Meter aliran ultrasonik gas merujuk kepada meter aliran yang dipasang pada saluran paip dengan gas yang mengalir dan mengukur aliran gas dengan menggunakan prinsip ultrasonik. Meter aliran ultrasonik gas-satu laluan merujuk kepada peranti yang dilengkapi dengan hanya satu laluan akustik, manakala meter aliran ultrasonik gas dengan dua atau lebih laluan akustik dipanggil meter aliran ultrasonik gas berbilang-laluan.
Bagaimanakah meter aliran ultrasonik berfungsi?Prinsip asas untuk mengukur halaju aliran dengan meter aliran ultrasonik gas adalah untuk mengira halaju aliran, kadar aliran, ketumpatan dan parameter lain cecair gas dengan mengukur masa perambatan gelombang ultrasonik dalam medium gas. Bab ini menganalisis terutamanya prinsip operasi pengukuran aliran ultrasonik masa transit-dan faktor yang mempengaruhi pengukuran aliran serta menjalankan kajian simulasi tentang cara meningkatkan-ketepatan pengukuran aliran, supaya dapat membuat persediaan untuk kajian kaedah pengukuran aliran ultrasonik gas berbilang-laluan-dan pemodelan mekanisme.
Analisis Prinsip Operasi Transit-Pengukuran Aliran Gas Ultrasonik Masa
Kaedah pengukuran-masa aliran gas ultrasonik-adalah kaedah pengukuran aliran gas-di mana, sepanjang laluan gas yang sama, perbezaan masa-perambatan antara dua isyarat ultrasonik yang bergerak ke hilir dan ke hulu digunakan untuk menentukan halaju aliran gas purata sepanjang laluan akustik. Apabila gelombang ultrasonik merambat dalam medium gas yang mengalir, kelajuan perambatannya berbeza dengan halaju aliran gas.
Lebih khusus lagi, kelajuan perambatan gelombang ultrasonik berubah dalam arah yang sama seperti halaju aliran gas: apabila halaju aliran gas meningkat, halaju gelombang ultrasonik yang merambat dalam arah yang sama juga meningkat dengan sewajarnya; sebaliknya, jika halaju aliran gas meningkat semasa bertentangan dengan arah perambatan ultrasonik, halaju ultrasonik akan berkurangan dengan sewajarnya.
Struktur Asas Paip Ultrasonik-Penderia Aliran
Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah. 2.1, dua transduser ultrasonik yang mampu menghantar dan menerima denyutan ultrasonik (dirujuk sebagai probe atau transduser) dibenamkan pada satu sisi atau pada kedua-dua belah saluran paip. Laluan sebenar isyarat ultrasonik antara transduser pemancar dan penerima dipanggil laluan akustik; oleh itu, sepasang transduser membentuk satu laluan akustik. Membran pemancar bunyi-atau bahagian dinding pandu gelombang akustik disusun antara transduser dan medium bendalir. Dalam satu-pengukur aliran ultrasonik laluan, garis pandu gelombang antara dua transduser ultrasonik bersilang dengan paksi instrumen.
Rajah. 2.1 Gambar rajah skema prinsip transit-masa pengukuran aliran ultrasonik
Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah. 2.1, diameter paip ialah D. Jarak garisan-lurus antara muka hujung transduser A dan B yang tertanam pada kedua-dua belah saluran paip ialah panjang laluan-akustik L (juga dikenali sebagai jarak akustik L), dan hubungannya dengan diameter D ialah
Rajah. 2.1 Hubungan geometri antara akustik-panjang laluan dan diameter paip-masa transit meter aliran ultrasonik
di mana φ ialah sudut kecondongan laluan akustik, iaitu sudut antara laluan akustik dan paksi paip. Sudut kecondongan laluan akustik juga merupakan sudut kejadian gelombang ultrasonik. Sudut tuju φ dipengaruhi oleh kelajuan bunyi dalam bendalir, serta oleh kelajuan bunyi dalam baji dan dalam bahan dinding-paip.
Secara umumnya, variasi kelajuan bunyi dengan suhu dalam bahan pepejal adalah lebih kecil daripada dalam bahan gas. Apabila variasi suhu tidak besar, pengaruh baji dan bahan dinding-paip pada ketepatan pengukuran boleh diabaikan; namun, apabila julat variasi suhu adalah besar, perubahan besar dalam kelajuan bunyi dalam baji dan bahan dinding-paip mesti diperbetulkan.
Untuk transduser dengan sudut kejadian 30 darjah, pekali penghantaran agak tinggi, kehilangan tenaga adalah kecil, dan voltan pengujaan yang diperlukan adalah rendah. Transduser sedemikian sesuai untuk meter aliran ultrasonik pegang tangan yang tidak sesuai untuk menggunakan bekalan kuasa AC. Transduser dengan sudut kejadian 45 darjah mempunyai pekali penghantaran yang agak rendah tetapi boleh menggunakan cip transduser yang lebih besar dan voltan pengujaan yang lebih tinggi, dan oleh itu sesuai untuk meter aliran ultrasonik tetap atau yang boleh menggunakan bekalan kuasa AC.
Prinsip Operasi Transit-Pengukuran Aliran Gas Ultrasonik Masa
Teknologi pengukuran masa-aliran gas ultrasonik masa-menentukan halaju aliran purata paksi Vz pada satah yang dibentuk oleh laluan akustik dan paksi, dengan mengukur perbezaan masa antara gelombang ultrasonik yang merambat ke hilir dan ke hulu dalam medium gas. Masa transit gelombang ultrasonik berbeza dalam arah hiliran dan hulu. Masa transit hiliran ialah:
Rajah. 2.2 Persamaan masa transit ultrasonik hiliran-
dan masa transit hulu ialah
Rajah. 2.3 Persamaan masa transit ultrasonik huluan-
di mana C ialah kelajuan bunyi gelombang ultrasonik dalam bendalir terukur pegun, iaitu kelajuan bunyi; Vz ialah halaju aliran purata bendalir dalam arah paksi pada satah yang dibentuk oleh laluan ultrasonik dan paksi paip, juga dipanggil laluan-halaju purata.
Apabila pengaruh bunyi-perubahan kelajuan disebabkan persekitaran paip dalaman tidak dipertimbangkan, ungkapan untuk laluan-halaju purata ialah
Rajah. 2.4 Ungkapan untuk laluan-purata halaju paksi
Dengan mengukur masa transit hiliran tD dan masa transit hulu tU gelombang ultrasonik, perbezaan masa antara perambatan hulu dan hiliran diperoleh sebagai
Rajah. 2.5 Takrif transit hulu–hilir-perbezaan masa
Menggunakan kaedah masa transit-, laluan-purata halaju satu laluan akustik boleh diperolehi. Berdasarkan halaju purata laluan akustik yang berbeza, dan menggunakan algoritma yang sesuai, halaju purata berserenjang dengan keseluruhan keratan-boleh dikira, yang dipanggil volum-halaju purata V.
Kaedah mengukur halaju purata bendalir (isipadu) saluran paip V dengan mengukur perbezaan masa transit-antara perambatan ultrasonik huluan dan hiliran dipanggil kaedah pengukuran aliran ultrasonik masa-masa transit-. Pengukur aliran yang mengukur aliran bendalir saluran paip menggunakan kaedah ultrasonik masa transit-dirujuk sebagai meter aliran ultrasonik masa transit-.
Hubungan antara laluan-purata halaju pada laluan akustik bagi meter alir ultrasonik masa transit-dan volum-purata halaju dalam saluran paip ialah
Rajah. 2.6 Takrif aliran-faktor pembetulan halaju
di mana K dipanggil faktor pembetulan-aliran. Faktor pembetulan halaju-aliran diperoleh daripada model matematik profil taburan halaju dalam bahagian ukuran meter alir. Mengikut rejim aliran gas dalam saluran paip, faktor pembetulan halaju-aliran boleh diperolehi. Oleh itu, daripada persamaan (2.4) dan (2.6), purata halaju gas dalam saluran paip ialah
Rajah. 2.7 Hubungan antara paip-purata halaju dan laluan-purata halaju
Kadar aliran isipadu boleh didapati daripada persamaan (2.7) sebagai
Rajah. 2.8 Persamaan kadar aliran volumetrik-
dengan A ialah -luas keratan rentas paip.
Selepas pampasan tekanan dan suhu kadar aliran isipadu, kadar aliran jisim boleh diperolehi sebagai
Rajah. 2.9 Persamaan kadar aliran jisim-dengan pembetulan tekanan–suhu–kebolehmampatan
di mana Z ialah faktor kebolehmampatan gas; P0 dan P ialah parameter tekanan pada keadaan standard dan keadaan sebenar, masing-masing; T0 dan T ialah nilai suhu pada keadaan standard dan keadaan sebenar, masing-masing; dan ρ0 ialah ketumpatan medium gas di bawah keadaan piawai.
Setelah halaju aliran diperoleh, isipadu bendalir yang melalui paip dengan diameter tertentu dalam tempoh tertentu boleh dikira. Isipadu aliran F yang melalui paip dalam 1 jam ialah 79:
Rajah. 2.10 Isipadu sejam cecair melalui paip berdasarkan transit-ukuran masa-masa transit prinsip kerja meter aliran ultrasonik
Prinsip Operasi Asas Pengukuran Aliran Gas Ultrasonik Pelbagai-Laluan
Meter aliran ultrasonik gas boleh dibahagikan kepada jenis-laluan dan berbilang-laluan, kedua-duanya adalah berdasarkan prinsip masa-transit untuk pengukuran aliran ultrasonik. Pada masa ini, antara produk serupa di luar negara, bilangan laluan akustik boleh menjadi sebanyak enam. Dalam pengukur aliran ultrasonik berbilang-laluan, ViV_iVi mewakili laluan-purata halaju pada laluan akustik-ke-III. Ia diperoleh dengan mengukur masa transit ultrasonik hiliran dan huluan, mengira perbezaan masa antara keduanya, dan kemudian mengira laluan{10}}purata halaju.
Mengikut hubungan antara laluan-purata halaju setiap laluan akustik dan aliran-faktor pembetulan halaju, isipadu-purata halaju gas dalam saluran paip boleh dianggarkan sebagai
Rajah. 2.11 berbilang-persamaan halaju purata berwajaran-cara meter aliran ultrasonik berfungsi
dengan WiW_iWi ialah pekali pemberat bagi setiap laluan akustik, dan nilainya bergantung pada algoritma penyepaduan yang diterima pakai.
Rajah. 2.12 Berbilang-aliran volumetrik laluan-persamaan kadar-meter aliran ultrasonik cara ia berfungsi
Secara teori, lebih banyak laluan akustik yang ada, lebih tinggi ketepatan pengukuran sepatutnya. Walau bagaimanapun, pengalaman praktikal telah menunjukkan bahawa apabila bilangan laluan akustik merentas-bahagian mencecah empat, meningkatkan lagi bilangan laluan menyumbang sangat sedikit untuk meningkatkan ketepatan, sambil meningkatkan kos pembuatan dengan ketara.
Analisis Faktor Yang Mempengaruhi Pengukuran Aliran Gas Ultrasonik
Mengikut formula pengiraan-halaju dan aliran-aliran bagi meter alir ultrasonik gas, halaju aliran atau kadar alir adalah berkaitan dengan beberapa aspek, seperti parameter geometri paip pengukur,-faktor pembetulan halaju (atau pekali pemberat) dan nilai terukur masa perambatan ultrasonik. Analisis berikut dijalankan dari aspek-aspek tersebut.
Pembetulan Aliran-Faktor Halaju dan Peningkatan Ketepatan Pengukuran
Dalam pengukur aliran ultrasonik gas masa transit-di atas, kajian adalah berdasarkan keadaan ideal di mana halaju purata laluan-diagihkan secara seragam ke atas keratan rentas paip-. Dalam situasi praktikal, disebabkan oleh-taburan halaju yang tidak seragam bagi bendalir merentas keratan rentas paip-, halaju yang diperoleh melalui pengiraan sebenarnya ialah laluan-purata halaju sepanjang arah perambatan ultrasonik dan arah paksi, yang diperoleh daripada perbezaan masa transit ultrasonik yang diukur-. Kadar aliran isipadu yang dikira akhir pasti akan menghasilkan ralat. Untuk memastikan ketepatan pengukuran, adalah perlu untuk menentukan hubungan antara kedua-duanya dan untuk membetulkan halaju diukur sebenar menggunakan prinsip{10}mekanik bendalir; iaitu, faktor pembetulan{11}}aliran K diperkenalkan apabila mengukur dengan meter alir isipadu.
Disebabkan oleh kerumitan keadaan aliran bendalir-dalam saluran paip, taburan halaju yang terhasil juga kompleks . Penyelidikan semasa terutamanya terhad kepada taburan halaju dalam keadaan ideal, iaitu, taburan halaju di bawah aliran laminar dan aliran turbulen yang dibangunkan sepenuhnya dalam paip licin. Aliran laminar dan aliran gelora adalah dua keadaan aliran asas bagi bendalir dalam paip. Aliran lamina merujuk kepada keadaan di mana zarah bendalir tidak mempunyai gerakan melintang dan hanya gerakan paksi yang dipertimbangkan; aliran gelora merujuk kepada keadaan di mana zarah bendalir mempunyai kedua-dua gerakan paksi dan melintang. Oleh kerana ciri-ciri aliran berbeza di bawah keadaan aliran saluran paip yang berbeza, taburan halaju yang berbeza diperolehi.
Ciri-ciri aliran bendalir dipengaruhi secara bersama oleh halaju purata dalam paip, kelikatan kinematik, dan diameter paip, manakala nombor Reynolds ReReRe ialah indeks penting untuk menilai keadaan aliran. Apabila 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, bendalir mula beralih kepada keadaan bergelora, dan kawasan peralihan ini secara amnya juga dianggap sebagai aliran bergelora.
Soalan Lazim
Apakah meter aliran gas ultrasonik masa transit-?
Meter aliran gas ultrasonik masa transit-mengukur aliran gas dengan menghantar denyutan ultrasonik ke hilir dan hulu serta mengira halaju aliran daripada perbezaan masa transitnya.
Apakah perbezaan antara pengukur aliran ultrasonik-laluan dan berbilang-laluan?
Satu-pengukur alir laluan menggunakan sepasang transduser dan satu laluan akustik, manakala meter alir berbilang-laluan menggunakan beberapa laluan akustik pada ketinggian atau sudut yang berbeza untuk menangkap profil halaju dengan lebih baik dan meningkatkan ketepatan.
Mengapakah faktor pembetulan-aliran diperlukan?
Oleh kerana taburan halaju dalam paip tidak seragam dengan sempurna, halaju yang diukur sepanjang laluan akustik tunggal tidak sama dengan-halaju purata keratan rentas. Faktor pembetulan menghubungkan keduanya.
Faktor manakah yang mempengaruhi ketepatan pengukuran aliran gas ultrasonik?
Faktor utama termasuk herotan profil halaju, keadaan pemasangan, nombor Reynolds, komposisi gas dan kelajuan bunyi, perubahan suhu dan tekanan, dan ralat pemprosesan isyarat.
