En gas-ultraljudsflödesmätare avser en flödesmätare som är installerad på en rörledning med strömmande gas och mäter gasflödet med hjälp av ultraljudsprincipen. En gas-ultraljudsflödesmätare med en enkel-väg hänvisar till en enhet som är utrustad med endast en akustisk väg, medan en gas-ultraljudsflödesmätare med två eller flera akustiska banor kallas en multi-gas-ultraljudsflödesmätare.
Hur fungerar en ultraljudsflödesmätare? Grundprincipen för att mäta flödeshastighet med en gas-ultraljudsflödesmätare är att beräkna flödeshastighet, flödeshastighet, densitet och andra parametrar för gasvätskan genom att mäta utbredningstiden för ultraljudsvågor i det gasformiga mediet. Det här kapitlet analyserar huvudsakligen funktionsprincipen för ultraljudsmätning av transittid- och faktorerna som påverkar flödesmätning, och genomför simuleringsstudier om hur man kan förbättra flödes-mätnoggrannheten, för att göra förberedelser för studiet av fler-gas-ultraljudsflödesmätmetoder- och mekanismmodellering.
Analys av driftsprincipen för transit-Ultraljudsmätning av gasflöde
Transit-tids ultraljudsgasflödes-mätmetoden är en gasflödes-mätmetod där utbrednings-tidsskillnaden mellan två ultraljudssignaler som färdas nedströms och uppströms över samma väglängd för gasen används för att bestämma den genomsnittliga gasflödeshastigheten längs den akustiska banan. När ultraljudsvågor utbreder sig i ett strömmande gasformigt medium, varierar deras utbredningshastighet med gasflödeshastigheten.
Närmare bestämt ändras utbredningshastigheten för ultraljudsvågor i samma riktning som gasflödeshastigheten: när gasflödeshastigheten ökar, ökar även hastigheten för ultraljudsvågen som utbreder sig i samma riktning; omvänt, om gasflödeshastigheten ökar medan den är motsatt ultraljudsutbredningsriktningen, kommer ultraljudshastigheten att minska i enlighet därmed.
Grundläggande struktur för ett ultraljudsrör-Flödessensor
Som visas i fig . 2.1 är två ultraljudsgivare som kan både sända och ta emot ultraljudspulser (refererade till som sonder eller givare) inbäddade på ena sidan eller på båda sidor av rörledningen. Den faktiska vägen för ultraljudssignalen mellan de sändande och mottagande omvandlarna kallas den akustiska vägen; sålunda bildar ett par omvandlare en akustisk väg. Ett ljud-sändande membran eller en del av en akustisk vågledarvägg är anordnad mellan omvandlarna och det flytande mediet. I en ultraljudsflödesmätare med enkel-väg skär vågledarlinjen mellan de två ultraljudsgivarna instrumentets axel.
Fig. 2.1 Schematiskt diagram över principen för ultraljudsflödesmätning av -transittid
Såsom visas i fig. 2.1 är rördiametern D. Det raka-linjeavståndet mellan ändytorna på givare A och B inbäddade på båda sidor av rörledningen är den akustiska-väglängden L (även kallad det akustiska avståndet L), och dess förhållande till diametern D är
Fig. 2.1 Geometrisk relation mellan akustisk-väglängd och rördiameter-transittid ultraljudsflödesmätare
där φ är den akustiska banans lutningsvinkel, dvs vinkeln mellan den akustiska banan och röraxeln. Lutningsvinkeln för den akustiska banan är också infallsvinkeln för ultraljudsvågen. Infallsvinkeln φ påverkas av ljudhastigheten i vätskan, samt av ljudhastigheten i kilen och i rör-väggmaterialet.
I allmänhet är variationen av ljudhastighet med temperatur i fasta material mindre än i gasformiga material. När temperaturvariationen inte är stor kan kilens och rörets väggmaterials inverkan på mätnoggrannheten försummas; men när temperaturvariationsområdet är stort måste den stora förändringen i ljudhastigheten i kilen och rör-väggmaterialen korrigeras.
För en givare med en infallsvinkel på 30 grader är överföringskoefficienten relativt hög, energiförlusten liten och den erforderliga exciteringsspänningen är låg. En sådan givare är lämplig för handhållna ultraljudsflödesmätare som inte är lämpliga för att använda en AC-strömförsörjning. En givare med en infallsvinkel på 45 grader har en relativt låg överföringskoefficient men kan anta ett större givarechip och högre excitationsspänning, och är därför lämplig för fasta ultraljudsflödesmätare eller de som kan använda växelström.
Driftsprincip för transit-Ultraljudsmätning av gasflöde
Transit-tids ultraljudsgasflödes-teknik bestämmer den axiella medelflödeshastigheten Vz på planet som bildas av den akustiska banan och axeln, genom att mäta tidsskillnaden mellan ultraljudsvågor som utbreder sig nedströms och uppströms i det gasformiga mediet. Transittiderna för ultraljudsvågor skiljer sig i nedströms och uppströms riktningar. Nedströms transittiden är:
Fig. 2.2 Nedströms ultraljudstransit-tidsekvation
och uppströms transittiden är
Fig. 2.3 Uppströms ultraljudstransit-tidsekvation
där C är ljudhastigheten för ultraljudsvågor i den stationära uppmätta vätskan, dvs ljudets hastighet; Vz är den genomsnittliga flödeshastigheten för vätskan i axiell riktning på planet som bildas av ultraljudsbanan och röraxeln, även kallad banans-medelhastighet.
När påverkan av ljud-hastighetsvariation på grund av den interna rörmiljön inte beaktas, är uttrycket för banans-medelhastighet
Fig. 2.4 Uttryck för banans-genomsnittliga axialhastighet
Genom att mäta nedströms transittiden tD och uppströms transittiden tU för ultraljudsvågen erhålls tidsskillnaden mellan uppströms och nedströms utbredning som
Fig. 2.5 Definition av tidsskillnad uppströms–nedströms-
Genom att använda metoden transittid- kan vägens-medelhastighet för en akustisk väg erhållas. Baserat på medelhastigheterna för olika akustiska banor, och med hjälp av lämpliga algoritmer, kan medelhastigheten vinkelrätt mot hela tvärsnittet beräknas, vilket kallas volym-medelhastigheten V.
Metoden för att mäta rörledningsvätskans (volym) medelhastighet V genom att mäta transittidsskillnaden- mellan uppströms och nedströms ultraljudsutbredning kallas för mätmetoden för transit-tidsultraljudsflöde-. En flödesmätare som mäter rörledningens vätskeflöde med hjälp av transit-tidsultraljudsmetoden kallas en transittid-ultraljudsflödesmätare.
Förhållandet mellan banans-medelhastighet på den akustiska vägen för en ultraljudsflödesmätare för transittid- och volymgenomsnittet- i rörledningen är
Fig. 2.6 Definition av flödes-hastighetskorrektionsfaktor
där K kallas flödes-hastighetskorrektionsfaktorn. Korrektionsfaktorn för flöde-hastighet härleds från den matematiska modellen av hastighetsfördelningsprofilen i mätsektionen av flödesmätaren. Enligt gasflödesregimen i rörledningen kan flödes-hastighetskorrektionsfaktorn erhållas. Således, från ekvationerna (2.4) och (2.6), är den genomsnittliga gashastigheten i rörledningen
Fig. 2.7 Relation mellan rörets-medelhastighet och banans-medelhastighet
Den volymetriska flödeshastigheten kan erhållas från ekvation (2.7) som
Fig. 2.8 Volumetrisk flödesekvation-
där A är rörets tvärsnittsarea-.
Efter tryck- och temperaturkompensation av den volymetriska flödeshastigheten kan massflödeshastigheten erhållas som
Fig. 2.9 Massflöde-hastighetsekvation med tryck–temperatur–kompressibilitetskorrigering
där Z är gaskompressibilitetsfaktorn; P0 och P är tryckparametrarna vid standardförhållanden respektive faktiska förhållanden; T0 och T är temperaturvärdena vid standardförhållanden respektive faktiska förhållanden; och ρ0 är densiteten hos det gasformiga mediet under standardförhållanden.
När väl flödeshastigheten har erhållits kan volymen vätska som passerar genom ett rör med en given diameter under en viss period beräknas. Flödesvolymen F som passerar genom röret på 1 timme är 79:
Fig. 2.10 Vätskevolym per timme genom röret baserat på transit-tidsmätning-transittid ultraljudsflödesmätare arbetsprincip
Grundläggande funktionsprincip för multi-Ultraljudsmätning av gasflöde
Gas-ultraljudsflödesmätare kan delas in i enkel-vägs- och multi-vägstyper, som båda är baserade på transittidsprincipen- för ultraljudsflödesmätning. För närvarande, bland liknande produkter utomlands, kan antalet akustiska vägar vara så många som sex. I en ultraljudsflödesmätare med flera-vägar representerar ViV_iVi banans-medelhastighet på den iii-:e akustiska banan. Den erhålls genom att mäta nedströms och uppströms ultraljudstransittider, beräkna tidsskillnaden mellan dem och sedan beräkna den{10}}väggenomsnittliga hastigheten.
Enligt förhållandet mellan banans-medelhastigheter för varje akustisk väg och flödes-hastighetskorrektionsfaktorerna, kan volymen-genomsnittlig gashastighet i rörledningen uppskattas som
Fig. 2.11 Fler-vägs viktad medelhastighetsekvation-hur ultraljudsflödesmätare fungerar
där WiW_iWi är viktningskoefficienten för varje akustisk väg, och dess värde beror på vilken integrationsalgoritm som används.
Fig. 2.12 Fler-volymflödes-hastighetsekvation-ultraljudsflödesmätare hur det fungerar
I teorin gäller att ju fler akustiska vägar det finns, desto högre bör mätnoggrannheten vara. Praktisk erfarenhet har dock visat att när antalet akustiska banor över tvärsnittet når fyra, bidrar en ytterligare ökning av antalet banor mycket lite till att förbättra noggrannheten, samtidigt som tillverkningskostnaderna ökar avsevärt.
Analys av faktorer som påverkar ultraljudsmätning av gasflöde
Enligt formlerna för beräkning av flödes-hastighet och flödeshastighet- för gasultraljudsflödesmätare är flödeshastigheten eller flödeshastigheten relaterad till flera aspekter, såsom de geometriska parametrarna för mätröret, flödes-hastighetskorrektionsfaktorn (eller viktningskoefficienten) och de uppmätta värdena för ultraljudsutbredningstid. Följande analys utförs utifrån dessa aspekter.
Korrigering av flödet-Hastighetsfaktor och förbättring av mätnoggrannhet
I den ovannämnda -transittidsgas-ultraljudsflödesmätaren är studien baserad på det idealiska tillståndet där banans-medelhastighet är jämnt fördelad över rörtvärsnittet. I praktiska situationer, på grund av den o-jämna hastighetsfördelningen av vätskan över rörtvärsnittet-, är hastigheten som erhålls genom beräkning faktiskt banans-medelhastighet längs riktningen för ultraljuds utbredning och den axiella riktningen, erhållen från den uppmätta ultraljudstransiteringstidsskillnaden-. Den slutliga beräknade volymetriska flödeshastigheten kommer oundvikligen att ge fel. För att säkerställa mätnoggrannheten är det nödvändigt att fastställa förhållandet mellan de två och att korrigera den faktiska uppmätta hastigheten med hjälp av vätskemekaniska principer; det vill säga en flödeskorrektionsfaktor K införs när man mäter med en volymetrisk flödesmätare.
På grund av komplexiteten i vätskeflödet- i rörledningar är de resulterande hastighetsfördelningarna också komplexa. Nuvarande forskning är huvudsakligen begränsad till hastighetsfördelningen under ideala förhållanden, det vill säga hastighetsfördelningen under laminärt flöde och fullt utvecklat turbulent flöde i släta rör. Laminärt flöde och turbulent flöde är två grundläggande flödestillstånd för vätskor i rör. Laminärt flöde avser det tillstånd i vilket vätskepartiklar inte har någon tvärgående rörelse och endast axiell rörelse beaktas; turbulent flöde hänvisar till det tillstånd i vilket vätskepartiklar har både axiell och tvärgående rörelse. Eftersom flödesegenskaperna skiljer sig under olika rörledningsflödestillstånd erhålls olika hastighetsfördelningar.
En vätskas flödesegenskaper påverkas gemensamt av medelhastigheten i röret, den kinematiska viskositeten och rördiametern, medan Reynolds-talet ReReRe är ett viktigt index för att utvärdera flödestillståndet. När 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 börjar vätskan övergå till ett turbulent tillstånd, och detta övergångsområde behandlas i allmänhet också som turbulent flöde.
FAQ
Vad är en ultraljudsgasflödesmätare för-transittid?
En ultraljudsgasflödesmätare för transittid- mäter gasflödet genom att skicka ultraljudspulser både nedströms och uppströms och beräkna flödeshastigheten utifrån skillnaden i deras transittider.
Vad är skillnaden mellan ultraljudsflödesmätare med enkel-väg och fler-väg?
En flödesmätare för en enkel-väg använder ett par givare och en akustisk väg, medan en flödesmätare med flera-vägar använder flera akustiska banor i olika höjder eller vinklar för att bättre fånga hastighetsprofilen och förbättra noggrannheten.
Varför behövs en flödes-hastighetskorrigeringsfaktor?
Eftersom hastighetsfördelningen i ett rör inte är helt likformig, är hastigheten uppmätt längs en enstaka akustisk bana inte lika med tvärsnittets-medelhastighet. En korrektionsfaktor kopplar samman de två.
Vilka faktorer påverkar ultraljudsmätningen av gasflödet?
Nyckelfaktorer inkluderar distorsion av hastighetsprofilen, installationsförhållanden, Reynolds nummer, gassammansättning och ljudhastighet, temperatur- och tryckförändringar och signalbehandlingsfel.
