Gaasi ultraheli voolumõõtur on voolumõõtur, mis paigaldatakse voolava gaasiga torujuhtmele ja mõõdab gaasivoolu ultraheli põhimõttel. Ühetee-gaasi ultrahelivoolumõõtur viitab seadmele, mis on varustatud ainult ühe akustilise rajaga, samas kui kahe või enama akustilise rajaga gaasi ultrahelivoolumõõturit nimetatakse mitme-tee gaasi ultrahelivoolumõõturiks.
Kuidas ultraheli voolumõõtur töötab?Gaasi ultraheli voolumõõturiga voolukiiruse mõõtmise põhiprintsiip on gaasivedeliku voolukiiruse, voolukiiruse, tiheduse ja muude parameetrite arvutamine, mõõtes ultrahelilainete levimisaega gaasilises keskkonnas. Selles peatükis analüüsitakse peamiselt transiidi-aja ultrahelivooluhulga mõõtmise tööpõhimõtet ja vooluhulga mõõtmist mõjutavaid tegureid ning tehakse simulatsiooniuuringuid, kuidas parandada vooluhulga-mõõtmise täpsust, et teha ettevalmistusi mitme-teekonnagaasi ultrahelivoolu{4}}mõõtmismeetodite ja mehhanismide modelleerimise uurimiseks.
Transiidi{0}}aja ultraheli gaasivoolu mõõtmise tööpõhimõtte analüüs
Transiidiaja-ultraheli gaasivoolu-mõõtmismeetod on gaasivoolu-mõõtmismeetod, mille puhul gaasi sama teepikkuse jooksul kasutatakse kahe allavoolu ja ülesvoolu liikuva ultrahelisignaali levimisaja erinevust, et määrata gaasivoolu keskmine kiirus piki akustilist rada. Kui ultrahelilained levivad voolavas gaasilises keskkonnas, muutub nende levimiskiirus sõltuvalt gaasivoolu kiirusest.
Täpsemalt öeldes muutub ultrahelilainete levimiskiirus gaasivoolu kiirusega samas suunas: gaasivoolu kiiruse suurenemisel suureneb vastavalt ka samas suunas leviva ultrahelilaine kiirus; vastupidi, kui gaasivoolu kiirus suureneb, olles samal ajal vastupidine ultraheli levimissuunale, väheneb ultraheli kiirus vastavalt.
Ultraheli toru{0}}vooluanduri põhistruktuur
Nagu on näidatud joonisel. 2.1, on kaks ultraheliandurit, mis on võimelised nii ultraheliimpulsse edastama kui ka vastu võtma (mida nimetatakse sondideks või anduriteks), on manustatud torujuhtme ühele või mõlemale küljele. Ultrahelisignaali tegelikku teed edastava ja vastuvõtva muunduri vahel nimetatakse akustiliseks teeks; seega moodustab anduripaar ühe akustilise tee. Heli-edastav membraan või osa akustilise lainejuhi seinast on paigutatud muundurite ja vedela keskkonna vahele. Ühetee{5}}ultrahelivoolumõõturis lõikub kahe ultrahelimuunduri vaheline lainejuhijoon instrumendi teljega.
Joonis. 2.1 Transiidi-aja ultrahelivoolu mõõtmise põhimõtte skemaatiline diagramm
Nagu on näidatud joonisel. 2.1, on toru läbimõõt D. Toru mõlemale küljele paigaldatud andurite A ja B otspindade sirge-vahemaa on akustilise-tee pikkus L (nimetatakse ka akustiliseks kauguseks L) ja selle seos läbimõõduga D on
Joonis. 2.1 Geomeetriline seos akustilise-tee pikkuse ja toru läbimõõdu-transiidiaja vahel ultraheli voolumõõtur
kus φ on akustilise tee kaldenurk, st nurk akustilise tee ja toru telje vahel. Akustilise tee kaldenurk on ka ultrahelilaine langemisnurk. Langemisnurka φ mõjutab helikiirus vedelikus, samuti helikiirus kiilus ja toruseina materjalis.
Üldiselt on tahkete materjalide helikiiruse muutus temperatuurist väiksem kui gaasilistes materjalides. Kui temperatuuri kõikumine ei ole suur, võib kiilu ja toruseina materjalide mõju mõõtmise täpsusele tähelepanuta jätta. aga kui temperatuuri kõikumine on suur, tuleb korrigeerida helikiiruse suurt muutust kiilu ja toru{2}}seina materjalides.
Anduri puhul, mille langemisnurk on 30 kraadi, on ülekandetegur suhteliselt kõrge, energiakadu väike ja vajalik ergutuspinge madal. Selline muundur sobib käeshoitavatele ultraheli vooluhulgamõõturitele, mis ei ole vahelduvvoolu toiteallika kasutamiseks mugavad. 45-kraadise langemisnurgaga muunduril on suhteliselt madal ülekandetegur, kuid see võib kasutada suuremat andurikiipi ja kõrgemat ergutuspinget ning sobib seetõttu fikseeritud ultrahelivoolumõõturitele või nendele, mis kasutavad vahelduvvoolu toiteallikat.
Transiidi{0}}ajalise gaasivoolu ultraheli mõõtmise tööpõhimõte
Transiidi-aja ultraheligaasivoolu-mõõtmistehnoloogia määrab aksiaalse keskmise voolukiiruse Vz akustilise tee ja telje poolt moodustatud tasapinnal, mõõtes gaasilises keskkonnas allavoolu ja ülesvoolu levivate ultrahelilainete ajavahet. Ultrahelilainete transiidiajad erinevad alla- ja ülesvoolu suunal. Allavoolu transiidiaeg on:
Joonis. 2.2 Allavoolu ultrahelitransiidi-aja võrrand
ja ülesvoolu transiidiaeg on
Joonis. 2.3 Ultraheli ülesvoolu transiidi-aja võrrand
kus C on ultrahelilainete helikiirus statsionaarses mõõdetavas vedelikus ehk heli kiirus; Vz on vedeliku keskmine voolukiirus aksiaalsuunas ultraheli teekonna ja toru telje poolt moodustatud tasapinnal, mida nimetatakse ka tee{2}}keskmiseks kiiruseks.
Kui heli{0}}kiiruse varieerumise mõju toru sisekeskkonnast ei võeta arvesse, on teekonna-keskmise kiiruse avaldis
Joonis. 2.4 Teekonna-keskmise teljesuunalise kiiruse avaldis
Mõõtes ultrahelilaine allavoolu transiidiaega tD ja ülesvoolu transiidiaega tU, saadakse ülesvoolu ja allavoolu levimise ajavahe järgmiselt:
Joonis. 2.5 Ülesvoolu ja allavoolu transpordi{1}}aja erinevuse määratlus
Transiidi-aja meetodit kasutades saab ühe akustilise teekonna keskmise kiiruse-. Erinevate akustiliste radade keskmiste kiiruste põhjal ja sobivaid algoritme kasutades saab arvutada kogu ristlõikega -risti keskmise kiiruse, mida nimetatakse ruumala-keskmiseks kiiruseks V.
Meetodit torujuhtme vedeliku (mahu) keskmise kiiruse V mõõtmiseks, mõõtes ülesvoolu ja allavoolu ultraheli levimise{0}}transiidiaja erinevust, nimetatakse transiidi-aja ultrahelivoolu{2}}mõõtmise meetodiks. Voolumõõturit, mis mõõdab torujuhtme vedeliku voolu transiidi-aja ultraheli meetodil, nimetatakse transiidi-aja ultraheli vooluhulgamõõturiks.
Transiidiaja ultraheli vooluhulgamõõturi-keskmise kiiruse-akustilisel teel ja torujuhtme mahu-keskmise kiiruse vahel on seos
Joonis. 2.6 Voolu-kiiruse parandusteguri määratlus
kus K nimetatakse voolu{0}}kiiruse parandusteguriks. Voolu -kiiruse parandustegur tuletatakse vooluhulgamõõturi mõõteosa kiiruse jaotusprofiili matemaatilisest mudelist. Vastavalt gaasivoolu režiimile torujuhtmes on võimalik saada voolu-kiiruse parandustegur. Seega võrrandite (2.4) ja (2.6) põhjal on gaasi keskmine kiirus torujuhtmes
Joonis. 2.7 Toru-keskmise kiiruse ja tee-keskmise kiiruse vaheline seos
Mahulise voolukiiruse saab saada võrrandist (2.7) as
Joonis. 2.8 Mahuvoolu-kiiruse võrrand
kus A on toru{0}}ristlõikepindala.
Pärast mahulise vooluhulga rõhu ja temperatuuri kompenseerimist saab massivoolukiiruse saada järgmiselt
Joonis. 2.9 Massivoolu-kiiruse võrrand rõhu-temperatuuri-kokkusurutavuse korrektsiooniga
kus Z on gaasi kokkusurutavustegur; P0 ja P on vastavalt rõhuparameetrid standardtingimustes ja tegelikes tingimustes; T0 ja T on vastavalt temperatuuri väärtused standardtingimustes ja tegelikes tingimustes; ja ρ0 on gaasilise keskkonna tihedus standardtingimustes.
Kui voolukiirus on saavutatud, saab arvutada teatud aja jooksul teatud läbimõõduga toru läbiva vedeliku mahu. Toru läbiv vooluhulk F 1 tunni jooksul on 79:
Joonis. 2.10 Torust läbiva vedeliku tunnis, mis põhineb transiidi-aja mõõtmisel-transiidiaja ultraheli voolumõõturi tööpõhimõttel
Mitmetee{0}}ultraheli gaasivoolu mõõtmise tööpõhimõte
Gaasi ultrahelivooluhulgamõõturid võib jagada ühe-tee ja mitme-tee tüüpideks, mis mõlemad põhinevad ultrahelivoolu mõõtmise transiidi-aja põhimõttel. Praegu võib välisriikides sarnaste toodete hulgas olla akustiliste radade arv kuni kuus. Mitmerajalises ultrahelivoolumõõturis tähistab ViV_iVi tee{7}}keskmist kiirust iii-ndal akustilisel teel. Selle saamiseks mõõdetakse alla- ja ülesvoolu ultraheli transiidiaegu, arvutatakse nendevaheline ajavahe ja arvutatakse seejärel tee{10}}keskmine kiirus.
Vastavalt seosele iga akustilise teekonna tee-keskmiste kiiruste ja voolu-kiiruse parandustegurite vahel saab torujuhtme mahu-keskmist gaasikiirust hinnata järgmiselt
Joonis. 2.11 Mitme teekonnaga
kus WiW_iWi on iga akustilise tee kaalukoefitsient ja selle väärtus sõltub vastuvõetud integreerimisalgoritmist.
Joonis
Teoreetiliselt, mida rohkem on akustilisi teid, seda suurem peaks olema mõõtmistäpsus. Praktiline kogemus on aga näidanud, et kui akustiliste radade arv läbi-läbilõike jõuab neljani, ei aita teede arvu edasine suurendamine täpsust parandada, suurendades samal ajal oluliselt tootmiskulusid.
Ultraheli gaasivoolu mõõtmist mõjutavate tegurite analüüs
Gaasi ultraheli vooluhulgamõõturite voolu-kiiruse ja voolu-kiiruse arvutamise valemite kohaselt on voolukiirus või voolukiirus seotud mitme aspektiga, nagu mõõtetoru geomeetrilised parameetrid, voolu-kiiruse parandustegur (või kaalukoefitsient) ja ultraheli levimisaja mõõdetud väärtused. Nendest aspektidest lähtudes tehakse järgmine analüüs.
Voolu{0}}kiirusteguri korrigeerimine ja mõõtmistäpsuse parandamine
Eespool nimetatud transiidi{0}}gaasi ultrahelivooluhulgamõõturi puhul põhineb uuring ideaalsel olekul, kus tee-keskmine kiirus on ühtlaselt jaotunud toru-ristlõikel. Praktilistes olukordades on vedeliku ebaühtlase kiiruse jaotuse tõttu toru ristlõikel arvutamisel saadud kiirus tegelikult ultraheli levimissuuna ja aksiaalsuuna keskmine kiirus, mis saadakse mõõdetud ultraheli transiidi{7}}aja erinevusest. Lõplik arvutatud mahuline voolukiirus põhjustab paratamatult vigu. Mõõtmistäpsuse tagamiseks on vaja kindlaks määrata nende kahe seos ja korrigeerida tegelik mõõdetud kiirus, kasutades vedeliku{10}mehaanika põhimõtteid. see tähendab, et mahulise vooluhulgamõõturiga mõõtmisel võetakse kasutusele vooluhulga{11}}parandustegur K.
Torujuhtmete vedeliku-voolu olekute keerukuse tõttu on ka kiiruse jaotused keerulised. Praegused uuringud piirduvad peamiselt kiiruse jaotusega ideaalsetes tingimustes, st kiiruse jaotusega laminaarses voolus ja täielikult arenenud turbulentses voolus siledates torudes. Laminaarne vool ja turbulentne vool on kaks põhilist vedelike voolu olekut torudes. Laminaarne vool viitab olekule, milles vedelikuosakestel ei ole põikisuunalist liikumist ja arvestatakse ainult aksiaalset liikumist; turbulentne vool viitab olekule, milles vedelikuosakesed liiguvad nii teljesuunaliselt kui ka põikisuunaliselt. Kuna vooluomadused erinevad torujuhtme erinevate vooluolekute korral, saadakse erinevad kiiruse jaotused.
Vedeliku vooluomadusi mõjutavad ühiselt keskmine kiirus torus, kinemaatiline viskoossus ja toru läbimõõt, samas kui Reynoldsi arv ReReRe on oluline näitaja voolu oleku hindamisel. Kui 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 hakkab vedelik üle minema turbulentsesse olekusse ja seda üleminekupiirkonda käsitletakse üldiselt ka turbulentse vooluna.
KKK
Mis on transiidiaja{0}}ultraheli gaasivoolumõõtur?
Transiidi-aja ultraheligaasi voolumõõtur mõõdab gaasivoolu, saates ultraheliimpulsse nii alla- kui ka ülesvoolu ning arvutab voolukiiruse nende transiidiaegade erinevuse põhjal.
Mis vahe on ühe{0}}tee ja mitme-tee ultrahelivoolumõõturitel?
Ühe-tee voolumõõtur kasutab üht paari andureid ja ühte akustilist rada, samas kui mitme rajaga voolumõõtur kasutab mitut erineva kõrguse või nurga all olevat akustilist rada, et paremini tabada kiirusprofiili ja parandada täpsust.
Miks on voolu{0}}kiiruse parandustegurit vaja?
Kuna kiiruse jaotus torus ei ole täiesti ühtlane, ei ole ühel akustilisel teel mõõdetud kiirus võrdne{0}}ristlõike keskmise kiirusega. Parandustegur ühendab need kaks.
Millised tegurid mõjutavad ultraheli gaasivoolu mõõtmise täpsust?
Peamised tegurid hõlmavad kiirusprofiili moonutusi, paigaldustingimusi, Reynoldsi arvu, gaasi koostist ja helikiirust, temperatuuri ja rõhu muutusi ning signaali töötlemise vigu.
