Pengatur aliran Doppler mengeksploitasi kesan Doppler, iaitu pergeseran kekerapan akibat dari gelombang yang dipancarkan atau dicerminkan oleh objek yang bergerak.
Kesedaran umum kesan Doppler adalah pergeseran yang dianggap kekerapan laporan tanduk dari kenderaan yang bergerak: sebagai kenderaan mendekati pendengar, padang tanduk kelihatan lebih tinggi daripada biasa; apabila kenderaan itu melewati pendengar dan mula bergerak, padang tanduk kelihatan tiba-tiba "beralih ke" frekuensi yang lebih rendah.
Pada hakikatnya, kekerapan tanduk tidak pernah berubah, tetapi halaju kenderaan yang menghampiri berbanding pendengar pegun bertindak untuk "memampatkan" getaran sonik di udara. Apabila kenderaan bergerak, gelombang bunyi "diluaskan" dari perspektif pendengar.
Kesan yang sama berlaku jika gelombang bunyi ditujukan kepada objek yang bergerak, dan frekuensi echo dibandingkan dengan frekuensi yang dihantar (insiden). Sekiranya gelombang yang dipantulkan kembali dari gelembung yang bergerak ke arah transducer ultrasonik, frekuensi yang dipantulkan akan lebih besar daripada kekerapan kejadian.
Sekiranya aliran mengalir arah dan gelombang yang dipantulkan pulih dari gelembung yang menjauhkan diri dari transducer, frekuensi yang dicerminkan akan kurang daripada kekerapan kejadian.
Ini sepadan dengan fenomena tanduk tanduk kenderaan yang semakin meningkat apabila kenderaan itu mendekati pendengar dan seolah-olah berkurangan apabila kenderaan bergerak dari pendengar.
A flowmeter Doppler melancarkan gelombang bunyi dari gelembung atau bahan partikel dalam aliran aliran, mengukur peralihan kekerapan dan menyimpulkan halaju bendalir dari magnitud perubahan itu.
Meter Aliran Ultrasonik - Aliran Doppler meter
Keperluan untuk menjadi objek di arus aliran yang cukup besar untuk mencerminkan had gelombang bunyi Doppler meter aliran ultrasonik ke aplikasi cair.
Cecair kotor seperti buburan dan air kumbahan, atau cecair yang membawa sejumlah besar buih gas (contohnya minuman berkarbonat) adalah cecair calon yang baik untuk teknologi ini.
Tidak realistik untuk menjangkakan bahawa sebarang aliran gas akan membawa titisan cecair atau bahan pepejal yang cukup besar untuk menggambarkan gema kuat, dan aliran meter Doppler tidak dapat digunakan untuk mengukur aliran gas.
Hubungan matematik antara halaju bendalir (v) dan peralihan kekerapan Doppler (Δf) adalah seperti berikut, untuk halaju bendalir yang kurang dari kelajuan bunyi melalui bendalir (v <>
Di mana,
Δf = Peralihan kekerapan doppler
v = Velocity of liquid (sebenarnya, dari zarah yang mencerminkan gelombang bunyi)
f = Kekerapan gelombang bunyi insiden
θ = Sudut antara transduser dan pusat garis pusat paip
c = Kelajuan bunyi dalam cecair proses
Juga Lihat: Ultrasonic Flow meter Animation
Perhatikan bagaimana kesan Doppler menghasilkan pengukuran langsung halaju bendalir dari setiap gema yang diterima oleh transducer.
Ini bertentangan dengan pengukuran jarak berdasarkan cahaya masa (reflectometry domain masa - di mana jumlah masa antara nadi kejadian dan echo yang dikembalikan adalah berkadar dengan jarak antara transduser dan permukaan yang mencerminkan)
seperti dalam pengukuran tahap cecair ultrasonik. Dalam meter aliran Doppler, kelewatan masa antara kejadian dan denyutan denyutan tidak relevan. Hanya peralihan kekerapan antara insiden dan isyarat yang dicerminkan.
Peralihan kekerapan ini juga berkadar terus dengan halaju aliran, menjadikan aliran flow ultrasonik Doppler peranti pengukuran linear.
Menyusun semula persamaan peralihan kekerapan Doppler untuk menyelesaikan halaju (lagi, dengan asumsi v <>
Mengetahui bahawa kadar aliran volumetrik adalah sama dengan produk kawasan paip dan halaju purata bendalir (Q = Av), kita boleh menulis semula persamaan untuk menyelesaikan secara langsung untuk kadar aliran dikira (Q):
Pertimbangan yang sangat penting untuk pengukuran aliran ultrasonik Doppler ialah penentukuran meter aliran berbeza-beza dengan kelajuan bunyi melalui cecair (c).
Ini mudah dilihat dengan kehadiran c dalam persamaan di atas: sebagai c meningkat, Δf mesti berkadar secara berkadar untuk kadar aliran volumetrik tetap Q.
Oleh kerana flowmeter direka untuk menafsirkan secara langsung kadar aliran dari segi Δf, peningkatan dalam menyebabkan penurunan dalam Δf akan mencatatkan penurunan pada Q.
Ini bermakna kelajuan bunyi untuk cecair mestilah diketahui dengan tepat agar aliran alir ultrasonik Doppler untuk mengukur aliran dengan tepat.
Kelajuan bunyi melalui sebarang bendalir adalah fungsi ketumpatan sederhana dan modulus pukal (betapa mudahnya memampatkan):
Di mana,
c = kelajuan bunyi dalam bahan (meter sesaat)
B = modulus Buluh (pascals, atau newtons per meter persegi)
ρ = Kepadatan cecair massa (kilogram per meter padu)
Suhu mempengaruhi ketumpatan cecair, dan komposisi (kawasan kimia cecair) mempengaruhi modulus pukal. Oleh itu, suhu dan komposisi kedua-duanya mempengaruhi faktor untuk penentukuran flowmeter Doppler ultrasonik.
Tekanan tidak menjadi masalah di sini, kerana tekanan hanya memberi kesan kepada ketumpatan gas, dan kita sudah tahu aliran flow Doppler hanya berfungsi dengan cecair.
Berikutan tema mewajibkan gelembung atau zarah saiz yang mencukupi, satu lagi batasan aliran darah ultrasonik Doppler adalah ketidakupayaan mereka untuk mengukur kadar aliran cecair yang terlalu bersih dan terlalu homogen. Dalam aplikasi sedemikian, pantulan gelombang bunyi akan terlalu lemah untuk mengukur secara pasti.
Begitu juga apabila zarah pepejal mempunyai kelajuan bunyi terlalu dekat dengan cecair itu, kerana refleksi berlaku hanya apabila gelombang bunyi menemui bahan dengan kelajuan bunyi yang sangat berbeza.
Pengukur aliran ultrasonik jenis Doppler tidak berguna di dalam aplikasi di mana kita tidak boleh mendapatkan pantulan gelombang bunyi yang kuat.
Flow-flow transit-time, kadang-kadang dipanggil flowmeters counterpropagation, adalah alternatif kepada flowmeters ultrasonik Doppler.
Aliran aliran ultrasonik transit-masa menggunakan sepasang sensor yang menentang untuk mengukur perbezaan masa antara nadi bunyi yang bergerak dengan aliran bendalir berbanding nadi bunyi yang bergerak ke arah aliran bendalir.
Oleh kerana gerakan cecair cenderung untuk membawa gelombang bunyi di sepanjang, nadi bunyi yang dihantar ke hilir akan membuat perjalanan lebih cepat daripada nadi bunyi yang dihantar ke hulu:
Meter aliran masa transit
Kadar aliran volumetrik melalui meter aliran transit adalah fungsi yang mudah dari masa penyebaran hulu dan hiliran:
Di mana,
Q = Kadar aliran volumetrik yang dikira
k = Peratusan berkekalan
t = Waktu untuk nadi bunyi untuk bergerak dari lokasi hilir ke lokasi hulu (hulu, terhadap aliran)
t turun = Masa untuk nadi bunyi untuk bergerak dari lokasi hulu ke lokasi hiliran (hiliran, dengan aliran)
Sifat yang menarik bagi pengukuran halaju transit-masa adalah bahawa nisbah perbezaan masa transit ke atas produk masa transit kekal tetap dengan perubahan dalam kelajuan bunyi melalui bendalir.
Sekiranya anda ingin membuktikannya kepada diri sendiri, anda boleh melakukannya dengan menggantikan panjang laluan (L), halaju bendalir (v), dan halaju bunyi (c) untuk masa dalam formula aliran. Gunakan tup = L / (c-v) dan tdown = L / (c + v) sebagai penggantian anda, kemudian algebraically mengurangkan formula aliran sehingga anda mendapati bahawa semua syarat c akan dibatalkan. Keputusan terakhir anda ialah Q = 2kv / L.
Apabila persamaan ini dibahagikan kepada panjang laluan (L), halaju bendalir (v), dan halaju bunyi (c), persamaan memudahkan kepada Q = 2kv / L, membuktikan bahawa aliran aliran masa transit adalah linear seperti Doppler flowmeter, dengan kelebihan kebal terhadap perubahan dalam kelajuan bunyi cecair.
Perubahan dalam modulus pukal yang terhasil daripada perubahan dalam komposisi bendalir, atau perubahan ketumpatan yang disebabkan oleh komposisi, suhu, atau variasi tekanan oleh itu mempunyai sedikit kesan pada ketepatan meter aliran masa transit.
Bukan sahaja meter arus ultrasonik transit masa kebal kepada perubahan dalam kelajuan bunyi, tetapi mereka juga dapat mengukur halaju sonik yang tidak bergantung pada kadar aliran.
Persamaan untuk mengira kelajuan bunyi berdasarkan masa penyebaran hulu dan hiliran adalah seperti berikut:
Di mana,
c = kelajuan bunyi yang dikira dalam cecair
L = Panjang laluan
t = Waktu untuk nadi bunyi untuk bergerak dari lokasi hilir ke lokasi hulu (hulu, terhadap aliran)
t turun = Masa untuk nadi bunyi untuk bergerak dari lokasi hulu ke lokasi hiliran (hiliran, dengan aliran)
Walaupun tidak perlu atau bahkan sangat relevan untuk tujuan pengukuran aliran langsung, kesimpulan ini kelajuan bunyi cecair tetap bermanfaat sebagai alat diagnostik. Sekiranya kelajuan sebenar bunyi untuk bendalir diketahui sama ada oleh pengukuran makmal langsung sampel atau analisis kimia sampel, kelajuan ini boleh dibandingkan dengan kelajuan bunyi aliran yang dilaporkan meter untuk memeriksa ketepatan pengukuran masa transit meter mutlak . Masalah tertentu dalam sensor atau dalam sensor elektronik mungkin dikesan dengan cara ini.
Keperluan untuk pengendalian yang boleh dipercayai meter aliran ultrasonik transit-masa adalah bahawa cecair proses bebas dari gelembung gas atau zarah pepejal yang mungkin berselerak atau menghalang gelombang bunyi.
Perhatikan bahawa ini adalah keperluan yang bertentangan meter aliran ultrasonik Doppler, yang memerlukan gelembung atau zarah untuk menggambarkan gelombang bunyi.
Keperluan menentang ini membezakan aplikasi yang sesuai untuk meter aliran masa transit dari aplikasi yang sesuai untuk meter aliran Doppler, dan juga meningkatkan kemungkinan menggunakan aliran aliran ultrasonik aliran pada aliran aliran gas serta aliran aliran cecair.
