Ултразвучни мерач протока гаса се односи на мерач протока који је инсталиран на цевоводу са протоком гаса и мери проток гаса помоћу ултразвучног принципа. Једно-гасни ултразвучни мерач протока гаса се односи на уређај опремљен само једном акустичном путањом, док се ултразвучни гасни мерач протока са два или више акустичних путева назива више- ултразвучни гасни мерач протока са више путања.
Како ради ултразвучни мерач протока? Основни принцип за мерење брзине протока помоћу ултразвучног мерача протока гаса је израчунавање брзине протока, протока, густине и других параметара гасног флуида мерењем времена ширења ултразвучних таласа у гасовитом медију. Ово поглавље углавном анализира принцип рада ултразвучног мерења протока-временског пролаза и факторе који утичу на мерење протока и спроводи симулационе студије о томе како да се побољша -тачност мерења протока, како би се извршиле припреме за проучавање више{3}}метода ултразвучног протока гаса са више путања{4}}и моделирање механизама.
Анализа принципа рада транзитног-временског ултразвучног мерења протока гаса
Метода мерења -временског ултразвучног тока гаса-метода је метода мерења протока гаса-у којој се, на истој дужини путање гаса, временска разлика-простора између два ултразвучна сигнала која путују низводно и узводно користи за одређивање просечне брзине струјања гаса дуж акустичке путање. Када се ултразвучни таласи шире у гасовитом медијуму који тече, њихова брзина простирања варира са брзином протока гаса.
Тачније, брзина простирања ултразвучних таласа се мења у истом смеру као и брзина протока гаса: када се брзина протока гаса повећава, брзина ултразвучног таласа који се шири у истом правцу такође се повећава у складу са тим; обрнуто, ако се брзина протока гаса повећава док је супротна смеру ширења ултразвука, ултразвучна брзина ће се сходно томе смањити.
Основна структура ултразвучног цевног{0}}сензора протока
Као што је приказано на слици. 2.1, два ултразвучна претварача која могу и да емитују и примају ултразвучне импулсе (који се називају сонде или претварачи) уграђена су на једној или на обе стране цевовода. Стварни пут ултразвучног сигнала између предајног и пријемног претварача назива се акустични пут; тако, пар претварача формира један акустички пут. Мембрана за пренос звука- или део зида акустичног таласовода постављен је између претварача и флуидног медијума. У ултразвучном мерачу протока са једном{5}}путом, таласоводна линија између два ултразвучна претварача сече осу инструмента.
Сл. 2.1 Шематски дијаграм принципа ултразвучног мерења протока-време
Као што је приказано на слици. 2.1, пречник цеви је Д. Праволинијско растојање између крајњих страна претварача А и Б уграђених на обе стране цевовода је акустична-дужина путање Л (која се такође назива акустична удаљеност Л), а њен однос са пречником Д је
Слика. 2.1 Геометријски однос између акустичне-дужине путање и пречника цеви-време транзита ултразвучног мерача протока
где је φ угао нагиба акустичке путање, односно угао између акустичке путање и осе цеви. Угао нагиба акустичне путање је такође упадни угао ултразвучног таласа. На упадни угао φ утиче брзина звука у течности, као и брзина звука у клину и у материјалу зида- цеви.
Генерално, варијација брзине звука са температуром у чврстим материјалима је мања него у гасовитим материјалима. Када варијација температуре није велика, утицај материјала клина и зида цеви{1}}на тачност мерења може се занемарити; међутим, када је опсег температурних варијација велики, велика промена брзине звука у материјалима клина и цеви{2}}мора да се исправи.
За претварач са упадним углом од 30 степени, коефицијент преноса је релативно висок, губитак енергије је мали, а потребни напон побуде је низак. Такав претварач је погодан за ручне ултразвучне мераче протока који нису погодни за коришћење АЦ напајања. Претварач са упадним углом од 45 степени има релативно низак коефицијент преноса, али може усвојити већи чип трансдуктора и већи напон побуде, и стога је погодан за фиксне ултразвучне метре протока или оне који могу да користе напајање наизменичном струјом.
Принцип рада транзитног{0}}временског ултразвучног мерења протока гаса
Технологија мерења ултразвучног протока гаса-транзитног времена- одређује просечну аксијалну брзину протока Вз на равни коју формирају акустична путања и оса, мерењем временске разлике између ултразвучних таласа који се шире низводно и узводно у гасовитом медијуму. Времена проласка ултразвучних таласа се разликују у низводном и узводном правцу. Низводно време транзита је:
Фиг. 2.2 Низводна ултразвучна{1}}једначина времена пролаза
а узводно време транзита је
Фиг. 2.3 Једначина времена пролаза{1}} узводно ултразвучног транзита
где је Ц брзина звука ултразвучних таласа у стационарном мереном флуиду, односно брзина звука; Вз је просечна брзина протока течности у аксијалном правцу у равни коју формирају ултразвучна путања и оса цеви, која се такође назива -средња брзина путање.
Када се не узме у обзир утицај -варијације брзине звука због унутрашњег окружења цеви, израз за просечну брзину{1}} пута је
Сл. 2.4 Израз за{1}}средњу аксијалну брзину на путу
Мерењем низводног транзитног времена тД и узводног транзитног времена тУ ултразвучног таласа, временска разлика између узводног и низводног ширења добија се као
Слика. 2.5 Дефиниција временске разлике узводно-низводно-
Коришћењем методе транзитног{0}}времена, може се добити просечна брзина-путања једне акустичке путање. На основу просечних брзина различитих акустичких путања, и коришћењем одговарајућих алгоритама, може се израчунати просечна брзина окомита на цео попречни- пресек, која се назива запреминска-средња брзина В.
Метода мерења средње брзине В цевоводног флуида (запремина) мерењем временске разлике-временске разлике између узводног и низводног ултразвучног ширења назива се метода мерења ултразвучног протока-временског протока-. Мерач протока који мери проток течности у цевоводу коришћењем ултразвучне методе-времене транзита назива се ултразвучни мерач протока-времена.
Однос између-просечне брзине на акустичкој путањи ултразвучног мерача протока{1}}транзитног времена и запреминске{2}}просечне брзине у цевоводу је
Сл. 2.6 Дефиниција фактора корекције{1}}брзине протока
где се К назива фактор корекције{0}}брзине протока. Фактор корекције брзине протока-изводи се из математичког модела профила расподеле брзине у мерном делу мерача протока. Према режиму струјања гаса у цевоводу, може се добити фактор корекције-брзине протока. Дакле, из једначина (2.4) и (2.6), просечна брзина гаса у цевоводу је
Слика. 2.7 Однос између-просечне брзине у цеви и путање-просечне брзине
Запремински проток се може добити из једначине (2.7) као
Слика. 2.8 Једначина запреминског протока{1}}
где је А површина{0}}попречног пресека цеви.
После компензације запреминског протока притиска и температуре, масени проток се може добити као
Слика. 2.9 Једначина масеног протока-са корекцијом притиска-температуре-стишљивости
где је З фактор компресије гаса; П0 и П су параметри притиска у стандардним и стварним условима; Т0 и Т су вредности температуре у стандардним и стварним условима, респективно; а ρ0 је густина гасовите средине у стандардним условима.
Када се добије брзина протока, може се израчунати запремина течности која пролази кроз цев датог пречника током одређеног периода. Запремина протока Ф која пролази кроз цев за 1 х је 79:
Слика. 2.10 Сатна запремина течности кроз цев заснована на-мерењу времена-принципа рада ултразвучног мерача протока времена транзита
Основни принцип рада више{0}} ултразвучног мерења протока гаса
Ултразвучни мерачи протока гаса се могу поделити на једно{0}}типове и више{1}}типове, од којих су оба заснована на принципу времена проласка{2}}за ултразвучно мерење протока. Тренутно, међу сличним производима у иностранству, број акустичних стаза може бити чак шест. У ултразвучном мерачу протока са више-путева, ВиВ_иВи представља -средњу брзину на иии- акустичкој путањи. Добија се мерењем времена пролаза ултразвука низводно и узводно, израчунавањем временске разлике између њих, а затим израчунавањем просечне брзине{10} путање.
Према односу између-просечних брзина сваке акустичке путање и фактора корекције{1}}брзине протока, запреминска-просечна брзина гаса у цевоводу може се проценити као
Слика. 2.11 Више-једначина пондерисане просечне брзине са више пута-како ради ултразвучни мерач протока
где је ВиВ_иВи тежински коефицијент сваке акустичне путање, а његова вредност зависи од усвојеног алгоритма интеграције.
Слика. 2.12 Више-вишепутни запремински проток-једначина брзине-ултразвучни мерач протока како функционише
У теорији, што је више акустичних путања, то би требало да буде већа тачност мерења. Међутим, практично искуство је показало да када број акустичних путања преко попречног пресека-достигне четири, даље повећање броја путања веома мало доприноси побољшању тачности, док значајно повећава трошкове производње.
Анализа фактора који утичу на ултразвучно мерење протока гаса
Према формулама за прорачун -брзине и протока-брзине протока ултразвучних мерача протока гаса, брзина протока или брзина протока је повезана са неколико аспеката, као што су геометријски параметри мерне цеви, фактор корекције-брзине протока (или тежински коефицијент) и измерене вредности ултрасоничне пропаг времена. Са ових аспеката се врши следећа анализа.
Корекција{0}}фактора протока и побољшање тачности мерења
У горе поменутом ултразвучном мерачу протока гаса{0}}транзитног времена, студија се заснива на идеалном стању у коме је просечна брзина-просечна брзина равномерно распоређена по попречном пресеку цеви-. У практичним ситуацијама, због не-уједначене дистрибуције брзине течности по попречном пресеку цеви-, брзина добијена прорачуном је заправо путања-просечна брзина дуж правца простирања ултразвука и аксијални правац, добијен из измерене временске разлике ултразвучног пролаза-. Коначни израчунати запремински проток ће неизбежно произвести грешке. Да би се обезбедила тачност мерења, неопходно је утврдити однос између њих и кориговати стварну измерену брзину коришћењем принципа механике флуида{10}}; односно уводи се фактор корекције-брзине протока К када се мери запреминским мерачем протока.
Због сложености стања протока{0}}течности у цевоводима, резултујуће расподеле брзине су такође сложене. Садашња истраживања су углавном ограничена на дистрибуцију брзине у идеалним условима, односно на расподелу брзине под ламинарним струјањем и потпуно развијено турбулентно струјање у глатким цевима. Ламинарно струјање и турбулентно струјање су два основна стања протока флуида у цевима. Ламинарни ток се односи на стање у којем честице флуида немају попречно кретање и разматра се само аксијално кретање; турбулентно струјање се односи на стање у којем честице флуида имају и аксијално и попречно кретање. Пошто се карактеристике протока разликују под различитим стањима протока цевовода, добијају се различите дистрибуције брзине.
На карактеристике протока течности заједнички утичу просечна брзина у цеви, кинематичка вискозност и пречник цеви, док је Рејнолдсов број РеРеРе важан индекс за процену стања протока. Када је Ре<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, течност почиње да прелази у турбулентно стање, а овај прелазни регион се генерално такође третира као турбулентан ток.
ФАК
Шта је ултразвучни мерач протока гаса{0}}транзитног времена?
Ултразвучни мерач протока гаса{0}}време транзита мери проток гаса тако што шаље ултразвучне импулсе низводно и узводно и израчунава брзину протока на основу разлике у њиховим временима проласка.
Која је разлика између ултразвучних мерача протока са једним{0}}и више{1}}путева?
Један-мерач протока са једном путањом користи један пар претварача и једну акустичку путању, док више{1}}мерач протока користи неколико акустичких путања на различитим висинама или угловима да би боље ухватио профил брзине и побољшао прецизност.
Зашто је потребан фактор корекције{0}}брзине протока?
Пошто дистрибуција брзине у цеви није савршено равномерна, брзина мерена дуж једне акустичке путање није једнака просечној брзини попречног пресека. Корекциони фактор повезује то двоје.
Који фактори утичу на тачност мерења ултразвучног протока гаса?
Кључни фактори укључују изобличење профила брзине, услове уградње, Рејнолдсов број, састав гаса и брзину звука, промене температуре и притиска и грешке у обради сигнала.
