Gāzes ultraskaņas plūsmas mērītājs attiecas uz caurplūdes mērītāju, kas ir uzstādīts uz cauruļvada ar plūstošu gāzi un mēra gāzes plūsmu, izmantojot ultraskaņas principu. Viena-ceļa gāzes ultraskaņas plūsmas mērītājs attiecas uz ierīci, kas aprīkota tikai ar vienu akustisko ceļu, savukārt gāzes ultraskaņas plūsmas mērītāju ar diviem vai vairākiem akustiskajiem ceļiem sauc par vairāku-ceļu gāzes ultraskaņas plūsmas mērītāju.
Kā darbojas ultraskaņas plūsmas mērītājs?Plūsmas ātruma mērīšanas pamatprincips ar gāzes ultraskaņas caurplūdes mērītāju ir aprēķināt gāzveida šķidruma plūsmas ātrumu, plūsmas ātrumu, blīvumu un citus parametrus, mērot ultraskaņas viļņu izplatīšanās laiku gāzveida vidē. Šajā nodaļā galvenokārt analizēts tranzīta laika ultraskaņas plūsmas mērīšanas darbības princips un plūsmas mērīšanu ietekmējošie faktori, kā arī tiek veikti simulācijas pētījumi, kā uzlabot plūsmas mērīšanas precizitāti, lai sagatavotos daudzceļu gāzes ultraskaņas plūsmas mērīšanas metožu un mehānismu modelēšanas izpētei.
Tranzīta{0}}laika ultraskaņas gāzes plūsmas mērīšanas darbības principa analīze
Tranzīta-laika ultraskaņas gāzes plūsmas-mērīšanas metode ir gāzes plūsmas-mērīšanas metode, kurā vienā un tajā pašā gāzes ceļa garumā tiek izmantota divu ultraskaņas signālu izplatīšanās-laika starpība, kas virzās lejup un augšup, lai noteiktu vidējo gāzes plūsmas ātrumu pa akustisko ceļu. Kad ultraskaņas viļņi izplatās plūstošā gāzveida vidē, to izplatīšanās ātrums mainās atkarībā no gāzes plūsmas ātruma.
Konkrētāk, ultraskaņas viļņu izplatīšanās ātrums mainās tajā pašā virzienā kā gāzes plūsmas ātrums: palielinoties gāzes plūsmas ātrumam, attiecīgi palielinās arī ultraskaņas viļņa ātrums, kas izplatās tajā pašā virzienā; otrādi, ja gāzes plūsmas ātrums palielinās, atrodoties pretēji ultraskaņas izplatīšanās virzienam, ultraskaņas ātrums attiecīgi samazināsies.
Ultraskaņas cauruļu{0}}plūsmas sensora pamatstruktūra
Kā parādīts attēlā. 2.1, vienā cauruļvada pusē vai abās pusēs ir iestrādāti divi ultraskaņas devēji, kas spēj gan pārraidīt, gan uztvert ultraskaņas impulsus (saukti par zondēm vai devējiem). Ultraskaņas signāla faktisko ceļu starp raidošo un uztverošo devēju sauc par akustisko ceļu; tādējādi devēju pāris veido vienu akustisko ceļu. Starp devējiem un šķidro vidi ir izvietota skaņu pārraidoša membrāna vai akustiskā viļņvada sienas daļa. Viena-ceļa ultraskaņas plūsmas mērītājā viļņvada līnija starp diviem ultraskaņas devējiem krustojas ar instrumenta asi.
att.. 2.1 Transit{1}}laika ultraskaņas plūsmas mērīšanas principa shematiska diagramma
Kā parādīts attēlā. 2.1, caurules diametrs ir D. Taisnas{2}}līnijas attālums starp devēju A un B gala virsmām, kas iestrādātas abās cauruļvada pusēs, ir akustiskā-ceļa garums L (saukts arī par akustisko attālumu L), un tā attiecība ar diametru D ir
att.. 2.1 Ģeometriskā saistība starp akustiskā-ceļa garumu un caurules diametru-transitācijas laiku ultraskaņas plūsmas mērītājs
kur φ ir akustiskā ceļa slīpuma leņķis, ti, leņķis starp akustisko ceļu un caurules asi. Akustiskā ceļa slīpuma leņķis ir arī ultraskaņas viļņa krītošais leņķis. Krituma leņķi φ ietekmē skaņas ātrums šķidrumā, kā arī skaņas ātrums ķīlī un caurules -sienas materiālā.
Kopumā skaņas ātruma svārstības atkarībā no temperatūras cietos materiālos ir mazākas nekā gāzveida materiālos. Ja temperatūras svārstības nav lielas, var neņemt vērā ķīļa un caurules sienu materiālu ietekmi uz mērījumu precizitāti; tomēr, ja temperatūras svārstību diapazons ir liels, ir jākoriģē lielās skaņas ātruma izmaiņas ķīļa un caurules -sienu materiālos.
Pārveidotājam ar 30 grādu krišanas leņķi pārraides koeficients ir salīdzinoši augsts, enerģijas zudumi ir mazi un nepieciešamais ierosmes spriegums ir zems. Šāds devējs ir piemērots rokas ultraskaņas plūsmas mērītājiem, kas nav ērti, lai izmantotu maiņstrāvas barošanas avotu. Pārveidotājam ar 45 grādu kritiena leņķi ir salīdzinoši zems pārraides koeficients, taču tas var pieņemt lielāku devēja mikroshēmu un augstāku ierosmes spriegumu, un tāpēc tas ir piemērots fiksētiem ultraskaņas plūsmas mērītājiem vai tiem, kas var izmantot maiņstrāvas barošanas avotu.
Tranzīta darbības princips{0}}Laika ultraskaņas gāzes plūsmas mērīšana
Tranzīta-laika ultraskaņas gāzes plūsmas-mērīšanas tehnoloģija nosaka aksiālo vidējo plūsmas ātrumu Vz plaknē, ko veido akustiskais ceļš un ass, mērot laika atšķirību starp ultraskaņas viļņiem, kas izplatās lejup pa straumi un augšpus gāzveida vidē. Ultraskaņas viļņu tranzīta laiki atšķiras lejup un augšup pa straumi. Pakārtotais tranzīta laiks ir:
att.. 2.2. Pakārtotā ultraskaņas tranzīta-laika vienādojums
un augšpus tranzīta laiks ir
Attēls. 2.3 Augšupstraumes ultraskaņas tranzīta-laika vienādojums
kur C ir ultraskaņas viļņu skaņas ātrums stacionārā mērītā šķidrumā, ti, skaņas ātrums; Vz ir vidējais šķidruma plūsmas ātrums aksiālā virzienā uz plaknes, ko veido ultraskaņas ceļš un caurules ass, ko sauc arī par ceļa vidējo ātrumu.
Ja netiek ņemta vērā skaņas -ātruma izmaiņu ietekme caurules iekšējās vides dēļ, ceļa-vidējā ātruma izteiksme ir
Att.. 2.4. Ceļa-vidējā aksiālā ātruma izteiksme
Mērot ultraskaņas viļņa tranzīta laiku pa straumi tD un augšup pa straumi tU, laika starpību starp augšup un lejup pa izplatīšanos iegūst kā
Attēls. 2.5 Augšup un lejup pa straumi-laika starpības definīcija
Izmantojot tranzīta-laika metodi, var iegūt ceļa-vidējo viena akustiskā ceļa ātrumu. Pamatojoties uz dažādu akustisko ceļu vidējiem ātrumiem un izmantojot piemērotus algoritmus, var aprēķināt vidējo ātrumu, kas ir perpendikulārs visam šķērsgriezumam, ko sauc par tilpuma -vidējo ātrumu V.
Cauruļvada šķidruma (tilpuma) vidējā ātruma V mērīšanas metodi, mērot tranzīta{0}}laika starpību starp augšup un lejup pa straumi ultraskaņas izplatīšanos, sauc par tranzīta laika ultraskaņas plūsmas{2} mērīšanas metodi. Plūsmas mērītājs, kas mēra cauruļvada šķidruma plūsmu, izmantojot tranzīta-laika ultraskaņas metodi, tiek dēvēts par tranzīta-laika ultraskaņas plūsmas mērītāju.
Attiecība starp tranzīta laika ultraskaņas plūsmas mērītāja-vidējo ātrumu akustiskajā ceļā un tilpuma{2}}vidējo ātrumu cauruļvadā ir
Att.. 2.6 Plūsmas-ātruma korekcijas koeficienta definīcija
kur K sauc par plūsmas{0}}ātruma korekcijas koeficientu. Plūsmas -ātruma korekcijas koeficients ir iegūts no ātruma sadalījuma profila matemātiskā modeļa plūsmas mērītāja mērīšanas sadaļā. Atbilstoši gāzes plūsmas režīmam cauruļvadā var iegūt plūsmas -ātruma korekcijas koeficientu. Tādējādi no (2.4) un (2.6) vienādojumiem vidējais gāzes ātrums cauruļvadā ir
att.. 2.7. Saistība starp caurules-vidējo ātrumu un ceļa-vidējo ātrumu
Tilpuma plūsmas ātrumu var iegūt no (2.7) vienādojuma kā
Att.. 2.8 Tilpuma plūsmas-ātruma vienādojums
kur A ir caurules šķērsgriezuma laukums-.
Pēc tilpuma plūsmas ātruma spiediena un temperatūras kompensācijas masas plūsmas ātrumu var iegūt kā
attēls
kur Z ir gāzes saspiežamības koeficients; P0 un P ir attiecīgi spiediena parametri standarta un faktiskajos apstākļos; T0 un T ir temperatūras vērtības attiecīgi standarta apstākļos un faktiskajos apstākļos; un ρ0 ir gāzveida vides blīvums standarta apstākļos.
Kad ir iegūts plūsmas ātrums, var aprēķināt šķidruma tilpumu, kas noteiktā laika posmā iet cauri noteikta diametra caurulei. Plūsmas tilpums F, kas iet cauri caurulei 1 stundā, ir 79:
attēls
Vairāku ceļu ultraskaņas gāzes plūsmas mērīšanas{0}}darbības pamatprincips
Gāzes ultraskaņas plūsmas mērītājus var iedalīt viena -ceļa un vairāku-ceļu veidos, un tie abi ir balstīti uz tranzīta-laika principu ultraskaņas plūsmas mērīšanai. Šobrīd starp līdzīgiem produktiem ārvalstīs akustisko celiņu skaits var būt pat seši. Vairāku-ceļu ultraskaņas plūsmas mērītājā ViV_iVi apzīmē ceļa-vidējo ātrumu iii-tajā akustiskajā ceļā. To iegūst, mērot pa straumi un augšpus ultraskaņas tranzīta laikus, aprēķinot laika starpību starp tiem un pēc tam aprēķinot ceļa{10}}vidējo ātrumu.
Saskaņā ar sakarību starp katra akustiskā ceļa ceļa-vidējiem ātrumiem un plūsmas-ātruma korekcijas koeficientiem, tilpuma-vidējo gāzes ātrumu cauruļvadā var aprēķināt kā
attēls
kur WiW_iWi ir katra akustiskā ceļa svēruma koeficients, un tā vērtība ir atkarīga no pieņemtā integrācijas algoritma.
attēls
Teorētiski, jo vairāk ir akustisko ceļu, jo lielākai jābūt mērījumu precizitātei. Tomēr praktiskā pieredze rāda, ka tad, kad akustisko ceļu skaits šķērsgriezumā- sasniedz četrus, tālāka ceļu skaita palielināšana ļoti maz veicina precizitātes uzlabošanos, vienlaikus ievērojami palielinot ražošanas izmaksas.
Ultraskaņas gāzes plūsmas mērīšanu ietekmējošo faktoru analīze
Saskaņā ar gāzes ultraskaņas plūsmas mērītāju plūsmas -ātruma un plūsmas- ātruma aprēķināšanas formulām plūsmas ātrums vai plūsmas ātrums ir saistīts ar vairākiem aspektiem, piemēram, mērīšanas caurules ģeometriskajiem parametriem, plūsmas -ātruma korekcijas koeficientu (vai svēruma koeficientu) un izmērītajām ultraskaņas izplatīšanās laika vērtībām. No šiem aspektiem tiek veikta šāda analīze.
Plūsmas{0}}ātruma faktora korekcija un mērījumu precizitātes uzlabošana
Iepriekš minētajā tranzīta{0}}laika gāzes ultraskaņas plūsmas mērītājā pētījums ir balstīts uz ideālo stāvokli, kurā vidējais ceļa-ātrums ir vienmērīgi sadalīts visā caurules šķērsgriezumā. Praktiskās situācijās šķidruma nevienmērīgā ātruma sadalījuma dēļ caurules šķērsgriezumā-aprēķinos iegūtais ātrums faktiski ir ceļa-vidējais ātrums ultraskaņas izplatīšanās virzienā un aksiālais virziens, kas iegūts no izmērītās ultraskaņas tranzīta{7}}laika starpības. Galīgais aprēķinātais tilpuma plūsmas ātrums neizbēgami radīs kļūdas. Lai nodrošinātu mērījumu precizitāti, ir jānosaka saistība starp abiem un jākoriģē faktiskais izmērītais ātrums, izmantojot šķidruma mehānikas principus. tas ir, mērot ar tilpuma plūsmas mērītāju, tiek ieviests plūsmas ātruma korekcijas koeficients K.
Cauruļvados esošo šķidruma -plūsmas stāvokļu sarežģītības dēļ arī iegūtie ātruma sadalījumi ir sarežģīti. Pašreizējie pētījumi galvenokārt aprobežojas ar ātruma sadalījumu ideālos apstākļos, tas ir, ātruma sadalījumu laminārās plūsmas apstākļos un pilnībā attīstītu turbulentu plūsmu gludās caurulēs. Laminārā plūsma un turbulentā plūsma ir divi galvenie šķidrumu plūsmas stāvokļi caurulēs. Laminārā plūsma attiecas uz stāvokli, kurā šķidruma daļiņām nav šķērsvirziena kustības un tiek ņemta vērā tikai aksiālā kustība; turbulenta plūsma attiecas uz stāvokli, kurā šķidruma daļiņām ir gan aksiāla, gan šķērsvirziena kustība. Tā kā plūsmas raksturlielumi atšķiras dažādos cauruļvada plūsmas stāvokļos, tiek iegūti dažādi ātruma sadalījumi.
Šķidruma plūsmas raksturlielumus kopīgi ietekmē vidējais ātrums caurulē, kinemātiskā viskozitāte un caurules diametrs, savukārt Reinoldsa skaitlis ReReRe ir svarīgs rādītājs plūsmas stāvokļa novērtēšanai. Kad 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, šķidrums sāk pāriet uz turbulentu stāvokli, un šo pārejas reģionu parasti arī uzskata par turbulentu plūsmu.
FAQ
Kas ir tranzīta{0}}laika ultraskaņas gāzes plūsmas mērītājs?
Tranzīta{0}}laika ultraskaņas gāzes plūsmas mērītājs mēra gāzes plūsmu, nosūtot ultraskaņas impulsus gan lejup, gan augšup, un aprēķinot plūsmas ātrumu, pamatojoties uz to tranzīta laiku starpību.
Kāda ir atšķirība starp viena{0}}ceļa un vairāku{1}}ceļu ultraskaņas plūsmas mērītājiem?
Viena{0}}ceļa plūsmas mērītājā tiek izmantots viens devēju pāris un viens akustiskais ceļš, savukārt vairāku-ceļu plūsmas mērītājs izmanto vairākus akustiskos ceļus dažādos augstumos vai leņķos, lai labāk uztvertu ātruma profilu un uzlabotu precizitāti.
Kāpēc ir nepieciešams plūsmas{0}}ātruma korekcijas koeficients?
Tā kā ātruma sadalījums caurulē nav pilnīgi vienmērīgs, ātrums, kas mērīts pa vienu akustisko ceļu, nav vienāds ar šķērsgriezuma vidējo ātrumu. Korekcijas koeficients saista abus.
Kādi faktori ietekmē ultraskaņas gāzes plūsmas mērīšanas precizitāti?
Galvenie faktori ir ātruma profila kropļojumi, uzstādīšanas apstākļi, Reinoldsa skaitlis, gāzes sastāvs un skaņas ātrums, temperatūras un spiediena izmaiņas, kā arī signāla apstrādes kļūdas.
