Kaasun ultraäänivirtausmittarilla tarkoitetaan virtausmittaria, joka asennetaan putkilinjaan, jossa virtaa kaasua ja joka mittaa kaasun virtausta ultraääniperiaatteella. Yksi-reittikaasun ultraäänivirtausmittari viittaa laitteeseen, jossa on vain yksi akustinen reitti, kun taas kaasun ultraäänivirtausmittaria, jossa on kaksi tai useampia akustisia reittejä, kutsutaan monireittikaasun ultraäänivirtausmittariksi.
Miten ultraäänivirtausmittari toimii? Kaasun ultraäänivirtausmittarilla virtausnopeuden mittaamisen perusperiaate on laskea kaasunesteen virtausnopeus, virtausnopeus, tiheys ja muut parametrit mittaamalla ultraääniaaltojen etenemisaika kaasumaisessa väliaineessa. Tässä luvussa analysoidaan pääasiassa transit-ultraäänivirtausmittauksen toimintaperiaatetta ja virtausmittaukseen vaikuttavia tekijöitä sekä tehdään simulaatiotutkimuksia virtaus-mittaustarkkuuden parantamiseksi, jotta voidaan valmistautua monireittisten kaasun ultraäänivirtausmittausmenetelmien ja -mekanismien mallintamisen tutkimiseen.
Transit{0}}Ajan ultraäänikaasuvirran mittauksen toimintaperiaatteen analyysi
Transit{0}}ultraäänikaasuvirran-mittausmenetelmä on kaasuvirtauksen-mittausmenetelmä, jossa kaasun samalla reitin pituudella kahden myötä- ja ylävirtaan kulkevan ultraäänisignaalin etenemisaikaeroa- käytetään määrittämään keskimääräinen kaasun virtausnopeus akustisella reitillä. Kun ultraääniaallot etenevät virtaavassa kaasumaisessa väliaineessa, niiden etenemisnopeus vaihtelee kaasun virtausnopeuden mukaan.
Tarkemmin sanottuna ultraääniaaltojen etenemisnopeus muuttuu samaan suuntaan kuin kaasun virtausnopeus: kun kaasun virtausnopeus kasvaa, myös samaan suuntaan etenevän ultraääniaallon nopeus kasvaa vastaavasti; päinvastoin, jos kaasun virtausnopeus kasvaa samalla kun se on vastakkainen ultraäänen etenemissuuntaan nähden, ultraääninopeus pienenee vastaavasti.
Ultraääniputki{0}}virtausanturin perusrakenne
Kuten kuvasta . 2.1 näkyy, kaksi ultraäänianturia, jotka pystyvät sekä lähettämään että vastaanottamaan ultraäänipulsseja (kutsutaan antureiksi tai antureiksi), on upotettu putkilinjan toiselle puolelle tai molemmille puolille. Ultraäänisignaalin todellista polkua lähettävän ja vastaanottavan muuntimen välillä kutsutaan akustiseksi poluksi; näin ollen anturipari muodostaa yhden akustisen reitin. Ääntä-läpäisevä kalvo tai akustisen aaltoputken seinämän osa on järjestetty muuntimien ja nestemäisen väliaineen väliin. Yksipoluisessa ultraäänivirtausmittarissa kahden ultraäänimuuntimen välinen aaltoputkiviiva leikkaa instrumentin akselin.
Kuva. 2.1 Kaaviokaavio kulkuajan-ultraäänivirtauksen mittauksen periaatteesta
Kuten kuvasta. 2.1 näkyy, putken halkaisija on D. Liukulinjan molemmille puolille upotettujen muuntimien A ja B päätypintojen välinen suora-viiva on akustinen-polun pituus L (kutsutaan myös akustiseksi etäisyydeksi L), ja sen suhde halkaisijaan D on
Kuva. 2.1 Geometrinen suhde akustisen-polun pituuden ja putken halkaisijan-siirtoajan välillä ultraäänivirtausmittari
missä φ on akustisen reitin kaltevuuskulma eli akustisen reitin ja putken akselin välinen kulma. Akustisen reitin kaltevuuskulma on myös ultraääniaallon tulokulma. Tulokulmaan φ vaikuttavat äänen nopeus nesteessä sekä äänen nopeus kiilassa ja putken seinämän materiaalissa.
Yleensä äänennopeuden vaihtelu lämpötilan mukaan kiinteissä aineissa on pienempi kuin kaasumaisissa materiaaleissa. Kun lämpötilan vaihtelu ei ole suuri, kiilan ja putki{1}}seinämateriaalien vaikutus mittaustarkkuuteen voidaan jättää huomiotta. kuitenkin, kun lämpötilan vaihtelualue on suuri, kiilan ja putken{2}}seinien materiaalien suuri äänennopeuden muutos on korjattava.
Muuntimelle, jonka tulokulma on 30 astetta, lähetyskerroin on suhteellisen korkea, energiahäviö on pieni ja vaadittu viritysjännite on pieni. Tällainen anturi sopii kädessä pidettäviin ultraäänivirtausmittareihin, jotka eivät ole käteviä vaihtovirtalähteen käyttämiseen. Anturilla, jonka tulokulma on 45 astetta, on suhteellisen alhainen lähetyskerroin, mutta se voi ottaa käyttöön suuremman anturisirun ja korkeamman viritysjännitteen, joten se sopii kiinteisiin ultraäänivirtausmittareihin tai sellaisiin, jotka voivat käyttää vaihtovirtalähdettä.
Kuljetuksen toimintaperiaate-Ajan ultraäänikaasuvirtauksen mittaus
Transit-time ultraäänikaasuvirtauksen-mittaustekniikka määrittää aksiaalisen keskimääräisen virtausnopeuden Vz akustisen reitin ja akselin muodostamalla tasolla mittaamalla aikaeron ultraääniaaltojen välillä, jotka etenevät kaasumaisessa väliaineessa myötä- ja vastavirtaan. Ultraääniaaltojen kulkuajat vaihtelevat alavirran ja ylävirran suunnassa. Loppupään siirtoaika on:
Kuva. 2.2 Alavirran ultraäänisiirto-aikayhtälö
ja ylävirran siirtoaika on
Kuva. 2.3 Upstream ultraäänisiirto-aikayhtälö
missä C on ultraääniaaltojen äänennopeus paikallaan mitatussa nesteessä, eli äänen nopeus; Vz on nesteen keskimääräinen virtausnopeus aksiaalisuunnassa ultraääniradan ja putken akselin muodostamalla tasolla, jota kutsutaan myös polun-keskimääräiseksi nopeudeksi.
Kun äänen-nopeuden vaihtelun vaikutusta putken sisäisestä ympäristöstä ei oteta huomioon, polun-keskimääräisen nopeuden lauseke on
Kuva. 2.4 Polun-keskimääräisen aksiaalinopeuden lauseke
Mittaamalla ultraääniaallon myötävirran siirtoaika tD ja ylävirran siirtoaika tU, saadaan aikaero ylävirran ja alavirran etenemisen välillä:
Kuva. 2.5 Ylävirran ja alavirran välisen liikenteen-aikaeron määritelmä
Transit{0}}time-menetelmää käyttämällä voidaan saada yhden akustisen reitin polun-keskimääräinen nopeus. Eri akustisten reittien keskinopeuksien perusteella ja sopivia algoritmeja käyttäen voidaan laskea koko poikkileikkaukseen nähden kohtisuorassa -keskimääräinen nopeus, jota kutsutaan tilavuuden-keskimääräiseksi nopeudeksi V.
Menetelmää, jolla mitataan putkilinjan nesteen (tilavuuden) keskimääräinen nopeus V mittaamalla siirto{0}}aikaero ylävirran ja alavirran ultraäänen etenemisen välillä, kutsutaan transit-ultraäänivirtauksen{2}}mittausmenetelmäksi. Virtausmittaria, joka mittaa putkilinjan nestevirtausta siirto-ultraäänimenetelmällä, kutsutaan siirtoajan-ultraäänivirtausmittariksi.
Siirtoajan-ultraäänivirtausmittarin akustisella reitillä olevan polun-keskimääräisen nopeuden ja putkilinjan tilavuuden-keskimääräisen nopeuden välinen suhde on
Kuva. 2.6 Virtausnopeuden-korjauskertoimen määritelmä
jossa K:tä kutsutaan virtausnopeuden{0}}korjauskertoimeksi. Virtaus-nopeuden korjauskerroin johdetaan virtausmittarin mittausosan nopeusjakaumaprofiilin matemaattisesta mallista. Putkilinjan kaasuvirtaustilan mukaan voidaan saada virtausnopeuden-korjauskerroin. Siten yhtälöistä (2.4) ja (2.6) keskimääräinen kaasun nopeus putkilinjassa on
Kuva. 2.7 Putken-keskinopeuden ja polun-keskimääräisen nopeuden välinen suhde
Tilavuusvirtaus saadaan yhtälöstä (2.7) as
Kuva. 2.8 Volumetrinen virtaus-nopeusyhtälö
missä A on putken{0}}poikkileikkauspinta-ala.
Tilavuusvirtauksen paineen ja lämpötilan kompensoinnin jälkeen massavirta voidaan saada muodossa
Kuva. 2.9 Massavirtaus--yhtälö paine-lämpötila-puristuvuuden korjauksella
jossa Z on kaasun kokoonpuristuvuustekijä; P0 ja P ovat paineparametrit vakio- ja todellisissa olosuhteissa; T0 ja T ovat lämpötila-arvot vakioolosuhteissa ja todellisissa olosuhteissa; ja ρ0 on kaasumaisen väliaineen tiheys standardiolosuhteissa.
Kun virtausnopeus on saatu, voidaan laskea tietyn halkaisijan omaavan putken läpi tietyn ajanjakson aikana kulkevan nesteen tilavuus. Putken läpi 1 tunnissa kulkeva virtaustilavuus F on 79:
Kuva. 2.10 Nesteen tuntimäärä putken läpi perustuu siirto-ajan mittaukseen-siirtoajan ultraäänivirtausmittarin toimintaperiaatteeseen
Monireitti{0}}ultraäänikaasuvirtauksen mittauksen perustoimintaperiaate
Kaasun ultraäänivirtausmittarit voidaan jakaa yksi--reitti- ja monireittityypeihin-, jotka molemmat perustuvat ultraäänivirtauksen mittauksen siirto-aikaperiaatteeseen. Tällä hetkellä ulkomailla vastaavien tuotteiden joukossa akustisia polkuja voi olla jopa kuusi. Monipoluisessa ultraäänivirtausmittarissa ViV_iVi edustaa polun-keskimääräistä nopeutta iii-:nnella akustisella reitillä. Se saadaan mittaamalla alavirran ja ylävirran ultraäänisiirtoajat, laskemalla niiden välinen aikaero ja laskemalla sitten polun{10}}keskimääräinen nopeus.
Kunkin akustisen reitin polun-keskimääräisten nopeuksien ja virtausnopeuden-korjauskertoimien välisen suhteen mukaan tilavuuden-keskimääräinen kaasun nopeus putkilinjassa voidaan arvioida
Kuva. 2.11 Monen polun painotettu keskinopeusyhtälö-miten ultraäänivirtausmittari toimii
missä WiW_iWi on kunkin akustisen polun painotuskerroin ja sen arvo riippuu käytetystä integrointialgoritmista.
Kuva. 2.12 Monireittiinen tilavuusvirtaus-nopeusyhtälö-ultraäänivirtausmittari, miten se toimii
Teoriassa mitä enemmän akustisia polkuja on, sitä korkeampi mittaustarkkuuden tulisi olla. Käytännön kokemus on kuitenkin osoittanut, että kun akustisten polkujen määrä poikkileikkauksen-poikki saavuttaa neljä, polkujen määrän lisääminen lisää vain vähän tarkkuutta ja lisää merkittävästi valmistuskustannuksia.
Ultraäänikaasuvirtauksen mittaamiseen vaikuttavien tekijöiden analyysi
Kaasun ultraäänivirtausmittareiden virtaus-nopeuden-nopeuden ja virtausnopeuden laskentakaavojen mukaan virtausnopeus tai virtausnopeus liittyy useisiin seikkoihin, kuten mittausputken geometrisiin parametreihin, virtausnopeuden-korjauskerroin (tai painotuskerroin) ja ultraäänen etenemisajan mitatut arvot. Seuraava analyysi tehdään näistä näkökohdista.
Virtaus{0}}nopeustekijän korjaus ja mittaustarkkuuden parantaminen
Edellä mainitussa kuljetusaika{0}}ultraäänikaasuvirtausmittarissa tutkimus perustuu ihanteelliseen tilaan, jossa reitin-keskimääräinen nopeus on jakautunut tasaisesti putken poikki-leikkaukselle. Käytännössä nesteen epätasaisen nopeusjakauman vuoksi putken poikkileikkauksen-poikki laskennalla saatu nopeus on itse asiassa polun-keskimääräinen nopeus ultraäänen etenemissuunnassa ja aksiaalisuunnassa, joka saadaan mitatusta ultraäänen kulkuaikaerosta. Lopullinen laskettu tilavuusvirtaus aiheuttaa väistämättä virheitä. Mittaustarkkuuden varmistamiseksi on tarpeen määrittää näiden kahden välinen suhde ja korjata todellinen mitattu nopeus nestemekaniikan periaatteiden avulla. eli virtausnopeuden korjauskerroin K otetaan käyttöön, kun mitataan tilavuusvirtausmittarilla.
Putkien nesteen{0}}virtaustilojen monimutkaisuuden vuoksi tuloksena olevat nopeusjakaumat ovat myös monimutkaisia. Nykyinen tutkimus rajoittuu pääasiassa nopeusjakaumaan ihanteellisissa olosuhteissa, eli nopeusjakaumaan laminaarivirtauksessa ja täysin kehittyneessä turbulentissa virtauksessa sileissä putkissa. Laminaarivirtaus ja turbulenttinen virtaus ovat kaksi putkissa olevien nesteiden perusvirtaustilaa. Laminaarivirtaus viittaa tilaan, jossa nestehiukkasilla ei ole poikittaisliikettä ja vain aksiaalinen liike otetaan huomioon; turbulenttisella virtauksella tarkoitetaan tilaa, jossa nestehiukkasilla on sekä aksiaalista että poikittaista liikettä. Koska virtausominaisuudet vaihtelevat eri putkilinjan virtaustiloissa, saadaan erilaiset nopeusjakaumat.
Nesteen virtausominaisuuksiin vaikuttavat yhdessä keskimääräinen nopeus putkessa, kinemaattinen viskositeetti ja putken halkaisija, kun taas Reynoldsin luku ReReRe on tärkeä indeksi virtaustilan arvioinnissa. Kun 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, neste alkaa siirtyä turbulenttiseen tilaan, ja tätä siirtymäaluetta käsitellään yleensä myös turbulenttina virtauksena.
FAQ
Mikä on kuljetusaika{0}}ultraäänikaasuvirtausmittari?
Transit{0}}ultraäänikaasuvirtausmittari mittaa kaasun virtausta lähettämällä ultraäänipulsseja sekä alavirtaan että ylävirtaan ja laskemalla virtausnopeuden niiden kulkuaikojen erosta.
Mitä eroa on yksipoluisilla-ultraäänivirtausmittareilla-monireitillä?
Yksi-reittivirtausmittari käyttää yhtä paria antureita ja yhtä akustista polkua, kun taas monireittivirtausmittari käyttää useita akustisia reittejä eri korkeuksilla tai kulmissa nopeusprofiilin kuvaamiseksi ja tarkkuuden parantamiseksi.
Miksi virtausnopeuden{0}}korjauskerroin tarvitaan?
Koska nopeusjakauma putkessa ei ole täysin tasainen, yhtä akustista reittiä pitkin mitattu nopeus ei ole yhtä suuri kuin poikkileikkauksen keskimääräinen{0}nopeus. Korjauskerroin yhdistää nämä kaksi.
Mitkä tekijät vaikuttavat ultraäänikaasuvirtauksen mittaustarkkuuteen?
Keskeisiä tekijöitä ovat nopeusprofiilin vääristymät, asennusolosuhteet, Reynoldsin luku, kaasun koostumus ja äänen nopeus, lämpötilan ja paineen muutokset sekä signaalinkäsittelyvirheet.
