Доплеровские расходомеры используют эффект Доплера, который представляет собой сдвиг частоты, возникающий в результате волн, испускаемых или отражаемых движущимся объектом.
Распространенной реализацией эффекта Доплера является воспринимаемый сдвиг частоты донесения звукового сигнала от движущегося транспортного средства: когда транспортное средство приближается к слушателю, высота звукового сигнала кажется выше, чем обычно; когда автомобиль проезжает мимо слушателя и начинает уходить, звук рога внезапно «сдвигается» на более низкую частоту.
В действительности частота звукового сигнала никогда не изменяется, но скорость приближающегося транспортного средства относительно неподвижного слушателя действует, чтобы «сжать» звуковые колебания в воздухе. Когда транспортное средство уходит, звуковые волны «растягиваются» с точки зрения слушателя.
Тот же эффект имеет место, если звуковая волна направлена на движущийся объект, и частота эхо-сигнала сравнивается с частотой, передаваемой (падающей). Если отраженная волна возвращается из пузырька, продвигающегося к ультразвуковому преобразователю, отраженная частота будет больше, чем падающая частота.
Если поток меняет направление и отраженная волна возвращается из пузырька, удаляющегося от преобразователя, отраженная частота будет меньше, чем падающая частота.
Это соответствует явлению подачи звукового сигнала транспортного средства, которое, по-видимому, увеличивается, когда транспортное средство приближается к слушателю, и, по-видимому, уменьшается, когда транспортное средство удаляется от слушателя.
Доплеровский расходомер отражает звуковые волны от пузырьков или твердых частиц в потоке, измеряя сдвиг частоты и определяя скорость жидкости по величине этого сдвига.
Ультразвуковой расходомер - доплеровский расходомер
Требование, чтобы объекты в потоке были достаточно большими, чтобы отражать звуковые волны, ограничивают доплеровские ультразвуковые расходомеры для приложений с жидкостью.
«Грязные» жидкости, такие как жидкие растворы и сточные воды, или жидкости, несущие значительное количество пузырьков газа (например, газированные напитки), являются хорошими жидкостями-кандидатами для этой технологии.
Нереально ожидать, что любой газовый поток будет нести жидкие капли или твердые вещества, достаточно большие для отражения сильных эхосигналов, и поэтому доплеровские расходомеры нельзя использовать для измерения расхода газа.
Математическая зависимость между скоростью жидкости (v) и доплеровским сдвигом частоты (Δf) является следующей для скоростей жидкости, намного меньших, чем скорость звука в этой жидкости (v <>
Где,
Δf = доплеровский сдвиг частоты
v = скорость жидкости (фактически частицы, отражающей звуковую волну)
f = частота падающей звуковой волны
θ = угол между осью датчика и трубопровода
c = скорость звука в рабочей жидкости
См. Также: Анимация ультразвукового расходомера.
Обратите внимание, как эффект Доплера дает непосредственное измерение скорости жидкости от каждого эхо-сигнала, полученного датчиком.
Это резко контрастирует с измерениями расстояния, основанными на отключенном свете (рефлектометрия во временной области - где промежуток времени между падающим импульсом и отраженным эхо-сигналом пропорционален расстоянию между преобразователем и отражающей поверхностью)
такие как в применении ультразвукового измерения уровня жидкости. В доплеровском расходомере временная задержка между падающим и отраженным импульсами не имеет значения. Имеет значение только сдвиг частоты между падающим и отраженным сигналами.
Этот сдвиг частоты также прямо пропорционален скорости потока, что делает ультразвуковой расходомер Доплера линейным измерительным устройством.
Переупорядочение уравнения сдвига доплеровской частоты для определения скорости (опять-таки, предполагая, что v <>
Зная, что объемная скорость потока равна произведению площади трубы и средней скорости жидкости (Q = Av), мы можем переписать уравнение для непосредственного решения для вычисленной скорости потока (Q):
Очень важное соображение при ультразвуковом доплеровском измерении расхода заключается в том, что калибровка расходомера зависит от скорости звука в жидкости (c).
Это легко видно по присутствию c в вышеприведенном уравнении: при увеличении c Δf должно пропорционально уменьшаться для любого фиксированного объемного расхода Q.
Поскольку расходомер предназначен для прямой интерпретации скорости потока в терминах Δf, увеличение c, вызывающее уменьшение Δf, будет, таким образом, регистрироваться как уменьшение Q.
Это означает, что скорость звука для жидкости должна быть точно известна, чтобы доплеровский ультразвуковой расходомер точно измерял расход.
Скорость звука в любой жидкости зависит от плотности среды и модуля ее объема (насколько легко она сжимается):
Где,
c = скорость звука в материале (метров в секунду)
B = объемный модуль (паскаль или ньютон на квадратный метр)
ρ = массовая плотность жидкости (килограмм на кубический метр)
Температура влияет на плотность жидкости, а состав (химический состав жидкости) влияет на объемный модуль. Таким образом, температура и состав являются факторами, влияющими на доплеровскую калибровку ультразвукового расходомера.
Давление здесь не имеет значения, поскольку давление влияет только на плотность газов, и мы уже знаем, что доплеровские расходомеры работают только с жидкостями.
Вслед за тем, что требуются пузырьки или частицы достаточного размера, еще одним ограничением доплеровских ультразвуковых расходомеров является их неспособность измерять скорости потока жидкостей, которые слишком чистые и слишком однородные. В таких приложениях отражения звуковой волны будут слишком слабыми для надежного измерения.
Это также имеет место, когда твердые частицы имеют скорость звука, слишком близкую к скорости жидкости, поскольку отражение происходит только тогда, когда звуковая волна сталкивается с материалом с заметно отличающейся скоростью звука.
Ультразвуковые расходомеры доплеровского типа бесполезны в приложениях, где мы не можем получить сильные отражения звуковой волны.
Расходомеры времени прохождения, иногда называемые расходомерами с встречным распространением, являются альтернативой доплеровским ультразвуковым расходомерам.
Ультразвуковой расходомер времени прохождения использует пару противоположных датчиков для измерения разницы во времени между звуковым импульсом, распространяющимся с потоком жидкости, и звуковым импульсом, распространяющимся против потока жидкости.
Поскольку движение жидкости имеет тенденцию нести звуковую волну, звуковой импульс, передаваемый вниз по течению, сделает путешествие быстрее, чем звуковой импульс, передаваемый вверх по течению:
Транзитные расходомеры
Скорость объемного потока через расходомер времени прохождения является простой функцией времени распространения в восходящем и нисходящем направлениях:
Где,
Q = Расчетный объемный расход
k = константа пропорциональности
t up = время прохождения звукового импульса от места ниже по течению к месту вверх по течению (против течения)
t down = время прохождения звукового импульса от места на входе до места на выходе (ниже по течению, с потоком)
Интересной характеристикой измерения скорости в течение времени прохождения является то, что отношение разности времени прохождения к продукту времени прохождения остается постоянным с изменениями скорости звука в жидкости.
Если вы хотите доказать это себе, вы можете сделать это путем замены длины пути (L), скорости жидкости (v) и скорости звука (c) на значения времени в формуле потока. Используйте tup = L / (c − v) и tdown = L / (c + v) в качестве замен, а затем алгебраически уменьшайте формулу потока, пока не найдете, что все члены c отменяются. Ваш конечный результат должен быть Q = 2kv / L.
Когда это уравнение приводится в терминах длины пути (L), скорости жидкости (v) и скорости звука (c), уравнение упрощается до Q = 2 кВ / л, доказывая, что расходомер времени прохождения является линейным, как и Доплеровский расходомер с преимуществом невосприимчивости к изменениям скорости звука в жидкости.
Таким образом, изменения в модуле объема, вызванные изменениями состава жидкости или изменениями плотности, вызванными изменениями состава, температуры или давления, мало влияют на точность измерения расходомера во время прохождения.
Ультразвуковые расходомеры не только не подвержены изменениям скорости звука, но и способны измерять эту скорость звука независимо от скорости потока.
Уравнение для расчета скорости звука на основе времени распространения в восходящем и нисходящем направлениях выглядит следующим образом:
Где,
c = Расчетная скорость звука в жидкости
L = длина пути
t up = время прохождения звукового импульса от места ниже по течению к месту вверх по течению (вверх по течению против потока)
t down = время прохождения звукового импульса от места на входе до места на выходе (ниже по течению, с потоком)
Несмотря на то, что это необязательно или даже особенно актуально для непосредственного измерения расхода, этот вывод о скорости звука в жидкости, тем не менее, полезен в качестве диагностического инструмента. Если истинная скорость звука для жидкости известна либо прямым лабораторным измерением образца, либо химическим анализом образца, эту скорость можно сравнить с заявленной скоростью звука расходомера, чтобы проверить точность измерения абсолютного времени прохождения расходомера , Определенные проблемы в датчиках или в электронике датчика могут быть обнаружены таким образом.
Требование для надежной работы ультразвукового расходомера во время прохождения состоит в том, что технологическая среда не должна содержать пузырьков газа или твердых частиц, которые могут рассеивать или затруднять звуковые волны.
Обратите внимание, что это как раз противоположное требование доплеровских ультразвуковых расходомеров, которым требуются пузырьки или частицы для отражения звуковых волн.
Эти противоположные требования четко отличают приложения, подходящие для расходомеров времени прохождения, от приложений, подходящих для доплеровских расходомеров, а также повышают возможность использования ультразвуковых расходомеров времени прохождения как для потоков газа, так и для потоков жидкости.
