Un cabalímetre ultrasònic de gas fa referència a un mesurador de cabal que s'instal·la en una canonada amb gas que flueix i mesura el flux de gas mitjançant el principi d'ultrasons. Un cabalímetre d'ultrasons de gas d'un sol-camí es refereix a un dispositiu equipat amb un sol camí acústic, mentre que un cabalímetre d'ultrasons de gas amb dos o més camins acústics s'anomena cabalímetre d'ultrasons de gas de múltiples-camís.
Com funciona un mesurador de flux ultrasònic? El principi bàsic per mesurar la velocitat del flux amb un mesurador de flux ultrasònic de gas és calcular la velocitat del flux, el cabal, la densitat i altres paràmetres del fluid gasós mesurant el temps de propagació de les ones ultrasòniques en el medi gasós. Aquest capítol analitza principalment el principi de funcionament de la mesura del flux ultrasònic en temps de trànsit-i els factors que afecten el mesurament del flux, i realitza estudis de simulació sobre com millorar la precisió de la mesura del flux-per tal de preparar-se per a l'estudi dels mètodes de mesura del flux ultrasònic de gas de-camís múltiples- i modelització de mecanismes.
Anàlisi del principi de funcionament de la mesura del flux de gas per ultrasons en temps de trànsit-
El mètode de mesura del flux de gas ultrasònic-temps de trànsit- és un mètode de mesura del flux-de gas en què, en la mateixa longitud del camí del gas, la diferència de temps de propagació-entre dos senyals ultrasònics que viatgen aigües avall i aigües amunt s'utilitza per determinar la velocitat mitjana del flux de gas al llarg del camí acústic. Quan les ones ultrasòniques es propaguen en un medi gasós que flueix, la seva velocitat de propagació varia amb la velocitat del flux del gas.
Més concretament, la velocitat de propagació de les ones ultrasòniques canvia en la mateixa direcció que la velocitat del flux de gas: quan augmenta la velocitat del flux de gas, la velocitat de l'ona ultrasònica que es propaga en la mateixa direcció també augmenta en conseqüència; per contra, si la velocitat del flux de gas augmenta mentre és oposada a la direcció de propagació ultrasònica, la velocitat ultrasònica disminuirà en conseqüència.
Estructura bàsica d'un sensor de flux-de tub ultrasònic
Com es mostra a la figura . 2.1, dos transductors d'ultrasons capaços de transmetre i rebre polsos ultrasònics (anomenats sondes o transductors) estan incrustats en un costat o a banda i banda de la canonada. El camí real del senyal ultrasònic entre els transductors transmissors i receptors s'anomena camí acústic; així, un parell de transductors formen un camí acústic. Entre els transductors i el medi fluid es disposa una membrana-de transmissió de so o una secció de paret de guia d'ones acústiques. En un cabalímetre ultrasònic d'un sol-camí, la línia de guia d'ones entre els dos transductors ultrasònics talla l'eix de l'instrument.
Fig. 2.1 Diagrama esquemàtic del principi de la mesura del flux ultrasònic en temps de trànsit-
Tal com es mostra a la figura . 2.1, el diàmetre de la canonada és D. La distància en línia recta-entre les cares extremes dels transductors A i B encastats a banda i banda de la canonada és la longitud del camí-acústic L (també anomenada distància acústica L) i la seva relació amb el diàmetre D és
Fig. 2.1 Relació geomètrica entre la longitud del camí acústic-i el diàmetre de la canonada-temps de trànsit mesurador de cabal ultrasònic
on φ és l'angle d'inclinació de la trajectòria acústica, és a dir, l'angle entre la trajectòria acústica i l'eix de la canonada. L'angle d'inclinació del camí acústic també és l'angle d'incidència de l'ona ultrasònica. L'angle d'incidència φ es veu afectat per la velocitat del so en el fluid, així com per la velocitat del so a la falca i al material de la paret-de la canonada.
En general, la variació de la velocitat del so amb la temperatura en materials sòlids és menor que en materials gasosos. Quan la variació de temperatura no és gran, es pot descuidar la influència dels materials de la falca i de la paret de canonada-en la precisió de la mesura; tanmateix, quan l'interval de variació de temperatura és gran, s'ha de corregir el gran canvi de velocitat del so en els materials de la falca i la paret de la canonada-.
Per a un transductor amb un angle d'incidència de 30 graus, el coeficient de transmissió és relativament alt, la pèrdua d'energia és petita i la tensió d'excitació necessària és baixa. Aquest transductor és adequat per a mesuradors de cabal ultrasònics de mà que no són convenients per utilitzar una font d'alimentació de CA. Un transductor amb un angle d'incidència de 45 graus té un coeficient de transmissió relativament baix, però pot adoptar un xip transductor més gran i una tensió d'excitació més alta i, per tant, és adequat per a mesuradors de cabal ultrasònic fixos o que poden utilitzar una font d'alimentació de CA.
Principi de funcionament de la mesura del flux de gas ultrasònic en temps de trànsit-
La tecnologia de mesura del flux de gas ultrasònic-temps de trànsit- determina la velocitat mitjana del flux axial Vz en el pla format pel camí acústic i l'eix, mesurant la diferència de temps entre les ones ultrasòniques que es propaguen aigües avall i aigües amunt en el medi gasós. Els temps de trànsit de les ones ultrasòniques difereixen en les direccions aigües avall i aigües amunt. El temps de trànsit aigües avall és:
Fig. 2.2 Equació del temps de trànsit d'ultrasons aigües avall-
i el temps de trànsit aigües amunt és
Fig. 2.3Equació del temps de trànsit ultrasònic-aigües amunt
on C és la velocitat del so de les ones ultrasòniques en el fluid mesurat estacionari, és a dir, la velocitat del so; Vz és la velocitat mitjana del flux del fluid en la direcció axial en el pla format pel camí ultrasònic i l'eix de la canonada, també anomenada velocitat mitjana del camí-.
Quan no es considera la influència de la-variació de la velocitat del so a causa de l'entorn de la canonada interna, l'expressió de la velocitat mitjana del camí- és
Fig. 2.4 Expressió per a la velocitat axial mitjana del camí-
Mitjançant la mesura del temps de trànsit aigües avall tD i el temps de trànsit aigües amunt tU de l'ona ultrasònica, s'obté la diferència de temps entre la propagació aigües amunt i aigües avall com a
Fig. 2.5 Definició de la diferència horària entre aigües amunt i aigües avall-
Mitjançant el mètode del-temps de trànsit, es pot obtenir la velocitat mitjana del camí-d'un camí acústic. A partir de les velocitats mitjanes de diferents camins acústics i utilitzant algorismes adequats, es pot calcular la velocitat mitjana perpendicular a tota la secció transversal-, que s'anomena velocitat mitjana de volum-V.
El mètode per mesurar la velocitat mitjana del fluid (volum) de la canonada V mitjançant la mesura de la diferència de temps de trànsit-entre la propagació ultrasònica aigües amunt i aigües avall s'anomena mètode de mesura del flux ultrasònic-temps de trànsit-. Un mesurador de cabal que mesura el flux de fluid de la canonada mitjançant el mètode d'ultrasons de temps de trànsit-s'anomena cabalímetre d'ultrasons de temps de trànsit-.
La relació entre la{0}}velocitat mitjana del camí a la ruta acústica d'un cabalímetre ultrasònic de-temps de trànsit i la velocitat mitjana del volum-de la canonada és
Fig. 2.6 Definició del factor de correcció de la velocitat-flux
on K s'anomena factor de correcció de la velocitat del flux-. El factor de correcció de la velocitat-de flux es deriva del model matemàtic del perfil de distribució de velocitat a la secció de mesura del cabalímetre. Segons el règim de flux de gas a la canonada, es pot obtenir el factor de correcció de la velocitat del flux-. Així, a partir de les equacions (2.4) i (2.6), la velocitat mitjana del gas a la canonada és
Fig. 2.7 Relació entre la-velocitat mitjana de la canonada i la velocitat mitjana del camí-
El cabal volumètric es pot obtenir a partir de l'equació (2.7) com
Figura. 2.8 Equació de la velocitat-de flux volumètric
on A és l'àrea de la-secció transversal de la canonada.
Després de la compensació de pressió i temperatura del cabal volumètric, es pot obtenir el cabal massiu com
Figura. 2.9 Equació del cabal-de la velocitat amb correcció pressió-temperatura-compressibilitat
on Z és el factor de compressibilitat del gas; P0 i P són els paràmetres de pressió en condicions estàndard i condicions reals, respectivament; T0 i T són els valors de temperatura en condicions estàndard i condicions reals, respectivament; i ρ0 és la densitat del medi gasós en condicions estàndard.
Un cop obtinguda la velocitat del flux, es pot calcular el volum de fluid que passa per una canonada d'un diàmetre determinat durant un període determinat. El volum de cabal F que passa per la canonada en 1 h és 79:
Fig. 2.10 Volum horari de fluid a través de la canonada basat en el principi de funcionament del mesurador de cabal ultrasònic-temps de trànsit-temps de trànsit
Principi de funcionament bàsic de la mesura del flux de gas ultrasònic de múltiples-camís
Els cabalímetres ultrasònics de gas es poden dividir en tipus de-camí únic i de camins múltiples-, tots dos basats en el principi del temps de trànsit-per a la mesura del flux ultrasònic. Actualment, entre productes similars a l'estranger, el nombre de camins acústics pot arribar a ser de sis. En un cabalímetre ultrasònic de múltiples-camís, ViV_iVi representa la velocitat mitjana del camí-en el iii-è camí acústic. S'obté mesurant els temps de trànsit ultrasònic aigües avall i aigües amunt, calculant la diferència de temps entre ells i, a continuació, calculant la velocitat mitjana del camí-.
D'acord amb la relació entre les-velocitats mitjanes de cada camí acústic i els factors de correcció de la-velocitat del flux, el volum-velocitat mitjana del gas a la canonada es pot estimar com
Figura. 2.11 Equació de velocitat mitjana ponderada de múltiples-camí-com funciona el mesurador de cabal ultrasònic
on WiW_iWi és el coeficient de ponderació de cada camí acústic, i el seu valor depèn de l'algorisme d'integració adoptat.
Figura. 2.12 Mesurador de cabal d'ultrasò-equació de velocitat-de flux volumètric de múltiples camins-com funciona
En teoria, com més camins acústics hi hagi, més gran hauria de ser la precisió de mesura. Tanmateix, l'experiència pràctica ha demostrat que quan el nombre de camins acústics a través de la-secció transversal arriba a quatre, augmentar encara més el nombre de camins contribueix molt poc a millorar la precisió, alhora que augmenta significativament el cost de fabricació.
Anàlisi dels factors que afecten la mesura del cabal de gas per ultrasons
D'acord amb les fórmules de càlcul de-velocitat i cabal-de fluxos ultrasònics de gas, la velocitat del flux o el cabal està relacionada amb diversos aspectes, com ara els paràmetres geomètrics de la canonada de mesura, el factor de correcció de la velocitat-de flux (o coeficient de ponderació) i els valors mesurats del temps de propagació d'ultrasons. A partir d'aquests aspectes es fa l'anàlisi següent.
Correcció del flux-Factor de velocitat i millora de la precisió de la mesura
En el cabalímetre ultrasònic de gas-temps de trànsit esmentat anteriorment, l'estudi es basa en l'estat ideal en què la velocitat mitjana del camí-es distribueix uniformement sobre la secció transversal-de la canonada. En situacions pràctiques, a causa de la distribució no-uniforme de la velocitat del fluid a través de la secció-transversal de la canonada, la velocitat obtinguda mitjançant el càlcul és en realitat la velocitat mitjana del camí-al llarg de la direcció de propagació ultrasònica i la direcció axial, obtinguda a partir de la diferència de temps-de trànsit ultrasònic mesurada. El cabal volumètric final calculat produirà inevitablement errors. Per garantir la precisió de la mesura, cal determinar la relació entre ambdues i corregir la velocitat real mesurada mitjançant principis de mecànica de fluids{10}; és a dir, s'introdueix un factor de correcció de cabal-K en mesurar amb un cabalímetre volumètric.
A causa de la complexitat dels estats de flux-de fluids a les canonades, les distribucions de velocitat resultants també són complexes . La investigació actual es limita principalment a la distribució de velocitats en condicions ideals, és a dir, la distribució de velocitats sota flux laminar i flux turbulent totalment desenvolupat en canonades llises. El flux laminar i el flux turbulent són dos estats de flux fonamentals dels fluids a les canonades. El flux laminar es refereix a l'estat en què les partícules de fluid no tenen moviment transversal i només es considera el moviment axial; El flux turbulent es refereix a l'estat en què les partícules de fluid tenen moviment tant axial com transversal. Com que les característiques del flux difereixen en diferents estats de flux de la canonada, s'obtenen diferents distribucions de velocitat.
Les característiques de flux d'un fluid estan influïdes conjuntament per la velocitat mitjana de la canonada, la viscositat cinemàtica i el diàmetre de la canonada, mentre que el nombre de Reynolds ReReRe és un índex important per avaluar l'estat de flux. Quan 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, el fluid comença a passar a un estat turbulent, i aquesta regió de transició generalment també es tracta com a flux turbulent.
Preguntes freqüents
Què és un cabalímetre de gas ultrasònic-de temps de trànsit?
Un mesurador de cabal de gas ultrasònic de temps de trànsit-mesura el flux de gas enviant polsos ultrasònics tant aigües avall com aigües amunt i calculant la velocitat del flux a partir de la diferència dels seus temps de trànsit.
Quina diferència hi ha entre els cabalímetres d'ultrasons d'un-camí i de múltiples-camís?
Un cabalímetre d'un sol-camí utilitza un parell de transductors i un camí acústic, mentre que un cabalímetre de múltiples-camís utilitza diversos camins acústics a diferents altures o angles per capturar millor el perfil de velocitat i millorar la precisió.
Per què es necessita un factor de correcció-de la velocitat del flux?
Com que la distribució de velocitats en una canonada no és perfectament uniforme, la velocitat mesurada al llarg d'un sol camí acústic no és igual a la velocitat mitjana de la-secció transversal. Un factor de correcció vincula els dos.
Quins factors afecten la precisió de la mesura del flux de gas ultrasònic?
Els factors clau inclouen la distorsió del perfil de velocitat, les condicions d'instal·lació, el nombre de Reynolds, la composició del gas i la velocitat del so, els canvis de temperatura i pressió i els errors de processament del senyal.
