Ultrasonic Flow Meters - Nguyên lý hoạt động, Ưu nhược điểm

Lưu lượng kế siêu âm (Ultrasonic Flow meter) hoạt động dựa theo sự thay đổi của sóng siêu âm truyền trong môi chất.

Vận tốc âm “c” là giá trị thuộc tính vật chất là vận tốc truyền của sóng âm trong môi chất. Nó thay đổi theo mật độ của môi chất đo. Do đó, nó phụ thuộc vào nhiệt độ đối với chất lỏng và phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất đối với chất khí. Khi một xung âm thanh được truyền từ vị trí A, nó sẽ đến vị trí thứ hai B với vận tốc âm thanh tại thời điểm:

t=\frac{l}{c}

Trong đó:

t: thời gian xung âm thanh di chuyển từ A đến B
l: khoảng cách từ A đến B
c: vận tốc âm thanh

Thời gian thay đổi khi vật mang âm thanh cũng đang chuyển động, trên thực tế, nó là tổng của vận tốc âm thanh trong môi chất đo và vận tốc môi chất đo. Tính năng này được sử dụng trong lưu lượng kế siêu âm.

Có hai phương pháp cơ bản để đo lưu lượng siêu âm:

Phương pháp thời gian chuyển tiếp (transit time)
Phương pháp Doppler

Xem Nhanh Nội Dung

1. Transit time Ultrasonic Flowmeter
2. Phương pháp Doppler
Hạn chế của đo lưu lượng siêu âm
Lắp đặt
- 40

1. Transit time Ultrasonic Flowmeter

Một xung âm truyền từ một điểm cố định A truyền đi với vận tốc c + v và đến nơi tại điểm B sau khoảng thời gian $t_1$ :

$t_1=\frac{l}{c+v}$ (phương trình 1)

Trong đó:

$t_1$ : thời gian xung âm thanh truyền từ A đến B
v: vận tốc lưu chất (như hình trên)

Thời gian cần thiết để xung lực đi từ B đến A là $t_2$ :

$t_2=\frac{l}{c-v}$ (phương trình 2)

Vì phép đo $t_2$ được thực hiện ngay sau $t_1$ nên giả thiết rằng trong khoảng thời gian này, vận tốc truyền âm c trong chất lỏng là không đổi.

$c=\frac{l}{t_1}-v$

$c=\frac{l}{t_2}-v$

Vận tốc dòng chảy trong môi chất đo đo có thể được chiết xuất từ 2 phương trình trên:

$v=\frac{l}{2}(\frac{1}{t_1}-\frac{1}{t_2})$

Giá trị đo này không phụ thuộc vào vận tốc âm thanh, áp suất, nhiệt độ và mật độ của môi chất đo.

Trong thiết kế đồng hồ đo thực tế, một xung âm thanh được gửi theo đường chéo qua ống đồng hồ đo. Khi đó vận tốc dòng chảy của môi chất đo trở thành

$v=\frac{l}{2.cos\alpha}(\frac{1}{t_1}-\frac{1}{t_2})$

Một yêu cầu thiết yếu đối với phép đo thời gian vận chuyển là độ trong suốt về âm thanh của môi chất đo. Không được có ít hạt rắn hoặc bọt khí trong môi chất đo.

2. Phương pháp Doppler

Đối với phép đo lưu lượng siêu âm sử dụng hiệu ứng Doppler, trong môi trường đo phải có các chất không đồng nhất hoặc tạp chất (chất phân tán) để một phần năng lượng âm thanh có thể bị phản xạ.

Sóng âm có tần số phát $f_1$ tác động đến một hạt trong môi trường đo (hạt rắn hoặc bọt khí) và bị phản xạ. Do đó mọi hạt đóng vai trò như một máy phát chuyển động với tần số phát $f_1$ . Độ dịch tần số Δf của tín hiệu phản xạ nhận được là một hàm của vận tốc âm thanh và vận tốc dòng chảy:

Vì vận tốc âm thanh là một hàm của nhiệt độ, áp suất và thành phần của môi trường đo, nên ngay cả những thay đổi nhỏ trong các biến này cũng ảnh hưởng đến sự dịch chuyển Doppler và phải có sự bù trừ thích hợp. Giải pháp là bao gồm một phần đầu vào xác định cho sóng siêu âm, ví dụ: một đường dẫn âm thanh làm bằng nhựa, trong đó một máy phát Piezo được đúc.

Áp dụng phương trình khúc xạ của Snellius

Từ phương trình:

Và do đó:

Hệ số cv / cos (β) có thể được xác định. Do đó, sự dịch chuyển Doppler về cơ bản không phụ thuộc vào vận tốc âm thanh trong môi trường đo.

Chỉ những thay đổi vận tốc âm thanh trong phần đầu vào âm thanh mới thay đổi tần số Doppler. Thay đổi này có thể được xác định trước và được bù phù hợp

Hạn chế của đo lưu lượng siêu âm

Đối với phép đo lưu lượng siêu âm, tốc độ dòng chảy được đo trong dải hẹp của chùm âm thanh. Tốc độ dòng chảy được tính toán qua toàn bộ mặt cắt ngang của ống chỉ có giá trị đối với các cấu hình dòng chảy đối xứng trục. Để đảm bảo rằng các điều kiện này tồn tại, cần phải có các phần đầu vào có chiều dài lên đến 15 x D và các phần đầu ra có kích thước lên đến 10 x D. Có thể giảm ảnh hưởng của dòng chảy không đối xứng bằng cách sử dụng hai hoặc nhiều chùm âm thanh cho các mẫu biên dạng bổ sung.

Lắp đặt

Lưu lượng kế siêu âm có sẵn trong hai biến thể. Có hệ thống in-line và hệ thống kẹp (clamp on). Trong thiết kế In-line, đầu dò siêu âm được lắp cứng trong thành ống và tiếp xúc trực tiếp hoặc gián tiếp với phương tiện đo. Các hệ thống đo này có thể được hiệu chuẩn và đạt được độ chính xác đo ± 0,5% và tốt hơn.

Loại khác là công nghệ kẹp. Các đầu dò siêu âm được gắn ở bên ngoài đường ống. Xung âm thanh phải đi qua thành ống và bất kỳ lớp phủ nào có thể có với vận tốc âm thanh khác nhau hai lần. Trong quá trình lắp đặt, các định luật khúc xạ và phản xạ phải được xem xét. Mặc dù việc xác định vận tốc dòng chảy là đơn giản, nhưng phải biết chính xác hình dạng đường ống nếu muốn chuyển đổi thành thông tin lưu lượng thể tích.

Cảm ơn bạn đã đọc bài chia sẻ

Chúc bạn thành công!

Tâm Mr. – Admin

Bài viết cùng chuyên mục:

Thư viện bài viết: