A gáz-ultrahangos áramlásmérő olyan áramlásmérőt jelent, amelyet gázáramú csővezetékre szerelnek fel, és az ultrahangos elv alapján mérik a gázáramlást. Az egy-útvonalú gáz-ultrahangos áramlásmérő olyan eszközre vonatkozik, amely csak egy akusztikus pályával rendelkezik, míg a két vagy több akusztikus útvonallal rendelkező gáz-ultrahangos áramlásmérőt több-útvonalas gáz-ultrahangos áramlásmérőnek nevezzük.
Hogyan működik az ultrahangos áramlásmérő?Az áramlási sebesség gáz-ultrahangos áramlásmérővel történő mérésének alapelve a gázfolyadék áramlási sebességének, áramlási sebességének, sűrűségének és egyéb paramétereinek kiszámítása az ultrahanghullámok terjedési idejének mérésével a gáznemű közegben. Ez a fejezet elsősorban a tranzit{1}}ultrahangos áramlásmérés működési elvét és az áramlásmérést befolyásoló tényezőket elemzi, valamint szimulációs vizsgálatokat végez az áramlási-mérés pontosságának javítására, hogy előkészítsék a több-útvonalú gáz-ultrahangos áramlás{4}}mérési módszerek és mechanizmusmodellezés tanulmányozását.
A tranzit{0}}idő ultrahangos gázáramlásmérés működési elvének elemzése
A tranzit-idő ultrahangos gázáramlás-mérési módszere egy olyan gázáramlás-mérési módszer, amelyben a gáz azonos úthosszán, az áramlás irányában és felfelé haladó két ultrahangjel közötti terjedési-időkülönbség alapján határozzák meg az átlagos gázáramlási sebességet az akusztikus út mentén. Amikor az ultrahanghullámok áramló gáznemű közegben terjednek, terjedési sebességük a gáz áramlási sebességével változik.
Pontosabban, az ultrahanghullámok terjedési sebessége ugyanabban az irányban változik, mint a gázáramlás sebessége: a gázáramlási sebesség növekedésével az ugyanabban az irányban terjedő ultrahanghullám sebessége is ennek megfelelően nő; fordítva, ha a gáz áramlási sebessége nő, miközben ellentétes az ultrahang terjedési irányával, az ultrahang sebessége ennek megfelelően csökken.
Az ultrahangos cső{0}}áramlásérzékelő alapvető felépítése
Amint az a . 2.1 ábrán látható, két ultrahangos jelátalakító, amelyek ultrahangimpulzusok adására és fogadására is képesek (ezeket szondáknak vagy jelátalakítóknak nevezzük), a csővezeték egyik vagy mindkét oldalára van beágyazva. Az ultrahangjel tényleges útját az adó és a vevő jelátalakító között akusztikus útnak nevezzük; így egy pár jelátalakító egy akusztikus utat alkot. A jelátalakítók és a folyékony közeg között egy hangáteresztő membrán vagy az akusztikus hullámvezető fal egy része van elrendezve. Egy-utas ultrahangos áramlásmérőben a két ultrahangos átalakító közötti hullámvezető vonal metszi a műszer tengelyét.
ábra
Amint az a. 2.1 ábrán látható, a cső átmérője D. A csővezeték mindkét oldalára beágyazott A és B jelátalakítók végfelületei közötti egyenes-vonal távolság az L akusztikus-úthossz (L akusztikus távolságnak is nevezik), és ennek kapcsolata a D átmérővel:
ábra
ahol φ az akusztikus út dőlésszöge, azaz az akusztikus út és a cső tengelye közötti szög. Az akusztikus út dőlésszöge egyben az ultrahanghullám beesési szöge is. A φ beesési szöget befolyásolja a folyadékban lévő hangsebesség, valamint az ékben és a cső{4}}fal anyagában lévő hangsebesség.
Általában a hangsebesség változása a hőmérséklet függvényében szilárd anyagokban kisebb, mint a gáznemű anyagokban. Ha a hőmérséklet-ingadozás nem nagy, az ék és a cső{1}}fal anyagának a mérési pontosságra gyakorolt hatása figyelmen kívül hagyható; Ha azonban a hőmérséklet-ingadozás nagy, akkor az ék és a cső{2}}fal anyagában bekövetkező nagy hangsebesség-változást korrigálni kell.
Egy 30 fokos beesési szögű jelátalakító esetében az átviteli együttható viszonylag magas, az energiaveszteség kicsi, és a szükséges gerjesztési feszültség alacsony. Az ilyen jelátalakító alkalmas olyan kézi ultrahangos áramlásmérőkhöz, amelyek nem alkalmasak váltóáramú tápegység használatára. A 45 fokos beesési szögű jelátalakító viszonylag alacsony átviteli együtthatóval rendelkezik, de nagyobb jelátalakító chipet és magasabb gerjesztési feszültséget is képes fogadni, ezért alkalmas rögzített ultrahangos áramlásmérőkhöz vagy olyanokhoz, amelyek váltóáramú tápegységet használnak.
A tranzit működési elve{0}}Idő ultrahangos gázáramlásmérés
A tranzit-idő ultrahangos gázáramlás-mérési technológia a Vz tengelyirányú átlagos áramlási sebességet az akusztikus út és a tengely által alkotott síkon határozza meg a gáznemű közegben lefelé és felfelé terjedő ultrahanghullámok közötti időkülönbség mérésével. Az ultrahanghullámok áthaladási ideje eltér a folyásirányban és a felfelé irányuló irányban. A továbbhaladási idő a következő:
Ábra. 2.2 Az ultrahangos szállítási idő-folyamatának egyenlete
és az upstream tranzitidő az
Ábra. 2.3 Upstream ultrahangos szállítási-időegyenlet
ahol C az ultrahanghullámok hangsebessége az álló helyzetben mért folyadékban, azaz a hangsebesség; Vz a folyadék átlagos áramlási sebessége axiális irányban az ultrahang útja és a csőtengely által alkotott síkon, amelyet út-átlagsebességnek is neveznek.
Ha nem vesszük figyelembe a hang{0}}sebesség-változásának a belső csőkörnyezetből adódó hatását, az útvonal-átlagos sebességének kifejezése
ábra. 2.4 Az útvonal-átlagos tengelysebessége kifejezése
Az ultrahanghullám lefelé irányuló áthaladási idejének tD és felfelé irányuló tranzit idejének tU mérésével a felfelé irányuló és a lefelé irányuló terjedés közötti időkülönbséget a következőképpen kapjuk meg:
Ábra. 2.5 Az upstream–downstream tranzit-időkülönbség meghatározása
A tranzitidő-módszer használatával meghatározható egy akusztikus út útvonal-átlagos sebessége. A különböző akusztikus utak átlagsebességei alapján és megfelelő algoritmusok segítségével kiszámítható a teljes keresztmetszetre -merőleges átlagos sebesség, amelyet V térfogat-átlagsebességnek nevezünk.
A csővezeték folyadékának (térfogatának) V átlagos sebességének mérésére szolgáló módszert a felfelé és lefelé irányuló ultrahangterjedés közötti tranzit{0}}időkülönbség mérésével a tranzit{1}}idő ultrahangos áramlás{2}}mérési módszere. Az olyan áramlásmérőt, amely a csővezeték folyadékáramlását méri a tranzitidő-ultrahangos módszerrel, tranzitidő{5}}ultrahangos áramlásmérőnek nevezik.
A tranzitidőben működő ultrahangos áramlásmérő-átlagos sebessége akusztikus útján és a csővezetékben lévő térfogat-átlagsebesség között
Ábra. 2.6 Az áramlási-sebesség-korrekciós tényező meghatározása
ahol K az áramlási sebesség{0}}korrekciós tényezője. Az áramlási -sebesség korrekciós tényezője az áramlásmérő mérőszakaszában lévő sebességeloszlási profil matematikai modelljéből származik. A csővezetékben uralkodó gázáramlási rendszer szerint az áramlási sebesség-korrekciós tényezője meghatározható. Így a (2.4) és (2.6) egyenletekből az átlagos gázsebesség a csővezetékben
ábra
A térfogatáram a (2.7) egyenletből adódik, mint
Ábra. 2.8 Térfogatáram-sebesség egyenlete
ahol A a cső keresztmetszete{0}}.
A térfogatáram nyomás- és hőmérséklet-kompenzációja után a tömegáramot úgy kaphatjuk meg, mint
Ábra. 2.9 Tömegáram-egyenlet nyomás–hőmérséklet–sűríthetőség korrekcióval
ahol Z a gáz összenyomhatósági tényezője; P0 és P a nyomásparaméterek normál és tényleges körülmények között; T0 és T a hőmérsékleti értékek szabványos és tényleges feltételek mellett; és ρ0 a gáznemű közeg sűrűsége standard körülmények között.
Az áramlási sebesség elérése után kiszámítható az adott átmérőjű csövön egy bizonyos időtartam alatt áthaladó folyadék térfogata. A csövön 1 óra alatt áthaladó F áramlási térfogat 79:
ábra
A többutas{0}}ultrahangos gázáramlásmérés alapvető működési elve
A gáz ultrahangos áramlásmérők egy-útvonalas és több-útvonalas típusokra oszthatók, amelyek az ultrahangos áramlásmérés tranzit-idő elvén alapulnak. Jelenleg a külföldi hasonló termékek között az akusztikus utak száma akár hat is lehet. Egy több-utas ultrahangos áramlásmérőben a ViV_iVi az út-átlagos sebességét jelenti a iii-akusztikus úton. Ezt úgy kapjuk meg, hogy megmérjük az áramlásirányban lefelé és a felfelé irányuló ultrahangos áthaladási időt, kiszámítjuk a köztük lévő időkülönbséget, majd kiszámítjuk az út{10}}átlagos sebességét.
Az egyes akusztikus utak útvonal-átlagsebessége és az áramlási-sebesség-korrekciós tényezők közötti kapcsolat alapján a csővezetékben lévő térfogat-átlagos gázsebesség a következőképpen becsülhető meg:
Ábra. 2.11 Több útvonalú-útvonal súlyozott átlagsebesség-egyenlete-az ultrahangos áramlásmérő működése
ahol a WiW_iWi az egyes akusztikus útvonalak súlyozási együtthatója, értéke pedig az alkalmazott integrációs algoritmustól függ.
ábra
Elméletileg minél több akusztikus út van, annál nagyobb a mérési pontosság. A gyakorlati tapasztalatok azonban azt mutatják, hogy amikor az akusztikus utak száma a keresztmetszetben eléri a négyet, az utak számának további növelése nagyon kevéssé járul hozzá a pontosság javításához, miközben jelentősen növeli a gyártási költségeket.
Az ultrahangos gázáramlás mérését befolyásoló tényezők elemzése
A gáz-ultrahangos áramlásmérők áramlási-sebesség- és áramlási{1}}sebesség-számítási képlete szerint az áramlási sebesség vagy áramlási sebesség több szemponthoz is kapcsolódik, mint például a mérőcső geometriai paraméterei, az áramlási-sebesség korrekciós tényezője (vagy súlyozási együtthatója), valamint az ultrahang terjedési idejének mért értékei. Az alábbi elemzés ezekből a szempontokból készült.
Az áramlási{0}}sebességtényező korrekciója és a mérési pontosság javítása
A fent említett tranzit{0}}gáz ultrahangos áramlásmérőben a vizsgálat azon az ideális állapoton alapul, amelyben az út-átlagsebessége egyenletesen oszlik el a cső keresztmetszetében. Gyakorlati helyzetekben, a folyadék cső keresztmetszetében való nem egyenletes sebességeloszlása miatt, a számítással kapott sebesség valójában az ultrahang terjedési iránya és a mért ultrahang tranzit{7}}időkülönbségből kapott tengelyirányú átlagsebesség. A végső számított térfogatáram elkerülhetetlenül hibákhoz vezet. A mérési pontosság biztosítása érdekében meg kell határozni a kettő közötti kapcsolatot, és ki kell javítani a tényleges mért sebességet a folyadékmechanikai elvek segítségével; azaz térfogatáram-mérővel végzett méréskor egy K áramlási sebesség korrekciós tényezőt vezetnek be.
A csővezetékekben lévő folyadék{0}}áramlási állapotok összetettsége miatt a kapott sebességeloszlás is összetett. A jelenlegi kutatások főként az ideális körülmények közötti sebességeloszlásra korlátozódnak, vagyis a sebességeloszlásra lamináris áramlás és teljesen kifejlődött turbulens áramlás esetén sima csövekben. A lamináris áramlás és a turbulens áramlás a folyadékok két alapvető áramlási állapota a csövekben. A lamináris áramlás azt az állapotot jelenti, amelyben a folyadékrészecskéknek nincs keresztirányú mozgása, és csak az axiális mozgást veszik figyelembe; turbulens áramlás azt az állapotot jelenti, amelyben a folyadékrészecskék axiális és keresztirányú mozgást is végeznek. Mivel az áramlási jellemzők eltérőek a csővezeték különböző áramlási állapotaiban, eltérő sebességeloszlásokat kapunk.
A folyadék áramlási jellemzőit együttesen befolyásolja a csőben lévő átlagos sebesség, a kinematikai viszkozitás és a csőátmérő, míg a Reynolds-szám ReReRe fontos mutató az áramlási állapot értékeléséhez. Amikor 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, a folyadék turbulens állapotba kezd átmenni, és ezt az átmeneti tartományt általában turbulens áramlásként is kezelik.
GYIK
Mi az a tranzitidő{0}}ultrahangos gázáramlásmérő?
A tranzitidő{0}}ultrahangos gázáramlásmérő úgy méri a gázáramlást, hogy ultrahang impulzusokat küld lefelé és felfelé, és kiszámítja az áramlási sebességet az áthaladási idők különbségéből.
Mi a különbség az egy{0}}utas és a több-utas ultrahangos áramlásmérők között?
Egy-útvonalas áramlásmérő egy pár jelátalakítót és egy akusztikus útvonalat használ, míg a több-utas áramlásmérő több akusztikus útvonalat használ különböző magasságokban vagy szögekben, hogy jobban rögzítse a sebességprofilt és javítsa a pontosságot.
Miért van szükség az áramlási sebesség{0}}korrekciós tényezőjére?
Mivel a csőben a sebességeloszlás nem tökéletesen egyenletes, az egyetlen akusztikus útvonal mentén mért sebesség nem egyenlő a keresztmetszeti átlagsebességgel. Egy korrekciós tényező köti össze a kettőt.
Mely tényezők befolyásolják az ultrahangos gázáramlás mérési pontosságát?
A kulcsfontosságú tényezők közé tartozik a sebességprofil torzulása, a telepítési feltételek, a Reynolds-szám, a gázösszetétel és a hangsebesség, a hőmérséklet- és nyomásváltozások, valamint a jelfeldolgozási hibák.
