En gas-ultralydsflowmåler refererer til en flowmåler, der er installeret på en rørledning med strømmende gas og måler gasstrømmen ved hjælp af ultralydsprincippet. Et enkelt-gas-ultralydsflowmåler refererer til en enhed, der kun er udstyret med én akustisk vej, mens et gas-ultralydsflowmåler med to eller flere akustiske veje kaldes en multi--gas-ultralydsflowmåler.
Hvordan fungerer en ultralydsflowmåler? Det grundlæggende princip for måling af strømningshastighed med en gas-ultralydsflowmåler er at beregne strømningshastigheden, strømningshastigheden, densiteten og andre parametre for gasvæsken ved at måle udbredelsestiden for ultralydsbølger i det gasformige medium. Dette kapitel analyserer hovedsageligt driftsprincippet for ultralydsmåling af transit-tid og de faktorer, der påvirker flowmåling, og udfører simuleringsundersøgelser af, hvordan man forbedrer flow-målenøjagtigheden, for at gøre forberedelser til studiet af multi-gas ultralydsflow-målemetoder og mekanismemodellering.
Analyse af driftsprincippet for transit-Ultralydsmåling af gasflow
Transit-tids ultralydsgasflow-målemetoden er en gasflow-målingsmetode, hvor udbredelsestidsforskellen- mellem to ultralydssignaler, der bevæger sig nedstrøms og opstrøms, over den samme vejlængde af gassen, bruges til at bestemme den gennemsnitlige gasstrømningshastighed langs den akustiske bane. Når ultralydsbølger udbreder sig i et strømmende gasformigt medium, varierer deres udbredelseshastighed med gasstrømningshastigheden.
Mere specifikt ændres udbredelseshastigheden af ultralydsbølger i samme retning som gasstrømningshastigheden: når gasstrømningshastigheden stiger, øges hastigheden af ultralydsbølgen, der udbreder sig i samme retning, også tilsvarende; omvendt, hvis gasstrømningshastigheden stiger, mens den er modsat ultralydsudbredelsesretningen, vil ultralydshastigheden falde tilsvarende.
Grundlæggende struktur af et ultralydsrør-Flowsensor
Som vist i fig. . 2.1 er to ultralydstransducere, der er i stand til både at sende og modtage ultralydsimpulser (benævnt prober eller transducere), indlejret på den ene side eller på begge sider af rørledningen. Den faktiske vej for ultralydssignalet mellem de transducerende og modtagende transducere kaldes den akustiske vej; således danner et par transducere én akustisk vej. En lyd-transmitterende membran eller en sektion af akustisk bølgeledervæg er arrangeret mellem transducerne og det flydende medium. I et ultralydsflowmåler med enkelt-vej skærer bølgelederlinjen mellem de to ultralydstransducere instrumentets akse.
Fig. 2.1 Skematisk diagram af princippet om ultralydsmåling af flow-tid
Som vist i fig. 2.1 er rørdiameteren D. Den lige-linjeafstand mellem endefladerne af transducere A og B indlejret på begge sider af rørledningen er den akustiske-banelængde L (også kaldet den akustiske afstand L), og dens forhold til diameteren D er
Fig. 2.1 Geometrisk sammenhæng mellem akustisk-vejlængde og rørdiameter-transittid ultralydsflowmåler
hvor φ er hældningsvinklen for den akustiske bane, dvs. vinklen mellem den akustiske bane og røraksen. Hældningsvinklen for den akustiske bane er også indfaldsvinklen for ultralydsbølgen. Indfaldsvinklen φ påvirkes af lydhastigheden i væsken samt af lydhastigheden i kilen og i rør-vægmaterialet.
Generelt er variationen af lydhastighed med temperatur i faste materialer mindre end i gasformige materialer. Når temperaturvariationen ikke er stor, kan kilens og rørets-vægmaterialers indflydelse på målenøjagtigheden ignoreres; men når temperaturvariationsområdet er stort, skal den store ændring i lydhastigheden i kile- og rørvæggen korrigeres.
For en transducer med en indfaldsvinkel på 30 grader er transmissionskoefficienten relativt høj, energitabet er lille, og den nødvendige excitationsspænding er lav. En sådan transducer er velegnet til håndholdte ultralydsflowmålere, der ikke er praktiske til at bruge en AC-strømforsyning. En transducer med en indfaldsvinkel på 45 grader har en relativt lav transmissionskoefficient, men kan anvende en større transducerchip og højere excitationsspænding og er derfor velegnet til faste ultralydsflowmålere eller dem, der kan bruge en AC-strømforsyning.
Driftsprincip for transit-Ultralydsmåling af gasflow
Transit-tids ultralydsgasflow-teknologi bestemmer den aksiale gennemsnitlige strømningshastighed Vz på det plan, der dannes af den akustiske bane og aksen, ved at måle tidsforskellen mellem ultralydsbølger, der forplanter sig nedstrøms og opstrøms i det gasformige medium. Transittider for ultralydsbølger er forskellige i nedstrøms og opstrøms retninger. Nedstrøms transittid er:
Fig. 2.2 Nedstrøms ultralydstransit-tidsligning
og opstrøms transittid er
Fig. 2.3 Opstrøms ultralydstransit-tidsligning
hvor C er lydhastigheden af ultralydsbølger i den stationære målte væske, dvs. lydens hastighed; Vz er væskens gennemsnitlige strømningshastighed i aksial retning på det plan, der dannes af ultralydsbanen og røraksen, også kaldet banens-gennemsnitshastighed.
Når påvirkningen af lyd-hastighedsvariation på grund af det indre rørmiljø ikke tages i betragtning, er udtrykket for stiens-gennemsnitlige hastighed
Fig. 2.4 Udtryk for bane-gennemsnitlig aksial hastighed
Ved at måle nedstrøms transittid tD og opstrøms transittid tU for ultralydsbølgen opnås tidsforskellen mellem opstrøms og nedstrøms udbredelse som
Fig. 2.5 Definition af opstrøms-nedstrøms transit-tidsforskel
Ved hjælp af transit-tidsmetoden kan stiens-gennemsnitlige hastighed for én akustisk sti opnås. Baseret på gennemsnitshastighederne for forskellige akustiske baner og ved hjælp af passende algoritmer kan gennemsnitshastigheden vinkelret på hele tværsnittet beregnes, hvilket kaldes volumen-gennemsnitshastigheden V.
Metoden til at måle rørledningens væske (volumen) gennemsnitshastighed V ved at måle transit-tidsforskellen mellem opstrøms og nedstrøms ultralydsudbredelse kaldes transit-tidsultralydsflow-målemetoden. Et flowmåler, der måler rørledningens væskeflow ved hjælp af transit-tidsultralydsmetoden, kaldes et transit-tidsultralydsflowmåler.
Forholdet mellem vejens-gennemsnitlige hastighed på den akustiske vej af en transit--tids-ultralydsflowmåler og volumen-gennemsnitshastigheden i rørledningen er
Fig. 2.6 Definition af flow-hastighedskorrektionsfaktor
hvor K kaldes flow-hastighedskorrektionsfaktoren. Strømnings-hastighedskorrektionsfaktoren er afledt af den matematiske model af hastighedsfordelingsprofilen i flowmålerens målesektion. I henhold til gasstrømningsregimet i rørledningen kan strømnings-hastighedskorrektionsfaktoren opnås. Ud fra ligning (2.4) og (2.6) er den gennemsnitlige gashastighed i rørledningen således
Fig. 2.7 Relation mellem rør-gennemsnitshastighed og bane-gennemsnitlig hastighed
Den volumetriske strømningshastighed kan fås fra ligning (2.7) som
Fig. 2.8 Volumetrisk flow-hastighedsligning
hvor A er rørets tværsnitsareal-.
Efter tryk- og temperaturkompensation af den volumetriske flowhastighed kan masseflowhastigheden opnås som
Fig. 2.9 Masseflow-hastighedsligning med tryk-temperatur-kompressibilitetskorrektion
hvor Z er gaskompressibilitetsfaktoren; P0 og P er trykparametrene ved henholdsvis standardforhold og faktiske forhold; T0 og T er temperaturværdierne ved henholdsvis standardforhold og faktiske forhold; og ρ0 er densiteten af det gasformige medium under standardbetingelser.
Når først strømningshastigheden er opnået, kan mængden af væske, der passerer gennem et rør med en given diameter over en vis periode, beregnes. Strømningsvolumenet F, der passerer gennem røret på 1 time, er 79:
Fig. 2.10 Timevolumen af væske gennem røret baseret på transit-tidsmåling-transittid ultrasonisk flowmåler arbejdsprincip
Grundlæggende driftsprincip for multi-ultralydsmåling af gasflow
Gas-ultralydsflowmålere kan opdeles i enkelt-vejs- og multi-vejstyper, som begge er baseret på transittidsprincippet- for ultralydsflowmåling. På nuværende tidspunkt, blandt lignende produkter i udlandet, kan antallet af akustiske veje være så mange som seks. I et ultralydsflowmåler med flere-veje repræsenterer ViV_iVi banens-gennemsnitlige hastighed på den iii-. akustiske vej. Den opnås ved at måle nedstrøms og opstrøms ultralydstransittider, beregne tidsforskellen mellem dem og derefter beregne stiens{10}}gennemsnitlige hastighed.
I henhold til forholdet mellem stiens-gennemsnitlige hastigheder for hver akustisk vej og strømnings-hastighedskorrektionsfaktorerne, kan volumen-gennemsnitlig gashastighed i rørledningen estimeres som
Fig. 2.11 Multi-stivægtet gennemsnitshastighedsligning-hvordan ultralydsflowmåler fungerer
hvor WiW_iWi er vægtningskoefficienten for hver akustisk vej, og dens værdi afhænger af den anvendte integrationsalgoritme.
Fig. 2.12 Multi-vej volumetrisk flow-hastighedsligning-ultralydsflowmåler, hvordan det virker
I teorien gælder det, at jo flere akustiske veje der er, desto højere bør målenøjagtigheden være. Praktisk erfaring har imidlertid vist, at når antallet af akustiske veje på tværs af-tværsnittet når fire, bidrager en yderligere forøgelse af antallet af stier meget lidt til at forbedre nøjagtigheden, samtidig med at produktionsomkostningerne øges betydeligt.
Analyse af faktorer, der påvirker ultralydsmåling af gasstrøm
Ifølge formlerne til beregning af strømnings-hastighed og strømnings-hastighed for gas-ultralydsflowmålere er strømningshastigheden eller strømningshastigheden relateret til flere aspekter, såsom de geometriske parametre for målerøret, strømnings-hastighedskorrektionsfaktoren (eller vægtningskoefficienten) og de målte værdier af ultralydsudbredelsestid. Den følgende analyse er udført ud fra disse aspekter.
Korrektion af flowet-Hastighedsfaktor og forbedring af målenøjagtighed
I den førnævnte transit--tidsgas-ultralydsflowmåler er undersøgelsen baseret på den ideelle tilstand, hvor stiens-gennemsnitlige hastighed er ensartet fordelt over rørtværsnittet-. I praktiske situationer, på grund af den ikke-ensartede hastighedsfordeling af væsken på tværs af rørtværsnittet, er hastigheden opnået ved beregning faktisk den vej-gennemsnitlige hastighed langs retningen af ultralyds udbredelse og den aksiale retning, opnået fra den målte ultralydstransittidsforskel-. Den endelige beregnede volumetriske strømningshastighed vil uundgåeligt give fejl. For at sikre målenøjagtighed er det nødvendigt at bestemme forholdet mellem de to og at korrigere den faktiske målte hastighed ved hjælp af{10}}væskemekaniske principper; det vil sige, at der indføres en{11}}flowhastighedskorrektionsfaktor K, når der måles med en volumetrisk flowmåler.
På grund af kompleksiteten af flydende-strømningstilstande i rørledninger er de resulterende hastighedsfordelinger også komplekse . Nuværende forskning er hovedsageligt begrænset til hastighedsfordelingen under ideelle forhold, det vil sige hastighedsfordelingen under laminar flow og fuldt udviklet turbulent flow i glatte rør. Laminær strømning og turbulent strømning er to grundlæggende strømningstilstande for væsker i rør. Laminær strømning refererer til den tilstand, hvor væskepartikler ikke har nogen tværgående bevægelse, og kun aksial bevægelse tages i betragtning; turbulent flow refererer til den tilstand, hvori væskepartikler har både aksial og tværgående bevægelse. Fordi strømningsegenskaberne er forskellige under forskellige rørledningsstrømningstilstande, opnås forskellige hastighedsfordelinger.
En væskes strømningskarakteristika er i fællesskab påvirket af den gennemsnitlige hastighed i røret, den kinematiske viskositet og rørdiameteren, mens Reynolds-tallet ReReRe er et vigtigt indeks til at evaluere strømningstilstanden. Når 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 begynder væsken at gå over til en turbulent tilstand, og dette overgangsområde behandles generelt også som turbulent strømning.
FAQ
Hvad er et ultralyds-gasflowmåler for-transittid?
Et ultralyds-gasflowmåler for transittid- måler gasflow ved at sende ultralydsimpulser både nedstrøms og opstrøms og beregne flowhastigheden ud fra forskellen i deres transittider.
Hvad er forskellen mellem single-path og multi-path ultralydsflowmålere?
En enkelt-vejs flowmåler bruger et par transducere og en akustisk bane, mens en fler-vejs flowmåler bruger flere akustiske veje i forskellige højder eller vinkler for bedre at fange hastighedsprofilen og forbedre nøjagtigheden.
Hvorfor er der behov for en-flowhastighedskorrektionsfaktor?
Fordi hastighedsfordelingen i et rør ikke er helt ensartet, er hastigheden målt langs en enkelt akustisk bane ikke lig med den gennemsnitlige- tværsnitshastighed. En korrektionsfaktor forbinder de to.
Hvilke faktorer påvirker nøjagtigheden af måling af ultralydsgasstrøm?
Nøglefaktorer omfatter hastighedsprofilforvrængning, installationsforhold, Reynolds-tal, gassammensætning og lydhastighed, temperatur- og trykændringer og signalbehandlingsfejl.
