Doppler-flowmetre udnytter Doppler-effekten, som er forskydningen af frekvensen som følge af bølger udsendt af eller reflekteret af et bevægeligt objekt.
En almindelig erkendelse af Doppler-effekten er det opfattede skift i frekvensen af et hornrapport fra et bevægeligt køretøj: når køretøjet nærmer sig lytteren, synes hornets tonehøjde højere end normalt; når køretøjet passerer lytteren og begynder at bevæge sig, synes hornhøjden pludselig at "skifte ned" til en lavere frekvens.
I virkeligheden ændrer hornets frekvens aldrig, men hastigheden af det nærliggende køretøj i forhold til den stationære lytter virker til at "komprimere" de lydiske vibrationer i luften. Når køretøjet bevæger sig, strækkes lydbølgerne ud fra lytterens perspektiv.
Den samme effekt finder sted, hvis en lydbølge er rettet mod et bevægeligt objekt, og ekkoets frekvens sammenlignes med den transmitterede (hændelses) frekvens. Hvis den reflekterede bølge vender tilbage fra en boble, der går frem mod ultralydstransduceren, vil den reflekterede frekvens være større end hændelsesfrekvensen.
Hvis strømmen vender retning, og den reflekterede bølge vender tilbage fra en boble, der bevæger sig væk fra transduceren, vil den reflekterede frekvens være mindre end hændelsesfrekvensen.
Dette matcher fænomenet med et køretøjs hornhøjde tilsyneladende stigende, når køretøjet nærmer sig en lytter og tilsyneladende falder, når køretøjet bevæger sig væk fra en lytter.
En Doppler-flowmåler spretter lydbølger ud af bobler eller partikelformigt materiale i strømningsstrømmen, måler frekvensskiftet og udleder fluidhastighed fra størrelsen på dette skift.
Ultrasonic Flow Meter - Doppler Flow meter
Kravet om, at der skal være genstande i strømningsstrømmen, der er stor nok til at reflektere lydbølger, begrænser Doppler-ultralydsstrømmålere til væskeapplikationer.
“Beskidte” væsker såsom gylle og spildevand eller væsker, der bærer et betydeligt antal gasbobler (f.eks. Kulsyreholdige drikkevarer), er gode kandidatvæsker til denne teknologi.
Det er urealistisk at forvente, at enhver gasstrøm transporterer væskedråber eller fast stof stort nok til at afspejle stærke ekkoer, og Doppler-flowmålere kan derfor ikke bruges til at måle gasstrømmen.
Det matematiske forhold mellem fluidhastighed (v) og Doppler-frekvensskiftet (Δf) er som følger for fluidhastigheder, der er meget mindre end lydhastigheden gennem denne væske (v <>
Hvor,
Δf = Doppler-frekvensskift
v = Fluidens hastighed (faktisk af den partikel, der reflekterer lydbølgen)
f = Frekvens af hændelig lydbølge
θ = Vinkel mellem transducer og rørets midtlinie
c = Lydhastighed i procesvæsken
Se også: Ultralyds flowmåleranimation
Bemærk, hvordan Doppler-effekten giver en direkte måling af fluidhastigheden fra hvert ekko, der modtages af transduceren.
Dette står i markant kontrast til målinger af afstand baseret på time-off lys (tidsdomænereflektometri - hvor tidsmængden mellem den indfaldende puls og det returnerede ekko er proportionalt med afstanden mellem transduceren og den reflekterende overflade)
såsom ved anvendelse af ultralydsvæskeniveaumåling. I et Doppler-flowmeter er tidsforsinkelsen mellem hændelsen og de reflekterede impulser ikke relevant. Kun frekvensskiftet mellem hændelsen og reflekterede signaler betyder noget.
Denne frekvensforskydning er også direkte proportional med strømningshastigheden, hvilket gør Doppler-ultralyds flowmåleren til en lineær måleenhed.
Omarrangering af Doppler-frekvensskiftligningen for at løse for hastighed (igen under forudsætning af at v <>
Når vi kender til, at den volumetriske strømningshastighed er lig med produktet fra rørområdet og den gennemsnitlige hastighed af væsken (Q = Av), kan vi muligvis omskrive ligningen til direkte at løse for beregnet strømningshastighed (Q):
En meget vigtig overvejelse for Doppler-ultralydsstrømningsmåling er, at kalibreringen af flowmåleren varierer med lydhastigheden gennem væsken (c).
Dette fremgår let af tilstedeværelsen af c i ovennævnte ligning: når c stiger, skal proportionf forholdsmæssigt falde for enhver fast volumetrisk strømningshastighed Q.
Da flowmeteret er designet til direkte at fortolke strømningshastigheden i form af Δf, registreres en stigning i c, der forårsager et fald i Δf, som et fald i Q.
Dette betyder, at lyden for en væske skal være nøjagtigt kendt for, at et Doppler-ultralyds flowmeter kan måle flowet nøjagtigt.
Lydens hastighed gennem en hvilken som helst væske er en funktion af det mediets densitet og bulkmodul (hvor let det komprimeres):
Hvor,
c = lydhastighed i et materiale (meter per sekund)
B = Bulk modul (pascaler eller newton per kvadratmeter)
ρ = Massetæthed for væske (kilogram pr. kubikmeter)
Temperaturen påvirker væsketætheden, og sammensætningen (væskens kemiske bestanddel) påvirker bulkmodul. Således er temperatur og sammensætning begge indflydelsesfaktorer for Doppler-ultralyds flowmeterkalibrering.
Tryk er ikke et problem her, da tryk kun påvirker densiteten af gasser, og vi ved allerede, at Doppler-flowmetere kun fungerer med væsker.
Efter temaet med at kræve bobler eller partikler af tilstrækkelig størrelse er en anden begrænsning af Doppler-ultralydsstrømmålere deres manglende evne til at måle strømningshastigheder for væsker, der er for rene og for homogene. I sådanne applikationer vil lydbølgereflektionerne være for svage til pålidelig måling.
Dette er også tilfældet, når de faste partikler har en lydhastighed, der er for tæt på væskens, da reflektion kun sker, når en lydbølge støder på et materiale med en markant anderledes lydhastighed.
Ultralydsstrømmålere af doppler-type er ubrukelige i applikationer, hvor vi ikke kan opnå stærke lydbølgereflektioner.
Transittid-flowmetre, undertiden kaldet modpropagations-flowmetre, er et alternativ til Doppler ultralyds flowmetre.
En ultralydsmåler med transittid bruger et par modsatte sensorer til at måle tidsforskellen mellem en lydpuls, der bevæger sig med væskestrømmen mod en lydpuls, der bevæger sig mod fluidstrømmen.
Da bevægelsen af væske har en tendens til at bære en lydbølge med, vil den lydpuls, der transmitteres nedstrøms, gøre rejsen hurtigere end en lydpuls, der sendes opstrøms:
Flowmålere for transittid
Hastigheden af den volumetriske strømning gennem et gennemløbstidsstrømningsmåler er en enkel funktion af opstrøms- og nedstrømsformeringstiderne:
Hvor,
Q = Beregnet volumetrisk strømningshastighed
k = Konstant af proportionalitet
t up = Tid for lydpuls til at køre fra nedstrøms placering til opstrøms placering (opstrøms, mod strømmen)
t ned = Tid for lydpuls til at rejse fra opstrøms placering til nedstrøms placering (nedstrøms med strømmen)
Et interessant kendetegn ved måling af transit-tidshastighed er, at forholdet mellem transittidforskellen over produktionen af transittid forbliver konstant med ændringer i lydhastigheden gennem væsken.
Hvis du gerne vil bevise dette for dig selv, kan du gøre det ved at erstatte sti-længde (L), væskehastighed (v) og lydhastighed (c) for tiderne i strømningsformlen. Brug tup = L / (c − v) og tdown = L / (c + v) som dine substitutioner, reducer derefter algebraisk flowformlen, indtil du finder ud af, at alle c-udtryk annullerer. Dit slutresultat skal være Q = 2kv / L.
Når denne ligning støbes til sti-længde (L), fluidhastighed (v) og lydhastighed (c), forenkles ligningen til Q = 2kv / L, hvilket beviser, at transittidstrømmåleren er lineær ligesom Doppler flowmeter, med fordelen ved at være immun mod ændringer i væskens lydhastighed.
Ændringer i bulkmodul som følge af ændringer i væskesammensætning eller ændringer i tæthed som følge af sammensætnings-, temperatur- eller trykvariationer har derfor ringe indflydelse på en gennemløbstidsmålerens nøjagtighed.
Ikke kun er ultralydstrømmålerne i transittid immun mod ændringer i lydhastigheden, men de er også i stand til at måle denne lydhastighed uafhængig af strømningshastigheden.
Ligningen til beregning af lydhastighed baseret på opstrøms og nedstrøms forplantningstider er som følger:
Hvor,
c = Beregnet lydhastighed i væske
L = Sti-længde
t up = Tid for lydpuls til at køre fra nedstrøms placering til opstrøms placering (opstrøms, mod strømmen)
t ned = Tid for lydpuls til at rejse fra opstrøms placering til nedstrøms placering (nedstrøms med strømmen)
Selvom det ikke er nødvendigt eller endda særlig relevant for det direkte formål med flowmåling, er denne inferens af fluidens lydhastighed ikke desto mindre nyttig som et diagnostisk værktøj. Hvis den sande lydhastighed for væsken er kendt enten ved direkte laboratoriemåling af en prøve eller ved kemisk analyse af en prøve, kan denne hastighed sammenlignes med flowmålerens rapporterede lydhastighed for at kontrollere flowmålerens absolutte transittidmåleøjagtighed . Visse problemer inden for sensorerne eller inden for sensorelektronikken kan detekteres på denne måde.
Et krav til pålidelig drift af en ultralydsmåler for transittid er, at procesfluidet er fri for gasbobler eller faste partikler, der kan sprede eller hindre lydbølgerne.
Bemærk, at dette er netop det modsatte krav fra Doppler-ultralydstrømningsmåler, som kræver bobler eller partikler for at reflektere lydbølger.
Disse modstridende krav skelner pænt applikationer, der er egnede til gennemløbstidsstrømmålere, fra applikationer, der er egnede til Doppler-flowmålere, og øger også muligheden for at anvende transit-tid ultralydsstrømmålere på gasstrømningsstrømme såvel som på væskestrømstrømme.
