Plynovým ultrazvukovým průtokoměrem se rozumí průtokoměr, který je instalován na potrubí s proudícím plynem a měří průtok plynu pomocí ultrazvukového principu. Jednocestný plynový ultrazvukový průtokoměr označuje zařízení vybavené pouze jednou akustickou cestou, zatímco plynový ultrazvukový průtokoměr se dvěma nebo více akustickými cestami se nazývá vícecestný plynový ultrazvukový průtokoměr.
Jak funguje ultrazvukový průtokoměr?Základním principem měření rychlosti proudění plynovým ultrazvukovým průtokoměrem je výpočet rychlosti proudění, průtoku, hustoty a dalších parametrů plynné tekutiny měřením doby šíření ultrazvukových vln v plynném médiu. Tato kapitola analyzuje především princip fungování ultrazvukového měření průtoku-času průchodu a faktory ovlivňující měření průtoku a provádí simulační studie, jak zlepšit-přesnost měření průtoku, aby bylo možné provést přípravu na studium metod měření ultrazvukového průtoku plynu s více drahami-a modelování mechanismů.
Analýza provozního principu měření průtoku plynu-ultrazvukovým časem
Metoda měření -času ultrazvukového průtoku plynu-je metoda{2}}měření průtoku plynu, ve které se na stejné délce dráhy plynu používá časový rozdíl šíření- mezi dvěma ultrazvukovými signály, které se pohybují po proudu a proti proudu, k určení průměrné rychlosti proudění plynu podél akustické dráhy. Když se ultrazvukové vlny šíří v proudícím plynném prostředí, mění se rychlost jejich šíření s rychlostí proudění plynu.
Přesněji řečeno, rychlost šíření ultrazvukových vln se mění ve stejném směru jako rychlost proudění plynu: když se rychlost proudění plynu zvyšuje, rychlost ultrazvukové vlny šířící se ve stejném směru se také odpovídajícím způsobem zvyšuje; naopak, pokud se rychlost proudění plynu zvýší, zatímco je proti směru šíření ultrazvuku, rychlost ultrazvuku se příslušně sníží.
Základní struktura ultrazvukového{0}}průtokového senzoru potrubí
Jak je znázorněno na obr.{0}}, dva ultrazvukové snímače schopné vysílat i přijímat ultrazvukové impulzy (označované jako sondy nebo snímače) jsou zabudovány na jedné nebo na obou stranách potrubí. Vlastní cesta ultrazvukového signálu mezi vysílacím a přijímacím měničem se nazývá akustická cesta; dvojice měničů tedy tvoří jednu akustickou cestu. Mezi měniče a tekuté médium je umístěna membrána pro přenos zvuku nebo část akustické vlnovodu. V jednocestném ultrazvukovém průtokoměru protíná čára vlnovodu mezi dvěma ultrazvukovými měniči osu přístroje.
Obr. 2.1 Schematický diagram principu měření průtoku ultrazvukem-času průchodu
Jak je znázorněno na obr. 2.1, průměr potrubí je D. Přímá -vzdálenost mezi čelními plochami snímačů A a B zabudovaných na obou stranách potrubí je akustická -délka dráhy L (nazývaná také akustická vzdálenost L) a její vztah k průměru D je
Obr. 2.1 Geometrický vztah mezi akustickou-délkou dráhy a průměrem potrubí-dobou průchodu ultrazvukovým průtokoměrem
kde φ je úhel sklonu akustické cesty, tj. úhel mezi akustickou cestou a osou potrubí. Úhel sklonu akustické dráhy je zároveň úhlem dopadu ultrazvukové vlny. Úhel dopadu φ je ovlivněn rychlostí zvuku v kapalině a také rychlostí zvuku v klínu a v materiálu stěny -trubky.
Obecně je změna rychlosti zvuku s teplotou v pevných materiálech menší než v plynných materiálech. Pokud kolísání teploty není velké, lze vliv materiálu klínu a{1}}stěny trubek na přesnost měření zanedbat; je-li však rozsah teplotních změn velký, velká změna rychlosti zvuku v klínových a trubkových-materiálech stěn musí být opravena.
Pro převodník s úhlem dopadu 30 stupňů je koeficient přenosu relativně vysoký, ztráta energie je malá a požadované budicí napětí je nízké. Takový převodník je vhodný pro ruční ultrazvukové průtokoměry, které nejsou vhodné pro použití střídavého napájení. Převodník s úhlem dopadu 45 stupňů má relativně nízký koeficient přenosu, ale může přijmout větší čip převodníku a vyšší budicí napětí, a je proto vhodný pro pevné ultrazvukové průtokoměry nebo ty, které mohou používat střídavý zdroj.
Princip fungování měření průtoku plynu- ultrazvukem
Technologie měření ultrazvukového průtoku plynu-času{1}} plynu určuje axiální průměrnou rychlost proudění Vz v rovině tvořené akustickou dráhou a osou měřením časového rozdílu mezi ultrazvukovými vlnami šířícími se po proudu a proti proudu v plynném médiu. Doby průchodu ultrazvukových vln se liší ve směru po proudu a proti proudu. Doba přepravy po proudu je:
Obr. 2.2 Časová rovnice průchodu ultrazvukem- po proudu
a doba průchodu proti proudu je
Obr. 2.3 Časová rovnice přenosu ultrazvuku- proti proudu
kde C je rychlost zvuku ultrazvukových vln ve stacionární měřené tekutině, tj. rychlost zvuku; Vz je průměrná rychlost proudění tekutiny v axiálním směru v rovině tvořené dráhou ultrazvuku a osou potrubí, také nazývaná dráhová-průměrná rychlost.
Když se nebere v úvahu vliv kolísání rychlosti zvuku-v důsledku vnitřního prostředí potrubí, výraz pro dráhovou-průměrnou rychlost je
Obr. 2.4 Výraz pro dráhovou-průměrnou axiální rychlost
Měřením doby průchodu tD po proudu a doby průchodu tU proti proudu ultrazvukové vlny se získá časový rozdíl mezi šířením proti proudu a po proudu jako
Obr. 2.5 Definice časového rozdílu přepravy proti proudu a po proudu-
Pomocí metody tranzit-času lze získat dráhovou-průměrnou rychlost jedné akustické cesty. Na základě průměrných rychlostí různých akustických drah a pomocí vhodných algoritmů lze vypočítat průměrnou rychlost kolmou na celý průřez, která se nazývá objemová-průměrná rychlost V.
Metoda měření průměrné rychlosti V potrubí (objemu) pomocí měření časového rozdílu mezi průchodem a šířením ultrazvuku se nazývá -metoda měření ultrazvukového toku-času průchodu{2}}. Průtokoměr, který měří průtok kapaliny v potrubí pomocí ultrazvukové metody tranzitní-doby, se nazývá ultrazvukový průtokoměr s dobou průchodu{5}}.
Vztah mezi dráhovou-průměrnou rychlostí na akustické dráze tranzitního-časového ultrazvukového průtokoměru a objemovou-průměrnou rychlostí v potrubí je
Obr. 2.6 Definice korekčního faktoru-rychlosti proudění
kde K se nazývá korekční faktor-rychlosti proudění. Korekční faktor-rychlosti proudění je odvozen z matematického modelu profilu rozložení rychlosti v měřicí části průtokoměru. Podle režimu proudění plynu v potrubí lze získat korekční faktor-rychlosti proudění. Z rovnic (2.4) a (2.6) je tedy průměrná rychlost plynu v potrubí
Obr. 2.7 Vztah mezi-průměrnou rychlostí potrubí a{2}}průměrnou rychlostí
Objemový průtok lze získat z rovnice (2.7) jako
Obr. 2.8 Rovnice objemového průtoku-
kde A je plocha průřezu-potrubí.
Po tlakové a teplotní kompenzaci objemového průtoku lze hmotnostní průtok získat jako
Obr. 2.9 Rovnice hmotnostního průtoku-s korekcí tlak–teplota–stlačitelnost
kde Z je faktor stlačitelnosti plynu; P0 a P jsou parametry tlaku za standardních podmínek a skutečných podmínek; T0 a T jsou hodnoty teploty za standardních a skutečných podmínek; a ρ0 je hustota plynného média za standardních podmínek.
Jakmile je získána rychlost proudění, lze vypočítat objem tekutiny procházející potrubím daného průměru za určitou dobu. Průtok F procházející potrubím za 1 h je 79:
Obr. 2.10 Hodinový objem kapaliny procházející potrubím založený na principu fungování-měření doby průchodu-doby průchodu ultrazvukovým průtokoměrem
Základní princip fungování vícecestného ultrazvukového měření průtoku plynu
Plynové ultrazvukové průtokoměry lze rozdělit na jednocestné -a více{1}}cestné typy, přičemž oba jsou založeny na principu doby průchodu-pro ultrazvukové měření průtoku. V současnosti mezi obdobnými produkty v zahraničí může být počet akustických cest i šest. Ve více-cestném ultrazvukovém průtokoměru představuje ViV_iVi dráhovou-průměrnou rychlost na iii-té akustické cestě. Získává se měřením doby průchodu ultrazvukem po proudu a proti proudu, výpočtem časového rozdílu mezi nimi a následným výpočtem{10}}průměrné rychlosti dráhy.
Podle vztahu mezi -průměrnými rychlostmi každé akustické cesty a korekčními faktory-rychlosti proudění lze objemovou-průměrnou rychlost plynu v potrubí odhadnout jako
Obr. 2.11 Více-cesta vážená rovnice průměrné rychlosti-jak funguje ultrazvukový průtokoměr
kde WiW_iWi je váhový koeficient každé akustické cesty a jeho hodnota závisí na použitém integračním algoritmu.
Obr. 2.12 Vícecestný objemový průtokoměr-Rovnice rychlosti-ultrazvukového průtokoměru, jak funguje
Teoreticky platí, že čím více akustických cest existuje, tím vyšší by měla být přesnost měření. Praktické zkušenosti však ukázaly, že když počet akustických cest napříč průřezem- dosáhne čtyř, další zvyšování počtu cest jen velmi málo přispívá ke zlepšení přesnosti, přičemž výrazně zvyšuje výrobní náklady.
Analýza faktorů ovlivňujících ultrazvukové měření průtoku plynu
Podle vzorců pro výpočet průtoku-rychlosti a{1}}rychlosti průtoku plynových ultrazvukových průtokoměrů souvisí rychlost průtoku nebo průtok s několika aspekty, jako jsou geometrické parametry měřicí trubky, korekční faktor-rychlosti průtoku (nebo váhový koeficient) a naměřené hodnoty doby šíření ultrazvuku. Z těchto hledisek je provedena následující analýza.
Korekce průtoku-Faktor rychlosti a zlepšení přesnosti měření
Ve výše uvedeném ultrazvukovém průtokoměru plynu{0}}času tranzitu je studie založena na ideálním stavu, ve kterém je dráha-průměrná rychlost rovnoměrně rozložena po průřezu potrubí-. V praktických situacích je rychlost získaná výpočtem v důsledku -nestejnoměrného rozložení rychlosti tekutiny v průřezu trubky- ve skutečnosti dráhovou-průměrovanou rychlostí ve směru šíření ultrazvuku a axiálním směru, získanou z naměřeného časového rozdílu průchodu ultrazvuku-. Konečný vypočítaný objemový průtok nevyhnutelně způsobí chyby. Aby byla zajištěna přesnost měření, je nutné určit vztah mezi těmito dvěma a opravit skutečnou naměřenou rychlost pomocí principů-mechaniky tekutin; to znamená, že při měření objemovým průtokoměrem se zavádí korekční faktor průtoku{11}}.
Vzhledem ke složitosti stavů proudění-tekutin v potrubích je výsledné rozložení rychlosti také složité. Současný výzkum se omezuje především na rozložení rychlosti v ideálních podmínkách, tedy rozložení rychlosti při laminárním proudění a plně rozvinutém turbulentním proudění v hladkých potrubích. Laminární proudění a turbulentní proudění jsou dva základní stavy proudění tekutin v potrubí. Laminární proudění označuje stav, ve kterém částice tekutiny nemají žádný příčný pohyb a uvažuje se pouze o axiálním pohybu; turbulentní proudění označuje stav, ve kterém částice tekutiny mají jak axiální, tak příčný pohyb. Protože se charakteristiky proudění v různých stavech proudění potrubím liší, získá se různá rozložení rychlosti.
Průtokové charakteristiky tekutiny jsou společně ovlivňovány průměrnou rychlostí v potrubí, kinematickou viskozitou a průměrem potrubí, zatímco Reynoldsovo číslo ReReRe je důležitým ukazatelem pro hodnocení stavu proudění. Když 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, tekutina začíná přecházet do turbulentního stavu a tato přechodová oblast je obecně také považována za turbulentní proudění.
FAQ
Co je to ultrazvukový průtokoměr plynu-času přepravy?
Ultrazvukový průtokoměr plynu-měří průtok plynu odesíláním ultrazvukových impulsů po proudu i proti proudu a vypočítává rychlost proudění z rozdílu v časech jejich průchodu.
Jaký je rozdíl mezi jednocestnými -a více{1}}cestnými ultrazvukovými průtokoměry?
Jednocestný-průtokoměr používá jeden pár převodníků a jednu akustickou cestu, zatímco více{1}}cestný průtokoměr používá několik akustických cest v různých výškách nebo úhlech, aby bylo možné lépe zachytit profil rychlosti a zlepšit přesnost.
Proč je potřeba korekční faktor-rychlosti proudění?
Protože rozložení rychlosti v potrubí není dokonale rovnoměrné, rychlost měřená podél jedné akustické cesty není rovna průměrné průřezové -rychlosti. Tyto dva spojuje korekční faktor.
Které faktory ovlivňují přesnost měření průtoku ultrazvukem?
Mezi klíčové faktory patří zkreslení rychlostního profilu, podmínky instalace, Reynoldsovo číslo, složení plynu a rychlost zvuku, změny teploty a tlaku a chyby zpracování signálu.
