Tijdsverschilmethode – werkingsprincipe van de ultrasone flowmeter
Time{0}}of-flight ultrasone gasstroommeettechnologie, een belangrijk onderdeel van deultrasoon werkingsprincipe van de flowmeter, berekent de axiale gemiddelde snelheid Vz langs het vlak gevormd door het geluidskanaal en de as door het verschil te meten in de tijd die ultrasone golven nodig hebben om zich in de stroomafwaartse en stroomopwaartse richtingen van een gasmedium voort te planten.
De tijd die ultrasone golven nodig hebben om zich in stroomafwaartse en stroomopwaartse richting te verplaatsen, is verschillend. De stroomafwaartse tijd en de omkeertijd zijn:
Zonder rekening te houden met de invloed van de interne leidingomgeving op de geluidssnelheid, is de vergelijking van de -gemiddelde stroomsnelheid:
Vs=L / (2cosφ) · (tU - tD) / (tD · tU) (2,4)
Door de stroomafwaartse looptijd tD van ultrasone golven en de stroomopwaartse looptijd tU van ultrasone golven te meten, kan het tijdsverschil tussen stroomopwaartse en stroomafwaartse looptijden van ultrasone golven worden berekend:
Δt=tU - tD (2,5)
Met behulp van de transit-tijdmethode kan de oppervlakte-gemiddelde stroomsnelheid langs één akoestisch pad worden gemeten. Op basis van de snelheidsverdeling van verschillende akoestische paden kunnen overeenkomstige algoritmen worden gebruikt om de gemiddelde stroomsnelheid over de gehele dwarsdoorsnede te berekenen. Deze stroomsnelheid wordt ook wel de bulk-gemiddelde stroomsnelheid V genoemd.
Door het tijdsverschil te meten tussen de transittijden van stroomopwaartse en stroomafwaartse ultrasone golven en het berekenen van de gemiddelde stroomsnelheid (bulksnelheid) V van de vloeistof in de pijp, wordt deze stroommeetmethode de ultrasone stroommeetmethode genoemd. Debietmeters die gebruik maken van de transit-tijd ultrasone stroommeetmethode om de volumetrische stroomsnelheid van vloeistof in leidingen te meten, worden transit-tijd ultrasone flowmeters genoemd.
De relatie tussen de pad-gemiddelde stroomsnelheid gemeten door de transit-tijd ultrasone stroommeter en de bulk-gemiddelde stroomsnelheid in de pijp is:
K=V / Vs (2,6)
Waarbij K de snelheidscorrectiefactor wordt genoemd. De snelheidscorrectiefactor wordt afgeleid uit een wiskundig model van het snelheidsverdelingsprofiel via het meetgedeelte van de debietmeter.
Op basis van de gasstroomomstandigheden in de leiding kan de snelheidscorrectiefactor worden afgeleid. Uit vergelijkingen (2.4) en (2.6) kan de bulk-gemiddelde gasstroomsnelheid in de pijp worden verkregen:
V=KV's (2,7)
Omrekenen naar volumetrisch debiet via vergelijking (2.7):
qv=AV (2,8)
Waarbij A het dwarsdoorsnedeoppervlak-van de pijp is.
Na druk- en temperatuurcompensatie voor het luchtvolume kan het massadebiet worden verkregen:
qm=ρ0 · (P / P0) · (T0 / T) · (1 / Z) · qv (2,9)
Waar Z de samendrukbaarheidsfactor van het gas is; P0 en P zijn respectievelijk de drukparameters onder standaardomstandigheden en werkelijke omstandigheden; T0 en T zijn respectievelijk de temperatuurwaarden onder standaardomstandigheden en werkelijke omstandigheden; ρ0 is de dichtheid van het gasmedium onder standaardomstandigheden.
Na het verkrijgen van de stroomsnelheid kan het debiet door een leiding met een bepaalde diameter binnen een bepaalde tijdsperiode worden berekend. Het debiet F door de leiding binnen 1 uur bedraagt:
F=(3,6 × 10³ × π × V × D²) / 4=3.6 × 10³ × π × D³ × (1/tD - 1/tU) × 1/sin(2φ) (2,10)
