Välise klambriga ultrahelivoolumõõturi simulatsiooniuuring
Välise simulatsiooniuuringklambriga kinniultraheli voolumõõturhõlmab vooluhulgamõõturi tööpõhimõtte ja jõudluse modelleerimist ja simuleerimist, et optimeerida selle konstruktsiooni, parandada mõõtmistäpsust või hinnata selle toimivust erinevates töötingimustes.
Numbriline simulatsiooni modelleerimine
Vedeliku voolu ja ultrahelilainete levimise matemaatiliste mudelite, sealhulgas vedeliku dünaamika võrrandite ja akustiliste võrrandite koostamiseks kasutatakse numbrilist simulatsioonimodelleerimist. Vedeliku voolu modelleerimiseks kasutatakse CFD (Computational Fluid Dynamics) tööriistu. Need tööriistad võivad simuleerida turbulentsi, voolukiiruse jaotust jne ning analüüsida ultrahelilainete levimise mõju. CFD põhjal tehakse akustiline analüüs, et simuleerida ultraheli signaali levikut ja peegeldust. Selle lõpuleviimiseks saab kasutada akustilist simulatsioonitarkvara (nagu COMSOL Multiphysicsi akustiline moodul). Ultrahelianduri struktuuri lõplike elementide analüüs (FEA) viiakse läbi, et mõista selle toimivust erinevates tingimustes. FEA aitab analüüsida soojuspaisumise, vibratsiooni jms mõju mõõtmistulemustele. Anduri ja torujuhtme vahelist kontakti võetakse simulatsioonis arvesse, et hinnata selle mõju ultraheliülekandele.
Laboratoorsed kontrollid ja optimeerimine
Laboris kasutatakse tegelikuks vooluhulga mõõtmiseks voolu katsestendi ning tulemusi võrreldakse simulatsiooni tulemustega, et kontrollida simulatsioonimudeli täpsust. Simulatsioonimudeli parameetreid kohandatakse katsetulemuste põhjal, et parandada prognoosimise täpsust. Simulatsiooni abil optimeeritakse anduri asukohta, kinnituse konstruktsiooni ja paigaldusmeetodit, et parandada mõõtmise täpsust ja stabiilsust. Õigesti järgideskinnitage ultraheli voolumõõturi paigaldamise juhisedon selle optimeerimisprotsessi käigus ülioluline, kuna vale paigaldamine võib mõõtmiste täpsust oluliselt mõjutada. Simulatsioonis simuleeritakse erinevaid rikketingimusi (nt mullid, tahked osakesed), et hinnata nende mõju voolumõõturi toimimisele. Katseprotsessi käigus tuleb arvestada vedeliku füüsikaliste omadustega (nagu temperatuur ja rõhk), kuna need omadused mõjutavad ultrahelilainete levimise kiirust. Lisaks võivad ultrahelisignaali kvaliteeti mõjutada müra ja häired reaalses keskkonnas, mis nõuab ka signaalitöötlusalgoritmide optimeerimist simulatsioonide ja katsete abil.
COMSOLi multifüüsika simulatsioonianalüüs
Võttes mudeli ehitamise ja simulatsioonianalüüsi näitena tarkvara COMSOL Multiphysics 5.6, saab simulatsioonide abil analüüsida erinevate nurkade, torujuhtme materjalide, torude läbimõõtude, ultraheli sageduste ja paigaldusmeetodite mõju ultrahelilainete levimisele. Ultrahelivoolu mõõtmise mudeli skemaatiline diagramm on näidatud joonisel 3.6. 3D-mudeli lahenduse arvutusliku efektiivsuse parandamiseks kasutame tavaliselt sümmeetriat, et simuleerida pool kanalit, et esindada kogu mudelit. Mudeli ehitamise käigus tuleks arvesse võtta torujuhtmete erinevate materjalide mõju ultraheli murdumisnurgale, samuti kahe erineva toru läbimõõduga paigaldatud muunduri erinevaid horisontaalseid nihkekaugusi.
Joonis 3.6 Ultraheli voolumõõtmise mudeli ehituse skemaatiline diagramm
Anduri paigaldusmeetodid
Erinevate torude läbimõõtude mõõtmise üldnõuete täitmiseks tuleks ultraheli vooluhulga mõõtmisel kasutada ultraheliandurite erinevaid töösagedusi ja erinevaid andurite paigaldusmeetodeid. TheKlamber tüüpi ultraheli voolumõõturi külgepakub selles osas erilisi eeliseid, kuna võimaldab mitteinvasiivset paigaldust, ilma torude lõikamise või protsessi seiskamiseta. Levinud installimeetodid hõlmavad V-kuju, Z-kuju, N-kuju ja W-kuju. Et uurida erinevate andurite paigaldusmeetodite mõju ultrahelilainete levimissignaalidele, on vaja läbi viia vastavad uuringud. Selles artiklis kasutatakse demonstratsiooni näitena peamiselt Z-kujuanduri paigaldusmeetodi modelleerimise simulatsiooni.
Katkendlik Galerkini meetod ja võrgujaotus
COMSOL Multiphysics 5.6-s kasutatakse liidesemoodulit "Konvektsioonivõrrand, ajadomeeni selgesõnaline" ja vaikimisi moodustab see osa kvartfunktsioonidega valemist. Laineprobleemide lahendamisel on katkendlik Galerkini meetod osutunud tõhusaks meetodiks. Katkendliku Galerkini meetod lihtsustab ruudustiku jagamise probleemi suurtes mudelites, võimaldades kasutada poole-lainepikkusega vabu tetraeedrivõrke ja lõpuks lahendada kogu mudeli. Tegeliku ruudustiku jaotuse korral määrame sobiva ruumilise eraldusvõime saamiseks tavaliselt ruudustiku elemendi suuruse mis tahes väärtusele vahemikus pool lainepikkust kuni kahe{5}}kolmandiku lainepikkusest. Aja{7}}domeeni selgesõnalise lahendaja kasutamisel kontrollib sisemist ajasammu suurust rangelt tarkvara COMSOL, seega juhib ajasammu mudeli väikseim ruudustikuelement. Vabade tetraeedriliste võreelementide seadistamisel tuleb kontrollida elementide maksimaalset ja minimaalset suurust. Programmis COMSOL Multiphysics 5.6 valitakse domeeni "Convection Equation" time{11}}eksplitsiitse liidese jaoks sisemine ajaetapp automaatselt ruudustiku täpsustustaseme ja füüsikaliste omaduste põhjal. Joonisel 3.7 on kujutatud ruudustiku jaotus taustavoolu kiiruse ja akustika uurimiseks Z-shape paigaldusmeetodi abil.
a) Taustavoolu kiirus b) Akustika
Joonis 3.7 Võrgujaotus taustvoolukiiruse ja akustika uurimiseks erinevatel aegadel
Füüsilise välja konfiguratsioon
Pärast mudeli koostamist tuleb määrata füüsilised väljad. Torujuhtme vedeliku domeen on seatud laminaarse või turbulentse voolu füüsikaliseks väljaks, et simuleerida torujuhtmes olevat vedelikku tegeliku kasutamise ajal; gaasijuhtme vedeliku domeen, torujuhe ja andurid torujuhtme mõlemal küljel on seatud ultrahelilainete leviku simuleerimiseks füüsiliseks väljaks "Convection Equation, Time Domain Explicit". Füüsilise välja seadistuses "Convection Equation, Time Domain Explicit" on torujuhtme otsad defineeritud impedantsi piiridena arvutuse kärpimiseks. Laminaarsetes või turbulentsetes simulatsioonides on vedeliku sisselaskeava vasakul ja vedeliku väljalaskeava paremal. Arihm pealeultraheli voolumõõturkonfiguratsioon määratakse torujuhtme alumisele küljele paigaldatud ultrahelisaatjaga ja ülemisele küljele paigaldatud vastuvõtjaga. Ultrahelilainete kiirgamiseks rakendatakse saatja otsas normaalset kiirust.
Vedeloleku modelleerimine ja analüüs
Kui kasutate ultrahelivoolu mõõtmise simulatsioonide jaoks tarkvara COMSOL Multiphysics 5.6, tuleb kõigepealt modelleerida ja analüüsida torujuhtme vedeliku olekut. Võttes näiteks PVC toru välisläbimõõduga 15 mm ja seinapaksusega 0,75 mm, viidi läbi laminaarne ja turbulentse simulatsioonid. Need simulatsioonid on olulised, et mõista, kuidasultraheli rihm voolumõõturiltoimib erinevates voolutingimustes. Laminaarse voolu simulatsioon kasutab COMSOL Multiphysics 5.6 moodulit "Laminar Flow" füüsilise välja seadistamiseks ja turbulentse voolu simulatsioon kasutab moodulit "Turbulent Flow, k-ω". Joonis 3.8 näitab taustavoolu kiiruse suurust laminaarsetes ja turbulentsetes tingimustes.
Jooniselt 3.8 on näha, et laminaarse voolu tingimustes on voolukiirus torujuhtme igas osas peaaegu ühtlane, lähedane taustvedeliku keskmisele voolukiirusele. Diagrammi järgi näitab torujuhtme keskel olev sügavam värv suuremat voolukiirust.
(a) Laminaarne vool (b) Turbulentne vool
Joonis 3.8 Taustavoolu kiiruse suurus erinevates vedeliku olekutes
Tausta voolukiiruse analüüs
Voolukiiruse selgemaks kuvamiseks torujuhtme igas osas valiti voolukiiruse taustakõvera joonistamiseks torujuhtme osa. Joonis 3.9 näitab taustavoolu kiiruse kõveraid laminaarse ja turbulentse voolu tingimustes.
15 mm välisläbimõõduga ja 0,75 mm seinapaksusega PVC toru puhul viidi läbi simulatsioonianalüüs. Simulatsiooni tulemused "Laminar Flow" moodulit kasutades on näidatud joonisel 3.9(a). On näha, et laminaarse voolu olekus toimub voolukiiruse üleminek toru pinnal ainult 5 mm vahemikus, samas kui voolukiirus teistes kohtades on umbes 10 m/s, mis näitab, et vedelikul tekib toruseina lähedal toru hõõrdumise tõttu voolupidurdus. Seevastu simulatsiooni tulemused, kasutades moodulit "Turbulent Flow, k-ω", on näidatud joonisel 3.9(b). Näha on, et keskmise voolukiiruse 10 m/s korral on voolukiirus toruseina lähedal umbes 4,5 m/s ja voolukiirus torujuhtme keskel võib ulatuda ligikaudu 12,2 m/s, kusjuures voolukiiruse jaotus moodustab paraboolse kuju.
a) Laminaarne vool
b) Turbulentne vool
Joonis 3.9 Taustavoolukiiruse kõverad erinevate vedeliku olekute all
