Ultrazvučni mjerač protoka plina se odnosi na mjerač protoka koji je instaliran na cjevovodu s tekućim plinom i mjeri protok plina pomoću ultrazvučnog principa. Jedno-gazinski ultrazvučni mjerač protoka se odnosi na uređaj opremljen samo jednom akustičnom stazom, dok se ultrazvučni plinski mjerač protoka sa dva ili više akustičnih puteva naziva više- ultrazvučni plinski mjerač protoka.
Kako radi ultrazvučni merač protoka? Osnovni princip za merenje brzine protoka sa ultrazvučnim meračem protoka gasa je izračunavanje brzine protoka, protoka, gustine i drugih parametara gasnog fluida merenjem vremena širenja ultrazvučnih talasa u gasovitom mediju. Ovo poglavlje uglavnom analizira princip rada ultrazvučnog mjerenja protoka-u tranzitnom vremenu i faktore koji utiču na mjerenje protoka, te provodi simulacijske studije o tome kako poboljšati -preciznost mjerenja protoka, kako bi se izvršile pripreme za proučavanje više{3}}metoda ultrazvučnog protoka plina na više puta{4}}i modeliranje mehanizama.
Analiza principa rada ultrazvučnog mjerenja protoka-vrijeme tranzita
Metoda mjerenja protoka-ultrazvučnog protoka gasa-u tranzitnom vremenu je metoda mjerenja protoka gasa-u kojoj se, na istoj dužini puta plina, vremenska razlika-razlika širenja između dva ultrazvučna signala koja putuju nizvodno i uzvodno koristi za određivanje prosječne brzine protoka gasa duž akustičke putanje. Kada se ultrazvučni talasi šire u tekućem gasovitom mediju, njihova brzina širenja varira sa brzinom protoka gasa.
Preciznije, brzina širenja ultrazvučnih talasa se menja u istom smeru kao i brzina protoka gasa: kada se brzina protoka gasa povećava, brzina ultrazvučnog talasa koji se širi u istom smeru takođe se povećava u skladu sa tim; obrnuto, ako se brzina protoka gasa povećava dok je suprotna od smjera ultrazvučnog širenja, ultrazvučna brzina će se u skladu s tim smanjiti.
Osnovna struktura ultrazvučnog cijevnog-senzora protoka
Kao što je prikazano na slici . 2.1, dva ultrazvučna pretvarača sposobna i za prijenos i za prijem ultrazvučnih impulsa (koji se nazivaju sonde ili pretvarači) ugrađena su na jednoj ili na obje strane cjevovoda. Stvarna putanja ultrazvučnog signala između predajnika i pretvarača za prijem naziva se akustični put; tako, par pretvarača formira jedan akustički put. Membrana za prenos zvuka- ili dio zida akustičnog talasovoda postavljen je između pretvarača i fluidnog medija. U jednom{5}}u ultrazvučnom mjeraču protoka, talasovodna linija između dva ultrazvučna pretvarača siječe osu instrumenta.
Sl. 2.1 Šematski dijagram principa prolaska-vremenskog ultrazvučnog mjerenja protoka
Kao što je prikazano na slici. 2.1, promjer cijevi je D. Pravolinijsko-razmak između krajnjih strana pretvarača A i B ugrađenih na obje strane cjevovoda je akustična-dužina puta L (koja se naziva i akustična udaljenost L), a njen odnos sa prečnikom D je
Fig. 2.1 Geometrijski odnos između akustične-dužine putanje i prečnika cijevi-tranzitnog vremena ultrazvučnog mjerača protoka
gdje je φ ugao nagiba akustičke staze, tj. ugao između akustičke staze i ose cijevi. Ugao nagiba akustičke staze je ujedno i upadni ugao ultrazvučnog talasa. Na upadni ugao φ utiče brzina zvuka u fluidu, kao i brzina zvuka u klinu i materijalu zida cevi{4}}.
Općenito, varijacija brzine zvuka s temperaturom u čvrstim materijalima je manja nego u plinovitim materijalima. Kada varijacija temperature nije velika, uticaj materijala klina i zida cijevi-na tačnost mjerenja može se zanemariti; međutim, kada je raspon temperaturnih varijacija velik, velika promjena u brzini zvuka u materijalima klina i zidova cijevi{2}}mora se ispraviti.
Za pretvarač sa upadnim uglom od 30 stepeni, koeficijent prenosa je relativno visok, gubitak energije je mali, a potreban pobudni napon je nizak. Takav pretvarač je prikladan za ručne ultrazvučne mjerače protoka koji nisu pogodni za korištenje AC napajanja. Pretvarač sa upadnim uglom od 45 stepeni ima relativno nizak koeficijent prenosa, ali može usvojiti veći čip pretvarača i veći napon pobude, te je stoga pogodan za fiksne ultrazvučne metre protoka ili one koji mogu koristiti AC napajanje.
Princip rada ultrazvučnog mjerenja protoka-vremena tranzita
Tehnologija mjerenja ultrazvučnog protoka-vremenskog protoka plina-tranzita određuje prosječnu aksijalnu brzinu protoka Vz na ravni koju formiraju akustična putanja i osa, mjerenjem vremenske razlike između ultrazvučnih talasa koji se šire nizvodno i uzvodno u gasovitom mediju. Vremena prolaska ultrazvučnih talasa razlikuju se u nizvodnom i uzvodnom pravcu. Nizvodno vrijeme tranzita je:
Fig. 2.2 Nizvodna ultrazvučna{1}}jednačina vremena prolaza
a uzvodno tranzitno vrijeme je
Fig. 2.3 Uzvodna ultrazvučna{1}}jednačina vremena prolaza
gdje je C brzina zvuka ultrazvučnih talasa u stacionarnom mjerenom fluidu, odnosno brzina zvuka; Vz je prosječna brzina protoka fluida u aksijalnom smjeru u ravni koju formiraju ultrazvučna putanja i os cijevi, koja se naziva i prosječna brzina putanje{2}}.
Kada se ne uzme u obzir uticaj -varijacije brzine zvuka zbog unutrašnjeg okruženja cijevi, izraz za-prosječnu brzinu puta je
Fig. 2.4 Izraz za -prosječnu aksijalnu brzinu
Mjerenjem nizvodnog prolaznog vremena tD i uzvodnog prolaznog vremena tU ultrazvučnog talasa, vremenska razlika između uzvodnog i nizvodnog širenja se dobija kao
Fig. 2.5 Definicija uzvodno-nizvodno-vremenske razlike tranzita
Koristeći metodu-vremenskog prolaza, može se dobiti prosječna brzina-putanja jedne akustičke putanje. Na osnovu prosječnih brzina različitih akustičkih putanja, uz korištenje odgovarajućih algoritama, može se izračunati prosječna brzina okomita na cijeli poprečni-presjek, koja se naziva zapreminska-prosječna brzina V.
Metoda mjerenja prosječne brzine V cjevovodnog fluida (zapremina) mjerenjem tranzitne-vremenske razlike između uzvodnog i nizvodnog ultrazvučnog širenja naziva se metoda mjerenja ultrazvučnog protoka-vremenskog prolaza-. Mjerač protoka koji mjeri protok fluida u cjevovodu koristeći ultrazvučnu metodu tranzitnog-vremena naziva se ultrazvučni mjerač protoka-vremena.
Odnos između-prosječne brzine na akustičkoj putanji ultrazvučnog protoka-vremenskog prolaza i zapreminske{2}}prosječne brzine u cjevovodu je
Fig. 2.6 Definicija faktora korekcije brzine protoka-
gdje se K naziva faktor korekcije-brzine protoka. Faktor korekcije brzine protoka-izvodi se iz matematičkog modela profila raspodjele brzine u mjernoj sekciji mjerača protoka. Prema režimu strujanja gasa u cjevovodu, može se dobiti faktor korekcije-brzine protoka. Dakle, iz jednačina (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 se može dobiti iz jednačine (2.7) kao
Slika. 2.8 Jednačina zapremine{1}}brzine protoka
gdje je A površina poprečnog{0}}poprečnog presjeka cijevi.
Nakon pritiska i temperaturne kompenzacije zapreminskog protoka, maseni protok se može dobiti kao
Slika. 2.9 Jednačina masenog protoka-jednačina sa korekcijom pritiska-temperature-stišljivosti
gdje je Z faktor kompresije plina; P0 i P su parametri pritiska u standardnim i stvarnim uslovima; T0 i T su vrijednosti temperature u standardnim i stvarnim uvjetima; i ρ0 je gustina gasovitog medija pod standardnim uslovima.
Kada se dobije brzina protoka, može se izračunati volumen fluida koji prolazi kroz cijev određenog prečnika tokom određenog perioda. Volumen protoka F koji prolazi kroz cijev za 1 h je 79:
Fig. 2.10 Satna zapremina fluida kroz cijev zasnovana na-mjerenju vremena-principa rada ultrazvučnog mjerača protoka vremena tranzita
Osnovni princip rada više{0}} ultrazvučnog mjerenja protoka gasa
Ultrazvučni mjerači protoka plina se mogu podijeliti na jedno-putne i više{1}}tipove, a oba su zasnovana na principu vremena prolaska{2}}za ultrazvučno mjerenje protoka. Trenutno, među sličnim proizvodima u inostranstvu, broj akustičnih staza može biti čak šest. U više-u ultrazvučnom mjeraču protoka, ViV_iVi predstavlja -prosječnu brzinu na iii- akustičkoj stazi. Dobiva se mjerenjem vremena prolaza ultrazvuka nizvodno i uzvodno, izračunavanjem vremenske razlike između njih, a zatim izračunavanjem{10}}prosječne brzine putanje.
Prema odnosu između-prosječnih brzina svake akustičke staze i faktora korekcije{1}}brzine protoka, zapreminska-prosječna brzina gasa u cjevovodu može se procijeniti kao
Slika. 2.11 Više-jednačina ponderisane prosječne brzine-kako radi ultrazvučni mjerač protoka
gdje je WiW_iWi težinski koeficijent svake akustičke staze, a njegova vrijednost ovisi o usvojenom algoritmu integracije.
Fig. 2.12 Više-višestruki volumetrijski protok-jednačina brzine-ultrazvučni mjerač protoka kako radi
U teoriji, što je više akustičnih puteva, to bi trebala biti veća preciznost mjerenja. Međutim, praktično iskustvo je pokazalo da kada broj akustičnih puteva preko poprečnog-presjeka dostigne četiri, dalje povećanje broja staza vrlo malo doprinosi poboljšanju tačnosti, dok značajno povećava troškove proizvodnje.
Analiza faktora koji utječu na ultrazvučno mjerenje protoka gasa
Prema formulama za izračunavanje-brzine i protoka-formula za izračunavanje brzine protoka gasnih ultrazvučnih mjerača protoka, brzina protoka ili brzina protoka je povezana s nekoliko aspekata, kao što su geometrijski parametri mjerne cijevi, faktor korekcije-brzine protoka (ili težinski koeficijent) i izmjerene ultrasonične vrijednosti propag vremena. Sljedeća analiza je sprovedena sa ovih aspekata.
Korekcija -faktora brzine protoka i poboljšanje tačnosti mjerenja
U gore spomenutom ultrazvučnom mjeraču protoka plina-tranzitnog vremena, studija se zasniva na idealnom stanju u kojem je prosječna brzina-prosječna brzina ravnomjerno raspoređena po poprečnom presjeku cijevi-. U praktičnim situacijama, zbog ne-ujednačene distribucije brzine fluida po poprečnom presjeku cijevi-, brzina dobivena proračunom je zapravo puta-prosječna brzina duž smjera ultrazvučnog širenja i aksijalnog smjera, dobijena iz izmjerene vremenske razlike ultrazvučnog prolaza-. Konačni izračunati volumetrijski protok će neizbježno proizvesti greške. Da bi se osigurala tačnost mjerenja, potrebno je utvrditi odnos između njih i korigirati stvarnu izmjerenu brzinu koristeći principe mehanike fluida{10}}; to jest, faktor korekcije-brzine protoka K se uvodi kada se mjeri sa volumetrijskim mjeračem protoka.
Zbog složenosti stanja protoka- fluida u cjevovodima, rezultujuće raspodjele brzina su također složene. Trenutna istraživanja su uglavnom ograničena na raspodjelu brzine u idealnim uvjetima, odnosno na raspodjelu brzine pod laminarnim strujanjem i potpuno razvijeno turbulentno strujanje u glatkim cijevima. Laminarno strujanje i turbulentno strujanje su dva osnovna stanja protoka fluida u cijevima. Laminarni tok se odnosi na stanje u kojem čestice fluida nemaju poprečno kretanje i razmatra se samo aksijalno kretanje; turbulentno strujanje se odnosi na stanje u kojem čestice fluida imaju i aksijalno i poprečno kretanje. Budući da se karakteristike protoka razlikuju pod različitim stanjima protoka cevovoda, dobijaju se različite distribucije brzine.
Na karakteristike protoka fluida zajednički utiču prosečna brzina u cevi, kinematička viskoznost i prečnik cevi, dok je Reynoldsov broj ReReRe važan indeks za procenu 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, fluid počinje da prelazi u turbulentno stanje, a ovo prelazno područje se generalno takođe tretira kao turbulentno strujanje.
FAQ
Šta je tranzitni{0}}ultrazvučni mjerač protoka plina?
Ultrazvučni mjerač protoka gasa-vremenskog prolaza mjeri protok gasa slanjem ultrazvučnih impulsa i nizvodno i uzvodno i izračunava brzinu protoka na osnovu razlike u njihovim tranzitnim vremenima.
Koja je razlika između jedno{0}}i više{1}}putnih ultrazvučnih mjerača protoka?
Jedan-mjerač protoka koristi jedan par pretvarača i jednu akustičku putanju, dok više{1}}mjerač protoka koristi nekoliko akustičnih puteva na različitim visinama ili uglovima kako bi bolje uhvatio profil brzine i poboljšao preciznost.
Zašto je potreban faktor korekcije-brzine protoka?
Budući da raspodjela brzine u cijevi nije savršeno ravnomjerna, brzina mjerena duž jedne akustičke putanje nije jednaka prosječnoj brzini poprečnog presjeka. Korekcioni faktor povezuje to dvoje.
Koji faktori utiču na preciznost merenja protoka ultrazvučnog gasa?
Ključni faktori uključuju izobličenje profila brzine, uslove instalacije, Reynoldsov broj, sastav gasa i brzinu zvuka, promene temperature i pritiska i greške u obradi signala.
