Met een ultrasone gasflowmeter wordt een flowmeter bedoeld die op een pijpleiding met stromend gas wordt geïnstalleerd en de gasstroom meet door middel van het ultrasone principe. Een ultrasone gasdebietmeter met enkel-pad verwijst naar een apparaat dat is uitgerust met slechts één akoestisch pad, terwijl een ultrasone gasdebietmeter met twee of meer akoestische paden een ultrasone gasdebietmeter met meerdere-paden wordt genoemd.
Hoe werkt een ultrasone flowmeter? Het basisprincipe voor het meten van de stroomsnelheid met een ultrasone gasflowmeter is het berekenen van de stroomsnelheid, het debiet, de dichtheid en andere parameters van de gasvloeistof door de voortplantingstijd van ultrasone golven in het gasvormige medium te meten. Dit hoofdstuk analyseert voornamelijk het werkingsprincipe van ultrasone stroommeting in transit-tijd en de factoren die de stroommeting beïnvloeden, en voert simulatiestudies uit over hoe de stroom-nauwkeurigheid van de stroommeting kan worden verbeterd, om voorbereidingen te treffen voor de studie van multi-ultrasone gasstroom-meetmethoden en mechanismemodellering.
Analyse van het werkingsprincipe van transit-Tijd ultrasone gasstroommeting
De transit{0}}ultrasone gasstroom-meetmethode is een gasstroom-meetmethode waarbij, over dezelfde padlengte van het gas, het voortplantings-tijdsverschil tussen twee ultrasone signalen die stroomafwaarts en stroomopwaarts reizen, wordt gebruikt om de gemiddelde gasstroomsnelheid langs het akoestische pad te bepalen. Wanneer ultrasone golven zich voortplanten in een stromend gasvormig medium, varieert hun voortplantingssnelheid met de gasstroomsnelheid.
Meer specifiek verandert de voortplantingssnelheid van ultrasone golven in dezelfde richting als de gasstroomsnelheid: wanneer de gasstroomsnelheid toeneemt, neemt de snelheid van de ultrasone golf die zich in dezelfde richting voortplant ook dienovereenkomstig toe; omgekeerd, als de gasstroomsnelheid toeneemt terwijl deze tegengesteld is aan de ultrasone voortplantingsrichting, zal de ultrasone snelheid dienovereenkomstig afnemen.
Basisstructuur van een ultrasone leiding-Stroomsensor
Zoals weergegeven in figuur . 2.1 zijn aan één zijde of aan beide zijden van de pijpleiding twee ultrasone transducers ingebed die in staat zijn om zowel ultrasone pulsen te verzenden als te ontvangen (ook wel sondes of transducers genoemd). Het werkelijke pad van het ultrasone signaal tussen de zendende en ontvangende transducers wordt het akoestische pad genoemd; een paar transducers vormt dus één akoestisch pad. Tussen de transducers en het vloeibare medium is een geluid-membraan of een stuk akoestische golfgeleiderwand aangebracht. Bij een ultrasone flowmeter met enkelvoudig pad snijdt de golfgeleiderlijn tussen de twee ultrasone transducers de as van het instrument.
Fig. 2.1 Schematisch diagram van het principe van ultrasone flowmeting in transit-tijd
Zoals weergegeven in figuur. 2.1 is de pijpdiameter D. De rechte-lijnafstand tussen de eindvlakken van transducers A en B ingebed aan beide zijden van de pijpleiding is de akoestische-padlengte L (ook wel de akoestische afstand L genoemd), en de relatie met de diameter D is
Fig. 2.1 Geometrische relatie tussen akoestische-padlengte en pijpdiameter-transittijd ultrasone flowmeter
waarbij φ de hellingshoek van het akoestische pad is, dwz de hoek tussen het akoestische pad en de buisas. De hellingshoek van het akoestische pad is tevens de invalshoek van de ultrasone golf. De invalshoek φ wordt beïnvloed door de geluidssnelheid in de vloeistof, maar ook door de geluidssnelheid in de wig en in het buiswandmateriaal.
Over het algemeen is de variatie van de geluidssnelheid met de temperatuur bij vaste materialen kleiner dan bij gasvormige materialen. Als de temperatuurvariatie niet groot is, kan de invloed van de wig- en pijp-wandmaterialen op de meetnauwkeurigheid worden verwaarloosd; Wanneer het temperatuurvariatiebereik echter groot is, moet de grote verandering in geluidssnelheid in de wig- en pijp-wandmaterialen worden gecorrigeerd.
Voor een transducer met een invalshoek van 30 graden is de transmissiecoëfficiënt relatief hoog, het energieverlies klein en de vereiste excitatiespanning laag. Een dergelijke transducer is geschikt voor draagbare ultrasone flowmeters die niet handig zijn voor het gebruik van een wisselstroomvoeding. Een transducer met een invalshoek van 45 graden heeft een relatief lage transmissiecoëfficiënt, maar kan een grotere transducerchip en een hogere excitatiespanning gebruiken, en is daarom geschikt voor vaste ultrasone flowmeters of voor apparaten die een wisselstroomvoeding kunnen gebruiken.
Werkingsprincipe van transit-Tijd ultrasone gasstroommeting
Transit{0}}tijd ultrasone gasstroom-meettechnologie bepaalt de axiale gemiddelde stroomsnelheid Vz op het vlak gevormd door het akoestische pad en de as, door het tijdsverschil te meten tussen ultrasone golven die zich stroomafwaarts en stroomopwaarts voortplanten in het gasvormige medium. De looptijden van ultrasone golven verschillen in stroomafwaartse en stroomopwaartse richting. De stroomafwaartse transittijd is:
Fig. 2.2 Stroomafwaartse ultrasone transit-tijdvergelijking
en de stroomopwaartse transittijd is
Fig. 2.3 Stroomopwaartse ultrasone transit-tijdvergelijking
waarbij C de geluidssnelheid is van ultrasone golven in de stationaire gemeten vloeistof, dwz de geluidssnelheid; Vz is de gemiddelde stroomsnelheid van de vloeistof in de axiale richting op het vlak gevormd door het ultrasone pad en de pijpas, ook wel de pad-gemiddelde snelheid genoemd.
Als er geen rekening wordt gehouden met de invloed van geluids-snelheidsvariatie als gevolg van de interne pijpomgeving, is de uitdrukking voor de pad-gemiddelde snelheid
Fig. 2.4 Uitdrukking voor pad-gemiddelde axiale snelheid
Door de stroomafwaartse looptijd tD en de stroomopwaartse looptijd tU van de ultrasone golf te meten, wordt het tijdsverschil tussen stroomopwaartse en stroomafwaartse voortplanting verkregen als
Fig. 2.5 Definitie van stroomopwaarts-stroomafwaarts transit-tijdsverschil
Met behulp van de transit-tijdmethode kan de pad-gemiddelde snelheid van één akoestisch pad worden verkregen. Op basis van de gemiddelde snelheden van verschillende akoestische paden, en met behulp van geschikte algoritmen, kan de gemiddelde snelheid loodrecht op de gehele dwars-doorsnede worden berekend, die de volume-gemiddelde snelheid V wordt genoemd.
De methode voor het meten van de gemiddelde snelheid V van de vloeistof (volume) van de pijpleiding door het -tijdsverschil tussen de stroomopwaartse en stroomafwaartse ultrasone voortplanting te meten, wordt de meetmethode voor de -ultrasone stroming- van de transittijd genoemd. Een stroommeter die de vloeistofstroom in de pijpleiding meet met behulp van de ultrasone transit-tijd-methode, wordt een ultrasone transit-tijd-flowmeter genoemd.
De relatie tussen de pad-gemiddelde snelheid op het akoestische pad van een transit-tijd ultrasone flowmeter en de volume-gemiddelde snelheid in de pijpleiding is
Fig. 2.6 Definitie van stroom-snelheidscorrectiefactor
waarbij K de stroomsnelheidscorrectiefactor wordt genoemd. De stroomsnelheidscorrectiefactor wordt afgeleid uit het wiskundige model van het snelheidsverdelingsprofiel in het meetgedeelte van de stroommeter. Afhankelijk van het gasstroomregime in de pijpleiding kan de stroomsnelheidscorrectiefactor worden verkregen. Uit vergelijkingen (2.4) en (2.6) blijkt dus dat de gemiddelde gassnelheid in de pijpleiding gelijk is
Fig. 2.7 Relatie tussen pijp-gemiddelde snelheid en pad-gemiddelde snelheid
Het volumetrische debiet kan worden verkregen uit vergelijking (2.7) als
Fig. 2.8 Volumetrische stroom-snelheidsvergelijking
waarbij A het dwarsdoorsnedeoppervlak-van de pijp is.
Na druk- en temperatuurcompensatie van het luchtvolume kan het massadebiet worden verkregen als
Fig. 2.9 Massastroom-snelheidsvergelijking met druk-temperatuur-compressibiliteitscorrectie
waarbij 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; en ρ0 is de dichtheid van het gasvormige medium onder standaardomstandigheden.
Zodra de stroomsnelheid is verkregen, kan het vloeistofvolume dat gedurende een bepaalde periode door een pijp met een bepaalde diameter stroomt, worden berekend. Het stroomvolume F dat in 1 uur door de buis stroomt, is 79:
Fig. 2.10 Uurlijk volume vloeistof door de leiding, gebaseerd op transit-tijdmeting-transittijd werkingsprincipe ultrasone flowmeter
Basiswerkingsprincipe van multi-ultrasone gasstroommeting
Ultrasone gasflowmeters kunnen worden onderverdeeld in typen met één-pad en meerdere-paden, die beide zijn gebaseerd op het transit-tijdprincipe voor ultrasone flowmeting. Momenteel kan het aantal akoestische paden bij vergelijkbare producten in het buitenland maar liefst zes bedragen. In een ultrasone flowmeter met meerdere-paden vertegenwoordigt ViV_iVi de pad-gemiddelde snelheid op het iii-e akoestische pad. Deze wordt verkregen door de stroomafwaartse en stroomopwaartse ultrasone transittijden te meten, het tijdsverschil daartussen te berekenen en vervolgens de -gemiddelde padsnelheid te berekenen.
Volgens de relatie tussen de pad-gemiddelde snelheden van elk akoestisch pad en de stroom-snelheidscorrectiefactoren, kan de volume-gemiddelde gassnelheid in de pijpleiding worden geschat als
Fig. 2.11 Multi-padgewogen gemiddelde snelheidsvergelijking-hoe ultrasone flowmeter werkt
waarbij WiW_iWi de wegingscoëfficiënt is van elk akoestisch pad, en de waarde ervan hangt af van het toegepaste integratiealgoritme.
Fig. 2.12 Multi-volumestroom-snelheidsvergelijking-ultrasone flowmeter hoe het werkt
In theorie geldt dat hoe meer akoestische paden er zijn, hoe hoger de meetnauwkeurigheid zou moeten zijn. Uit praktijkervaring is echter gebleken dat wanneer het aantal akoestische paden over de dwars- sectie vier bereikt, het verder vergroten van het aantal paden zeer weinig bijdraagt aan het verbeteren van de nauwkeurigheid, terwijl de productiekosten aanzienlijk stijgen.
Analyse van factoren die van invloed zijn op de ultrasone gasstroommeting
Volgens de formules voor de berekening van de stroomsnelheid en stroomsnelheid van ultrasone gasstroommeters is de stroomsnelheid of stroomsnelheid gerelateerd aan verschillende aspecten, zoals de geometrische parameters van de meetleiding, de stroomsnelheidscorrectiefactor (of wegingscoëfficiënt) en de gemeten waarden van de ultrasone voortplantingstijd. Vanuit deze aspecten wordt de volgende analyse uitgevoerd.
Correctie van de stroom-Snelheidsfactor en verbetering van de meetnauwkeurigheid
In de bovengenoemde ultrasone gasstroommeter in de transit-tijd is het onderzoek gebaseerd op de ideale toestand waarin de pad-gemiddelde snelheid uniform is verdeeld over de pijpdoorsnede-. In praktische situaties is de door berekening verkregen snelheid, vanwege de niet-uniforme snelheidsverdeling van de vloeistof over de dwarsdoorsnede- van de pijp, feitelijk de pad-gemiddelde snelheid langs de richting van ultrasone voortplanting en de axiale richting, verkregen uit het gemeten ultrasone transittijdsverschil-. Het uiteindelijk berekende volumedebiet zal onvermijdelijk fouten opleveren. Om de meetnauwkeurigheid te garanderen, is het noodzakelijk om de relatie tussen de twee te bepalen en de daadwerkelijk gemeten snelheid te corrigeren met behulp van vloeistofmechanische principes; dat wil zeggen dat er een debietcorrectiefactor K wordt geïntroduceerd bij metingen met een volumetrische debietmeter.
Vanwege de complexiteit van vloeistof-stroomtoestanden in pijpleidingen zijn de resulterende snelheidsverdelingen ook complex. Het huidige onderzoek beperkt zich voornamelijk tot de snelheidsverdeling onder ideale omstandigheden, dat wil zeggen de snelheidsverdeling onder laminaire stroming en volledig ontwikkelde turbulente stroming in gladde pijpen. Laminaire stroming en turbulente stroming zijn twee fundamentele stromingstoestanden van vloeistoffen in leidingen. Laminaire stroming verwijst naar de toestand waarin vloeistofdeeltjes geen transversale beweging hebben en alleen axiale beweging in aanmerking wordt genomen; turbulente stroming verwijst naar de toestand waarin vloeistofdeeltjes zowel axiale als transversale beweging hebben. Omdat de stromingskarakteristieken verschillen onder verschillende stromingstoestanden van de pijpleiding, worden verschillende snelheidsverdelingen verkregen.
De stromingseigenschappen van een vloeistof worden gezamenlijk beïnvloed door de gemiddelde snelheid in de buis, de kinematische viscositeit en de buisdiameter, terwijl het Reynoldsgetal ReReRe een belangrijke index is voor het evalueren van de stromingstoestand. Wanneer 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>Vanaf 2300 begint de vloeistof over te gaan naar een turbulente toestand, en dit overgangsgebied wordt over het algemeen ook behandeld als turbulente stroming.
Veelgestelde vragen
Wat is een ultrasone gasflowmeter in transit-tijd?
Een ultrasone gasstroommeter met transittijd- meet de gasstroom door ultrasone pulsen zowel stroomafwaarts als stroomopwaarts te sturen en de stroomsnelheid te berekenen op basis van het verschil in hun transittijden.
Wat is het verschil tussen ultrasone flowmeters met één-pad en meerdere-paden?
Een flowmeter met één-pad gebruikt één paar transducers en één akoestisch pad, terwijl een flowmeter met meerdere-paden verschillende akoestische paden op verschillende hoogtes of hoeken gebruikt om het snelheidsprofiel beter vast te leggen en de nauwkeurigheid te verbeteren.
Waarom is een stroomsnelheidscorrectiefactor nodig?
Omdat de snelheidsverdeling in een pijp niet perfect uniform is, is de snelheid gemeten langs een enkel akoestisch pad niet gelijk aan de gemiddelde dwarsdoorsnedesnelheid. Een correctiefactor verbindt de twee.
Welke factoren beïnvloeden de nauwkeurigheid van de ultrasone gasstroommeting?
Belangrijke factoren zijn onder meer snelheidsprofielvervorming, installatieomstandigheden, Reynoldsgetal, gassamenstelling en geluidssnelheid, temperatuur- en drukveranderingen en signaalverwerkingsfouten.
