπερήχων χρόνου αερίου διέλευσης, η μελέτη βασίζεται στην ιδανική κατάσταση στην οποία η διαδρομή-μέση ταχύτητα κατανέμεται ομοιόμορφα στη διατομή-του σωλήνα. Σε πρακτικές καταστάσεις, λόγω της μη-ομοιόμορφης κατανομής ταχύτητας του ρευστού κατά μήκος της διατομής-του σωλήνα, η ταχύτητα που προκύπτει από τον υπολογισμό είναι στην πραγματικότητα η διαδρομή{6}}μέση ταχύτητα κατά την κατεύθυνση διάδοσης των υπερήχων και την αξονική διεύθυνση, που προκύπτει από τη μετρούμενη διαφορά χρόνου υπερήχων{{7}. Ο τελικός υπολογισμένος ογκομετρικός ρυθμός ροής αναπόφευκτα θα παράγει σφάλματα. Για να διασφαλιστεί η ακρίβεια της μέτρησης, είναι απαραίτητο να προσδιοριστεί η σχέση μεταξύ των δύο και να διορθωθεί η πραγματική μετρούμενη ταχύτητα χρησιμοποιώντας τις αρχές της μηχανικής ρευστών. Δηλαδή, εισάγεται ένας συντελεστής διόρθωσης ροής-Κατά τη μέτρηση με ογκομετρικό ροόμετρο.
Λόγω της πολυπλοκότητας των καταστάσεων ροής ρευστών-σε αγωγούς, οι κατανομές ταχύτητας που προκύπτουν είναι επίσης πολύπλοκες . Η τρέχουσα έρευνα περιορίζεται κυρίως στην κατανομή ταχύτητας σε ιδανικές συνθήκες, δηλαδή στην κατανομή ταχύτητας υπό στρωτή ροή και πλήρως ανεπτυγμένη τυρβώδη ροή σε λείους σωλήνες. Η στρωτή ροή και η τυρβώδης ροή είναι δύο θεμελιώδεις καταστάσεις ροής των ρευστών στους σωλήνες. Η στρωτή ροή αναφέρεται στην κατάσταση στην οποία τα σωματίδια του ρευστού δεν έχουν εγκάρσια κίνηση και λαμβάνεται υπόψη μόνο η αξονική κίνηση. Η τυρβώδης ροή αναφέρεται στην κατάσταση στην οποία τα σωματίδια ρευστού έχουν τόσο αξονική όσο και εγκάρσια κίνηση. Επειδή τα χαρακτηριστικά ροής διαφέρουν σε διαφορετικές καταστάσεις ροής αγωγού, λαμβάνονται διαφορετικές κατανομές ταχύτητας.
Τα χαρακτηριστικά ροής ενός ρευστού επηρεάζονται από κοινού από τη μέση ταχύτητα στο σωλήνα, το κινηματικό ιξώδες και τη διάμετρο του σωλήνα, ενώ ο αριθμός Reynolds ReReRe είναι ένας σημαντικός δείκτης για την αξιολόγηση της κατάστασης ροής. Όταν ο 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, το ρευστό αρχίζει να μεταβαίνει σε τυρβώδη κατάσταση και αυτή η περιοχή μετάβασης γενικά αντιμετωπίζεται επίσης ως τυρβώδης ροή.
FAQ
Τι είναι ο μετρητής ροής αερίου υπερήχων διέλευσης-χρόνου;
Ένας μετρητής ροής αερίου υπερήχων{0}}χρόνου διέλευσης μετρά τη ροή αερίου στέλνοντας παλμούς υπερήχων τόσο κατάντη όσο και ανάντη και υπολογίζοντας την ταχύτητα ροής από τη διαφορά στους χρόνους διέλευσης τους.
Ποια είναι η διαφορά μεταξύ ροόμετρων υπερήχων μονής-διαδρομής και πολλαπλών-διαδρομών;
Ένα ροόμετρο μίας-διαδρομής χρησιμοποιεί ένα ζεύγος μορφοτροπέων και μία ακουστική διαδρομή, ενώ ένα ροόμετρο πολλαπλών-διαδρομών χρησιμοποιεί πολλές ακουστικές διαδρομές σε διαφορετικά ύψη ή γωνίες για την καλύτερη καταγραφή του προφίλ ταχύτητας και τη βελτίωση της ακρίβειας.
Γιατί χρειάζεται ένας συντελεστής διόρθωσης ροής-;
Επειδή η κατανομή της ταχύτητας σε έναν σωλήνα δεν είναι απολύτως ομοιόμορφη, η ταχύτητα που μετράται κατά μήκος μιας μοναδικής ακουστικής διαδρομής δεν είναι ίση με τη μέση ταχύτητα διατομής-. Ένας διορθωτικός παράγοντας συνδέει τα δύο.
Ποιοι παράγοντες επηρεάζουν την ακρίβεια μέτρησης της ροής αερίου υπερήχων;
Βασικοί παράγοντες περιλαμβάνουν την παραμόρφωση του προφίλ ταχύτητας, τις συνθήκες εγκατάστασης, τον αριθμό Reynolds, τη σύνθεση αερίου και την ταχύτητα ήχου, τις αλλαγές θερμοκρασίας και πίεσης και σφάλματα επεξεργασίας σήματος.
