فلومتر اولتراسونیک گاز به فلومتری اطلاق می شود که روی خط لوله ای با گاز جاری نصب می شود و جریان گاز را با استفاده از اصل اولتراسونیک اندازه گیری می کند. فلومتر اولتراسونیک گاز تک مسیره به دستگاهی اطلاق می‌شود که فقط دارای یک مسیر صوتی باشد، در حالی که فلومتر اولتراسونیک گازی با دو یا چند مسیر صوتی، فلومتر اولتراسونیک گاز چند مسیره نامیده می‌شود.
دبی سنج اولتراسونیک چگونه کار می کند؟ اصل اساسی برای اندازه گیری سرعت جریان با فلومتر اولتراسونیک گاز، محاسبه سرعت جریان، سرعت جریان، چگالی و سایر پارامترهای سیال گاز با اندازه گیری زمان انتشار امواج مافوق صوت در محیط گازی است. این فصل عمدتاً اصل عملیات اندازه‌گیری جریان اولتراسونیک گذر زمان و عوامل مؤثر بر اندازه‌گیری جریان را تجزیه و تحلیل می‌کند و مطالعات شبیه‌سازی را در مورد چگونگی بهبود دقت اندازه‌گیری جریان انجام می‌دهد تا مقدمات مطالعه روش‌های اندازه‌گیری و مدل‌سازی مکانیزم اندازه‌گیری جریان التراسونیک چند مسیری-گاز.
تجزیه و تحلیل اصل عملیاتی ترانزیت-اندازه‌گیری جریان گاز اولتراسونیک زمان
روش اندازه‌گیری-جریان گاز اولتراسونیک زمانی-یک روش اندازه‌گیری جریان گاز است که در آن، در طول مسیر یکسان گاز، انتشار-اختلاف زمانی بین دو سیگنال اولتراسونیک که در پایین دست و بالادست حرکت می‌کنند برای تعیین سرعت متوسط جریان گاز در طول مسیر صوتی استفاده می‌شود. هنگامی که امواج اولتراسونیک در یک محیط گازی جاری منتشر می شوند، سرعت انتشار آنها با سرعت جریان گاز تغییر می کند.
به طور خاص، سرعت انتشار امواج مافوق صوت در همان جهت با سرعت جریان گاز تغییر می کند: هنگامی که سرعت جریان گاز افزایش می یابد، سرعت انتشار موج اولتراسونیک در همان جهت نیز افزایش می یابد. برعکس، اگر سرعت جریان گاز در حالی که مخالف جهت انتشار اولتراسونیک باشد، افزایش یابد، سرعت اولتراسونیک به همین ترتیب کاهش می‌یابد.
ساختار اصلی یک لوله التراسونیک-حسگر جریان
همانطور که در شکل{0}} نشان داده شده است، دو مبدل اولتراسونیک قادر به ارسال و دریافت پالس های اولتراسونیک (به عنوان پروب یا مبدل) در یک طرف یا در هر دو طرف خط لوله تعبیه شده اند. مسیر واقعی سیگنال اولتراسونیک بین مبدل های فرستنده و گیرنده، مسیر صوتی نامیده می شود. بنابراین، یک جفت مبدل یک مسیر صوتی را تشکیل می دهد. یک غشای{3}}فرستنده صدا یا قسمتی از دیوار موجبر صوتی بین مبدل ها و محیط سیال چیده شده است. در یک جریان سنج اولتراسونیک تک مسیری، خط موجبر بین دو مبدل اولتراسونیک، محور دستگاه را قطع می کند.
شکل. 2.1 نمودار شماتیک اصل ترانزیت-اندازه گیری جریان اولتراسونیک زمان
همانطور که در شکل{0}} نشان داده شده است، قطر لوله D است. فاصله خط مستقیم-بین وجه‌های انتهای مبدل‌های A و B تعبیه‌شده در دو طرف خط لوله، طول مسیر L (که فاصله صوتی L نیز نامیده می‌شود) است و رابطه آن با قطر D است.
شکل. 2.1 رابطه هندسی بین آکوستیک-طول مسیر و قطر لوله-مدت انتقال جریان سنج اولتراسونیک
که در آن φ زاویه شیب مسیر صوتی است، یعنی زاویه بین مسیر صوتی و محور لوله. زاویه شیب مسیر آکوستیک نیز زاویه برخورد موج اولتراسونیک است. زاویه برخورد φ تحت تأثیر سرعت صوت در سیال و همچنین سرعت صوت در گوه و در مواد دیواره لوله است.
به طور کلی، تغییرات سرعت صوت با دما در مواد جامد کمتر از مواد گازی است. هنگامی که تغییرات دما زیاد نباشد، تأثیر مواد گوه و دیوار{1}}لوله بر دقت اندازه‌گیری نادیده گرفته می‌شود. با این حال، زمانی که دامنه تغییرات دما زیاد است، تغییر زیاد در سرعت صدا در مصالح دیوار گوه و لوله{2}}باید اصلاح شود.
برای یک مبدل با زاویه برخورد 30 درجه، ضریب انتقال نسبتاً بالا، اتلاف انرژی کم و ولتاژ تحریک مورد نیاز کم است. چنین مبدلی برای فلومترهای اولتراسونیک دستی مناسب است که برای استفاده از منبع تغذیه AC مناسب نیستند. یک مبدل با زاویه برخورد 45 درجه دارای ضریب انتقال نسبتاً پایینی است اما می تواند یک تراشه مبدل بزرگتر و ولتاژ تحریک بالاتری داشته باشد و بنابراین برای فلومترهای اولتراسونیک ثابت یا آنهایی که می توانند از منبع تغذیه AC استفاده کنند مناسب است.
اصل عملیاتی ترانزیت-اندازه‌گیری جریان گاز اولتراسونیک زمان
فناوری اندازه‌گیری -جریان گاز اولتراسونیک زمان- با اندازه‌گیری اختلاف زمانی بین امواج اولتراسونیک که در پایین دست و بالادست در محیط گازی منتشر می‌شوند، سرعت جریان متوسط محوری Vz را در صفحه تشکیل‌شده توسط مسیر صوتی و محور تعیین می‌کند. زمان عبور امواج اولتراسونیک در جهت پایین دست و بالادست متفاوت است. زمان ترانزیت پایین دست:
شکل. 2.2 معادله زمان انتقال اولتراسونیک پایین دست
و زمان عبور بالادست است
شکل. 2.3 معادله زمان انتقال اولتراسونیک بالادست-
که در آن C سرعت صوت امواج اولتراسونیک در سیال ثابت اندازه گیری شده است، یعنی سرعت صوت. Vz میانگین سرعت جریان سیال در جهت محوری در صفحه ای است که توسط مسیر اولتراسونیک و محور لوله تشکیل شده است که به آن مسیر{2}}سرعت متوسط نیز می گویند.
هنگامی که تأثیر تغییر سرعت صدا به دلیل محیط داخلی لوله در نظر گرفته نشود، عبارت مسیر-سرعت متوسط
شکل. 2.4 بیان مسیر-متوسط سرعت محوری
با اندازه گیری زمان عبور پایین دست tD و زمان عبور بالادست tU موج اولتراسونیک، تفاوت زمانی بین انتشار بالادست و پایین دست به دست می آید.
شکل. 2.5 تعریف ترانزیت بالادست-پایین‌دست-تفاوت زمانی
با استفاده از روش گذر{0}}زمان، می توان مسیر-سرعت متوسط یک مسیر صوتی را به دست آورد. بر اساس میانگین سرعت مسیرهای صوتی مختلف و با استفاده از الگوریتم‌های مناسب می‌توان سرعت متوسط عمود بر کل مقطع-را محاسبه کرد که به آن حجم-سرعت متوسط V می‌گویند.
روش اندازه‌گیری سرعت متوسط V سیال (حجم) خط لوله با اندازه‌گیری گذر{0}}تفاوت زمانی بین انتشار اولتراسونیک بالادست و پایین دست، روش اندازه‌گیری انتقال-جریان اولتراسونیک زمان- نامیده می‌شود. یک فلومتر که جریان سیال خط لوله را با استفاده از روش ترانزیت{4}}زمان اولتراسونیک اندازه گیری می کند، به عنوان جریان سنج اولتراسونیک گذر-زمان نامیده می شود.
رابطه بین مسیر-سرعت متوسط در مسیر صوتی یک جریان سنج اولتراسونیک گذر{1}}زمان و حجم-میانگین سرعت در خط لوله است.
شکل. 2.6 تعریف ضریب تصحیح جریان-
جایی که K ضریب تصحیح سرعت جریان- نامیده می شود. ضریب تصحیح سرعت جریان-از مدل ریاضی پروفیل توزیع سرعت در بخش اندازه گیری فلومتر به دست آمده است. با توجه به رژیم جریان گاز در خط لوله، ضریب تصحیح سرعت جریان-را می توان بدست آورد. بنابراین، از معادلات (2.4) و (2.6)، میانگین سرعت گاز در خط لوله است.
شکل. 2.7 رابطه بین لوله-سرعت متوسط و مسیر-سرعت متوسط
دبی حجمی را می توان از رابطه (2.7) به دست آورد
شکل . 2.8 معادله نرخ جریان حجمی-
که در آن A سطح مقطع{0}}لوله است.
پس از جبران فشار و دما دبی حجمی، دبی جرمی را می توان به عنوان به دست آورد
شکل. 2.9 معادله نرخ جریان جرم با تصحیح فشار-دما-تراکم پذیری-
که در آن Z ضریب تراکم پذیری گاز است. P0 و P به ترتیب پارامترهای فشار در شرایط استاندارد و شرایط واقعی هستند. T0 و T به ترتیب مقادیر دما در شرایط استاندارد و شرایط واقعی هستند. و ρ0 چگالی محیط گازی در شرایط استاندارد است.
هنگامی که سرعت جریان به دست آمد، حجم سیالی که از لوله ای با قطر معین در یک دوره معین عبور می کند را می توان محاسبه کرد. حجم جریان F که در 1 ساعت از لوله عبور می کند 79 است:
شکل. 2.10 حجم ساعتی سیال از طریق لوله بر اساس اصل کار کنتور اولتراسونیک زمان عبور-اندازه‌گیری زمان{2}}زمان عبور
اصل عملیاتی اولیه اندازه‌گیری جریان گاز اولتراسونیک چند مسیره
فلومترهای اولتراسونیک گاز را می توان به انواع-تک مسیری و چند{1}}مسیری تقسیم کرد، که هر دو بر اساس اصل زمان عبور-برای اندازه گیری جریان اولتراسونیک هستند. در حال حاضر در بین محصولات مشابه خارج از کشور تعداد مسیرهای آکوستیک می تواند به شش عدد برسد. در یک جریان سنج مافوق صوت چند مسیره، ViV_iVi نشان دهنده مسیر-سرعت متوسط در iii-مین مسیر صوتی است. با اندازه‌گیری زمان‌های عبور اولتراسونیک پایین‌دست و بالادست، محاسبه اختلاف زمانی بین آنها، و سپس محاسبه مسیر سرعت متوسط{10}}به‌دست می‌آید.
با توجه به رابطه بین مسیر-سرعت های متوسط هر مسیر صوتی و جریان{1}}عوامل اصلاح سرعت، حجم-میانگین سرعت گاز در خط لوله را می توان به صورت تخمین زد
شکل. 2.11 معادله سرعت میانگین وزنی چند مسیری-نحوه کار سنج جریان اولتراسونیک
که در آن WiW_iWi ضریب وزنی هر مسیر صوتی است و مقدار آن به الگوریتم ادغام اتخاذ شده بستگی دارد.
شکل. 2.12 جریان حجمی چند مسیره-معادله نرخ-جریان سنج اولتراسونیک چگونه کار می‌کند
در تئوری، هرچه مسیرهای صوتی بیشتر باشد، دقت اندازه گیری باید بالاتر باشد. با این حال، تجربه عملی نشان داده است که وقتی تعداد مسیرهای صوتی در عرض مقطع-به چهار می‌رسد، افزایش بیشتر تعداد مسیرها کمک بسیار کمی به بهبود دقت می‌کند، در حالی که هزینه ساخت را به‌طور قابل توجهی افزایش می‌دهد.
تجزیه و تحلیل عوامل موثر بر اندازه گیری جریان گاز اولتراسونیک
با توجه به فرمول‌های محاسبه سرعت و سرعت جریان-دبی سنج‌های اولتراسونیک گاز، سرعت جریان یا نرخ جریان به جنبه‌های مختلفی از جمله پارامترهای هندسی لوله اندازه‌گیری، ضریب تصحیح سرعت جریان-و ضریب وزنی اندازه‌گیری زمان، زمان مرتبط است. تحلیل زیر از این جنبه ها انجام می شود.
تصحیح جریان-ضریب سرعت و بهبود دقت اندازه‌گیری
در جریان سنج مافوق صوت گاز ترانزیت فوق الذکر، این مطالعه بر اساس حالت ایده آلی است که در آن مسیر{1}}سرعت متوسط به طور یکنواخت در سطح مقطع لوله- توزیع می شود. در موقعیت‌های عملی، به دلیل -توزیع غیریکنواخت سرعت سیال در سطح مقطع لوله-، سرعت به‌دست‌آمده با محاسبه در واقع مسیر{6} میانگین سرعت در امتداد جهت انتشار اولتراسونیک و جهت محوری است که از اختلاف زمانی اندازه‌گیری شده اولتراسونیک به‌دست می‌آید. دبی حجمی محاسبه شده نهایی ناگزیر خطاهایی ایجاد می کند. برای اطمینان از دقت اندازه‌گیری، لازم است رابطه بین این دو مشخص شود و سرعت اندازه‌گیری شده واقعی با استفاده از اصول مکانیک سیالات{10}}تصحیح شود. یعنی هنگام اندازه‌گیری با فلومتر حجمی، یک ضریب تصحیح نرخ K وارد می‌شود.
به دلیل پیچیدگی حالت‌های جریان{0} سیال در خطوط لوله، توزیع‌های سرعت حاصل نیز پیچیده هستند. تحقیقات کنونی عمدتاً به توزیع سرعت در شرایط ایده‌آل محدود می‌شود، یعنی توزیع سرعت تحت جریان آرام و جریان آشفته کاملاً توسعه‌یافته در لوله‌های صاف. جریان آرام و جریان آشفته دو حالت جریان اساسی سیالات در لوله ها هستند. جریان آرام به حالتی اطلاق می شود که در آن ذرات سیال حرکت عرضی ندارند و فقط حرکت محوری در نظر گرفته می شود. جریان آشفته به حالتی اشاره دارد که در آن ذرات سیال دارای حرکت محوری و عرضی هستند. از آنجایی که ویژگی‌های جریان در حالت‌های مختلف جریان خط لوله متفاوت است، توزیع‌های سرعت متفاوتی به دست می‌آیند.
مشخصه های جریان سیال به طور مشترک تحت تأثیر سرعت متوسط در لوله، ویسکوزیته سینماتیکی و قطر لوله قرار می گیرند، در حالی که عدد رینولدز ReReRe یک شاخص مهم برای ارزیابی وضعیت جریان است. زمانی که 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، سیال شروع به انتقال به حالت متلاطم می کند و این ناحیه گذار معمولاً به عنوان جریان آشفته نیز در نظر گرفته می شود.
سوالات متداول
فلومتر گاز اولتراسونیک گذر{0}}زمان چیست؟
یک جریان سنج گاز اولتراسونیک گذر{0}}جریان گاز را با ارسال پالس‌های اولتراسونیک در پایین دست و بالادست و محاسبه سرعت جریان از اختلاف زمان‌های عبور آنها اندازه‌گیری می‌کند.
تفاوت بین فلومترهای اولتراسونیک یک-راهی و چند{1}}راهی چیست؟
یک جریان سنج تک مسیری از یک جفت مبدل و یک مسیر صوتی استفاده می کند، در حالی که یک جریان سنج چند مسیره از چندین مسیر صوتی در ارتفاعات یا زوایای مختلف برای ثبت بهتر مشخصات سرعت و بهبود دقت استفاده می کند.
چرا یک ضریب تصحیح سرعت جریان-نیاز است؟
از آنجایی که توزیع سرعت در یک لوله کاملاً یکنواخت نیست، سرعت اندازه‌گیری شده در طول یک مسیر صوتی با سرعت متوسط مقطعی- برابر نیست. یک عامل تصحیح این دو را به هم پیوند می دهد.
کدام عوامل بر دقت اندازه گیری جریان گاز اولتراسونیک تأثیر می گذارد؟
عوامل کلیدی عبارتند از اعوجاج پروفیل سرعت، شرایط نصب، عدد رینولدز، ترکیب گاز و سرعت صدا، تغییرات دما و فشار، و خطاهای پردازش سیگنال.
