Gaz ultrasonik akış ölçer, gazın aktığı bir boru hattına monte edilen ve ultrasonik prensip aracılığıyla gaz akışını ölçen bir akış ölçeri ifade eder. Tek-yollu bir gaz ultrasonik akış ölçer, yalnızca bir akustik yol ile donatılmış bir cihazı ifade ederken, iki veya daha fazla akustik yola sahip bir gaz ultrasonik akış ölçer, çok-yollu bir gaz ultrasonik akış ölçer olarak adlandırılır.
Ultrasonik debimetre nasıl çalışır? Gaz ultrasonik debimetre ile akış hızını ölçmenin temel prensibi, gazlı ortamdaki ultrasonik dalgaların yayılma süresini ölçerek gaz akışkanının akış hızını, akış hızını, yoğunluğunu ve diğer parametrelerini hesaplamaktır. Bu bölümde temel olarak geçiş-zamanlı ultrasonik akış ölçümünün çalışma prensibi ve akış ölçümünü etkileyen faktörler analiz edilmekte ve çok-yollu gaz ultrasonik akış-ölçüm yöntemleri ve mekanizma modelleme çalışmaları için hazırlıklar yapmak üzere akış-ölçüm doğruluğunun nasıl iyileştirilebileceğine ilişkin simülasyon çalışmaları yürütülmektedir.
Transit-Süreli Ultrasonik Gaz Akışı Ölçümünün Çalışma Prensibinin Analizi
Geçiş-zaman ultrasonik gaz akışı-ölçüm yöntemi, gazın aynı yol uzunluğu üzerinde, aşağı ve yukarı yönde hareket eden iki ultrasonik sinyal arasındaki yayılma-zaman farkının, akustik yol boyunca ortalama gaz akış hızını belirlemek için kullanıldığı bir gaz akışı-ölçüm yöntemidir. Ultrasonik dalgalar akan gazlı bir ortamda yayıldığında, yayılma hızları gaz akış hızına göre değişir.
Daha spesifik olarak, ultrasonik dalgaların yayılma hızı, gaz akış hızıyla aynı yönde değişir: gaz akış hızı arttığında, aynı yönde yayılan ultrasonik dalganın hızı da buna göre artar; tersine, eğer gaz akış hızı ultrasonik yayılma yönünün tersi yönde artarsa, ultrasonik hız da buna göre azalacaktır.
Ultrasonik Boru-Akış Sensörünün Temel Yapısı
Şekil. 2.1'de gösterildiği gibi, ultrasonik darbeleri hem iletebilen hem de alabilen iki ultrasonik dönüştürücü (problar veya dönüştürücüler olarak anılır), boru hattının bir tarafına veya her iki tarafına gömülür. Ultrasonik sinyalin verici ve alıcı dönüştürücüler arasındaki gerçek yoluna akustik yol adı verilir; böylece bir çift dönüştürücü tek bir akustik yol oluşturur. Dönüştürücüler ve akışkan ortam arasında bir ses-iletici membran veya akustik dalga kılavuzu duvarının bir bölümü düzenlenir. Tek-yollu bir ultrasonik akış ölçerde, iki ultrasonik dönüştürücü arasındaki dalga kılavuzu çizgisi cihazın ekseniyle kesişir.
Şekil. 2.1 Geçiş-zamanlı ultrasonik akış ölçümü ilkesinin şematik diyagramı
Şekil. 2.1'de gösterildiği gibi, boru çapı D'dir. Boru hattının her iki tarafına gömülü olan A ve B dönüştürücülerinin uç yüzleri arasındaki düz-çizgi mesafesi, akustik-yol uzunluğu L'dir (akustik mesafe L olarak da adlandırılır) ve bunun D çapıyla ilişkisi şöyledir:
Şekil. 2.1 Akustik-yol uzunluğu ve boru çapı-geçiş süresi ultrasonik akış ölçer arasındaki geometrik ilişki
burada φ akustik yolun eğim açısıdır, yani akustik yol ile boru ekseni arasındaki açıdır. Akustik yolun eğim açısı aynı zamanda ultrasonik dalganın geliş açısıdır. Gelme açısı φ, sıvıdaki ses hızının yanı sıra kamadaki ve boru-duvar malzemesindeki ses hızından da etkilenir.
Genel olarak katı maddelerde ses hızının sıcaklıkla değişimi gaz halindeki maddelere göre daha küçüktür. Sıcaklık değişimi büyük olmadığında, kama ve boru-duvarı malzemelerinin ölçüm doğruluğu üzerindeki etkisi ihmal edilebilir; ancak sıcaklık değişim aralığı geniş olduğunda, kama ve boru-duvarı malzemelerindeki ses hızındaki büyük değişimin düzeltilmesi gerekir.
Geliş açısı 30 derece olan bir dönüştürücü için iletim katsayısı nispeten yüksektir, enerji kaybı küçüktür ve gerekli uyarma voltajı düşüktür. Böyle bir dönüştürücü, AC güç kaynağının kullanılması uygun olmayan el tipi ultrasonik akış ölçerler için uygundur. 45 derecelik bir geliş açısına sahip bir dönüştürücü, nispeten düşük bir iletim katsayısına sahiptir ancak daha büyük bir dönüştürücü çipi ve daha yüksek uyarma voltajı benimseyebilir ve bu nedenle, sabit ultrasonik akış ölçerler veya bir AC güç kaynağı kullanabilenler için uygundur.
Transit-Süreli Ultrasonik Gaz Akışı Ölçümünün Çalışma Prensibi
Geçiş-zamanlı ultrasonik gaz akışı-ölçüm teknolojisi, gazlı ortamda aşağı ve yukarı yönde yayılan ultrasonik dalgalar arasındaki zaman farkını ölçerek, akustik yol ve eksen tarafından oluşturulan düzlem üzerindeki eksenel ortalama akış hızını Vz belirler. Ultrasonik dalgaların geçiş süreleri, aşağı ve yukarı yönde farklılık gösterir. Aşağı akış geçiş süresi:
Şekil. 2.2 Aşağı akışlı ultrasonik geçiş-zaman denklemi
ve yukarı akış geçiş süresi
Şekil. 2.3 Yukarı akış ultrasonik geçiş-zaman denklemi
burada C, sabit olarak ölçülen sıvıdaki ultrasonik dalgaların ses hızıdır, yani ses hızı; Vz, sıvının ultrasonik yol ve boru ekseni tarafından oluşturulan düzlem üzerindeki eksenel yöndeki ortalama akış hızıdır ve aynı zamanda yol-ortalama hız olarak da adlandırılır.
Borunun iç ortamına bağlı olarak ses-hızı değişiminin etkisi dikkate alınmadığında, yol-ortalama hızının ifadesi şu şekildedir:
Şekil. 2.4 Yol-ortalama eksenel hızının ifadesi
Ultrasonik dalganın aşağı yöndeki geçiş süresi tD ve yukarı yöndeki geçiş süresi tU ölçülerek, yukarı yönde ve aşağı yönde yayılma arasındaki zaman farkı şu şekilde elde edilir:
Şekil. 2.5 Yukarı akış-aşağı akış geçişinin tanımı-zaman farkı
Geçiş-zamanı yöntemini kullanarak, bir akustik yolun yol-ortalama hızı elde edilebilir. Farklı akustik yolların ortalama hızlarına dayanarak ve uygun algoritmalar kullanılarak, tüm kesite dik olan ortalama hız- hesaplanabilir; buna hacim-ortalama hızı V adı verilir.
Yukarı akış ve aşağı akış ultrasonik yayılımı arasındaki geçiş-zaman farkını ölçerek boru hattı sıvısının (hacim) ortalama hızı V'yi ölçme yöntemine geçiş-zaman ultrasonik akış-ölçüm yöntemi denir. Geçiş-zamanlı ultrasonik yöntemi kullanarak boru hattındaki sıvı akışını ölçen bir akış ölçere, geçiş-zamanlı ultrasonik akış ölçer denir.
Geçiş-zamanlı ultrasonik akış ölçerin akustik yolundaki yol-ortalama hızı ile boru hattındaki hacim-ortalama hızı arasındaki ilişki şöyledir:
Şekil. 2.6 Akış-hız düzeltme faktörünün tanımı
burada K'ya akış-hız düzeltme faktörü denir. Akış-hız düzeltme faktörü, akış ölçerin ölçüm bölümündeki hız dağılım profilinin matematiksel modelinden türetilir. Boru hattındaki gaz akış rejimine göre akış-hız düzeltme faktörü elde edilebilir. Dolayısıyla (2.4) ve (2.6) denklemlerinden boru hattındaki ortalama gaz hızı şu şekildedir:
Şekil. 2.7 Borunun-ortalama hızı ile yol-ortalama hızı arasındaki ilişki
Hacimsel akış hızı denklem (2.7)'den şu şekilde elde edilebilir:
Şekil. 2.8 Hacimsel akış-hızı denklemi
burada A, borunun-kesit alanıdır.
Hacimsel akış hızının basınç ve sıcaklık telafisinden sonra kütle akış hızı şu şekilde elde edilebilir:
Şekil. 2.9 Basınç-sıcaklık-sıkıştırılabilirlik düzeltmeli kütle akış-hızı denklemi
burada Z gaz sıkıştırılabilirlik faktörüdür; P0 ve P sırasıyla standart koşullardaki ve gerçek koşullardaki basınç parametreleridir; T0 ve T sırasıyla standart koşullardaki ve gerçek koşullardaki sıcaklık değerleridir; ve ρ0 standart koşullar altında gazlı ortamın yoğunluğudur.
Akış hızı elde edildikten sonra, belirli bir çaptaki bir borudan belirli bir süre boyunca geçen akışkanın hacmi hesaplanabilir. 1 saatte borudan geçen akış hacmi F 79'dur:
Şekil. 2.10 Geçiş-zaman ölçümü-geçiş süresi ultrasonik akış ölçerin çalışma prensibine dayalı olarak borudan geçen saatlik sıvı hacmi
Çok-Yollu Ultrasonik Gaz Akışı Ölçümünün Temel Çalışma Prensibi
Gaz ultrasonik akış ölçerler tek-yollu ve çok-yollu türlere ayrılabilir; bunların her ikisi de ultrasonik akış ölçümü için geçiş-zaman ilkesini temel alır. Şu anda yurtdışındaki benzer ürünler arasında akustik yol sayısı altıya kadar çıkabiliyor. Çok-yollu bir ultrasonik akış ölçerde ViV_iVi, iii- akustik yol üzerindeki yol-ortalama hızını temsil eder. Aşağı ve yukarı yöndeki ultrasonik geçiş sürelerinin ölçülmesi, aralarındaki zaman farkının hesaplanması ve ardından yol-ortalama hızının hesaplanmasıyla elde edilir.
Her bir akustik yolun yol-ortalama hızları ile akış-hız düzeltme faktörleri arasındaki ilişkiye göre, boru hattındaki hacim-ortalama gaz hızı şu şekilde tahmin edilebilir:
Şekil. 2.11 Çok-yol ağırlıklı ortalama hız denklemi-ultrasonik akış ölçerin nasıl çalıştığını
burada WiW_iWi her akustik yolun ağırlıklandırma katsayısıdır ve değeri benimsenen entegrasyon algoritmasına bağlıdır.
Şekil. 2.12 Çok-yollu hacimsel akış-hız denklemi-ultrasonik akış ölçerin nasıl çalıştığı
Teorik olarak ne kadar çok akustik yol varsa ölçüm doğruluğu da o kadar yüksek olmalıdır. Ancak pratik deneyimler, kesit boyunca akustik yolların sayısı dörde ulaştığında-yol sayısını daha da artırmanın doğruluğu artırmaya çok az katkıda bulunduğunu, ancak üretim maliyetini önemli ölçüde artırdığını göstermiştir.
Ultrasonik Gaz Akışı Ölçümünü Etkileyen Faktörlerin Analizi
Gaz ultrasonik akış ölçerlerin akış-hızı ve akış-hızı hesaplama formüllerine göre, akış hızı veya akış hızı, ölçüm borusunun geometrik parametreleri, akış-hız düzeltme faktörü (veya ağırlıklandırma katsayısı) ve ultrasonik yayılma süresinin ölçülen değerleri gibi çeşitli yönlerle ilişkilidir. Bu yönlerden aşağıdaki analiz yapılmıştır.
Akış-Hız Faktörünün Düzeltilmesi ve Ölçüm Doğruluğunun İyileştirilmesi
Yukarıda bahsedilen geçiş-zamanlı gaz ultrasonik akış ölçerde, çalışma, yol-ortalama hızının boru kesiti üzerinde eşit şekilde dağıtıldığı ideal durumu- temel almaktadır. Pratik durumlarda, sıvının boru kesiti boyunca-üniform olmayan hız dağılımı nedeniyle-, hesaplamayla elde edilen hız aslında ultrasonik yayılma yönü ve eksenel yön boyunca ölçülen ultrasonik geçiş{-zaman farkından elde edilen yol-ortalama hızıdır. Hesaplanan son hacimsel akış hızı kaçınılmaz olarak hatalara neden olacaktır. Ölçüm doğruluğunu sağlamak için ikisi arasındaki ilişkinin belirlenmesi ve akışkanlar{10}}mekaniği ilkelerini kullanarak ölçülen gerçek hızın düzeltilmesi gerekir; yani hacimsel bir akış ölçerle ölçüm yaparken bir akış-hızı düzeltme faktörü K eklenir.
Boru hatlarındaki akışkan-akış durumlarının karmaşıklığı nedeniyle ortaya çıkan hız dağılımları da karmaşıktır. Mevcut araştırmalar esas olarak ideal koşullardaki hız dağılımıyla, yani düzgün borularda laminer akış ve tam gelişmiş türbülanslı akış altındaki hız dağılımıyla sınırlıdır. Laminer akış ve türbülanslı akış, borulardaki akışkanların iki temel akış durumudur. Laminer akış, akışkan parçacıklarının enine hareketinin olmadığı ve yalnızca eksenel hareketin dikkate alındığı durumu ifade eder; türbülanslı akış, akışkan parçacıklarının hem eksenel hem de enine harekete sahip olduğu durumu ifade eder. Akış karakteristikleri farklı boru hattı akış durumları altında farklılık gösterdiğinden, farklı hız dağılımları elde edilir.
Bir akışkanın akış özellikleri borudaki ortalama hız, kinematik viskozite ve boru çapından ortak olarak etkilenirken, Reynolds sayısı ReReRe akış durumunu değerlendirmek için önemli bir endekstir. Ne zaman yeniden<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'den sonra akışkan türbülanslı bir duruma geçmeye başlar ve bu geçiş bölgesi de genellikle türbülanslı akış olarak ele alınır.
SSS
Geçiş-zamanlı ultrasonik gaz akış ölçeri nedir?
Geçiş-zamanlı bir ultrasonik gaz akış ölçer, hem aşağı hem de yukarı yönde ultrasonik darbeler göndererek ve geçiş sürelerindeki farktan akış hızını hesaplayarak gaz akışını ölçer.
Tek-yollu ve çok-yollu ultrasonik akış ölçerler arasındaki fark nedir?
Tek-yollu bir akış ölçer, bir çift dönüştürücü ve bir akustik yol kullanırken, çok-yollu bir akış ölçer, hız profilini daha iyi yakalamak ve doğruluğu artırmak için farklı yüksekliklerde veya açılarda birkaç akustik yol kullanır.
Akış-hız düzeltme faktörüne neden ihtiyaç duyulur?
Bir borudaki hız dağılımı tamamen tekdüze olmadığından, tek bir akustik yol boyunca ölçülen hız, kesitsel ortalama hıza-eşit değildir. Bir düzeltme faktörü ikisini birbirine bağlar.
Ultrasonik gaz akışı ölçüm doğruluğunu hangi faktörler etkiler?
Temel faktörler arasında hız profili bozulması, kurulum koşulları, Reynolds sayısı, gaz bileşimi ve ses hızı, sıcaklık ve basınç değişiklikleri ve sinyal işleme hataları yer alır.
