Przepływomierze dopplerowskie wykorzystują efekt Dopplera, czyli przesunięcie częstotliwości wynikające z fal emitowanych przez lub poruszających się obiektów.
Powszechną realizacją efektu Dopplera jest postrzegane przesunięcie częstotliwości raportu klaksonu z poruszającego się pojazdu: gdy pojazd zbliża się do słuchacza, wysokość klaksonu wydaje się wyższa niż normalnie; kiedy pojazd mija słuchacza i zaczyna się oddalać, dźwięk klaksonu wydaje się nagle „obniżać” na niższą częstotliwość.
W rzeczywistości częstotliwość klaksonu nigdy się nie zmienia, ale prędkość zbliżającego się pojazdu względem stacjonarnego słuchacza działa w celu „ściśnięcia” wibracji dźwiękowych w powietrzu. Kiedy pojazd się odsuwa, fale dźwiękowe są „rozciągane” z perspektywy słuchacza.
Ten sam efekt występuje, gdy fala dźwiękowa jest skierowana na poruszający się obiekt, a częstotliwość echa jest porównywana z częstotliwością nadawaną (padającą). Jeżeli fala odbita powraca z pęcherza zbliżającego się do przetwornika ultradźwiękowego, częstotliwość odbita będzie większa niż częstotliwość padania.
Jeśli przepływ zmienia kierunek, a fala odbita powraca z pęcherza oddalającego się od przetwornika, częstotliwość odbita będzie mniejsza niż częstotliwość padania.
Jest to zgodne ze zjawiskiem, gdy dźwięk klaksonu pojazdu wydaje się zwiększać, gdy pojazd zbliża się do słuchacza, i pozornie maleje, gdy pojazd odsuwa się od słuchacza.
Przepływomierz dopplerowski odbija fale dźwiękowe od pęcherzyków lub materiału cząsteczkowego w strumieniu przepływu, mierząc przesunięcie częstotliwości i określając prędkość płynu na podstawie wielkości tego przesunięcia.
Przepływomierz ultradźwiękowy - przepływomierz dopplerowski
Wymaganie, aby w strumieniu przepływu znajdowały się obiekty wystarczająco duże, aby odbijać fale dźwiękowe, ogranicza przepływomierze ultradźwiękowe Dopplera do zastosowań płynnych.
„Brudne” ciecze, takie jak zawiesiny i ścieki, lub ciecze przenoszące znaczną liczbę pęcherzyków gazu (np. Napoje gazowane) są dobrymi płynami kandydującymi do tej technologii.
Nierealistyczne jest oczekiwanie, że jakikolwiek strumień gazu będzie przenosił kropelki cieczy lub ciała stałe wystarczająco duże, aby odbijać silne echa, dlatego mierników przepływu Dopplera nie można używać do pomiaru przepływu gazu.
Zależność matematyczna między prędkością płynu (v) a przesunięciem częstotliwości Dopplera (ff) jest następująca, dla prędkości płynu znacznie mniejszej niż prędkość dźwięku przez ten płyn (v <>
Gdzie,
Δf = przesunięcie częstotliwości Dopplera
v = prędkość płynu (w rzeczywistości cząstki odbijającej falę dźwiękową)
f = częstotliwość padającej fali dźwiękowej
θ = Kąt między przetwornikiem a liniami środkowymi rur
c = prędkość dźwięku w cieczy procesowej
Zobacz także: Animacja przepływomierza ultradźwiękowego
Zwróć uwagę, w jaki sposób efekt Dopplera daje bezpośredni pomiar prędkości płynu z każdego echa odbieranego przez przetwornik.
Stoi to w wyraźnym kontraście do pomiarów odległości opartych na świetle czasowym (reflektometria w dziedzinie czasu - gdzie czas między impulsem padającym a zwróconym echem jest proporcjonalny do odległości między przetwornikiem a powierzchnią odbijającą)
np. przy zastosowaniu ultradźwiękowego pomiaru poziomu cieczy. W przepływomierzu Dopplera opóźnienie czasowe między zdarzeniem a impulsami odbitymi jest nieistotne. Liczy się tylko przesunięcie częstotliwości między incydentem a sygnałami odbitymi.
To przesunięcie częstotliwości jest również wprost proporcjonalne do prędkości przepływu, co czyni ultradźwiękowy przepływomierz Dopplera liniowym urządzeniem pomiarowym.
Ponowne uporządkowanie równania przesunięcia częstotliwości Dopplera w celu rozwiązania dla prędkości (ponownie, przyjmując v <>
Wiedząc, że objętościowe natężenie przepływu jest równe iloczynowi powierzchni rury i średniej prędkości płynu (Q = Av), możemy ponownie zapisać równanie, aby bezpośrednio rozwiązać obliczone natężenie przepływu (Q):
Bardzo ważnym czynnikiem do pomiaru przepływu ultradźwiękowego Dopplera jest to, że kalibracja przepływomierza zmienia się w zależności od prędkości dźwięku w cieczy (c).
Jest to łatwo widoczne na podstawie obecności c w powyższym równaniu: wraz ze wzrostem c, ff musi proporcjonalnie zmniejszać się dla dowolnego ustalonego objętościowego natężenia przepływu Q.
Ponieważ przepływomierz jest zaprojektowany do bezpośredniej interpretacji natężenia przepływu w kategoriach ff, wzrost c powodujący spadek ff zostanie zatem zarejestrowany jako spadek Q.
Oznacza to, że prędkość dźwięku dla płynu musi być dokładnie znana, aby przepływomierz ultradźwiękowy Dopplera mógł dokładnie zmierzyć przepływ.
Prędkość dźwięku przez dowolny płyn jest funkcją gęstości tego modułu i modułu objętościowego (jak łatwo się kompresuje):
Gdzie,
c = prędkość dźwięku w materiale (metry na sekundę)
B = moduł objętościowy (paskale lub niutony na metr kwadratowy)
ρ = Gęstość masy płynu (kilogramy na metr sześcienny)
Temperatura wpływa na gęstość cieczy, a skład (skład chemiczny cieczy) wpływa na moduł objętościowy. Zatem zarówno temperatura, jak i skład są czynnikami wpływającymi na kalibrację przepływomierza ultradźwiękowego Dopplera.
Ciśnienie nie jest tu problemem, ponieważ ciśnienie wpływa tylko na gęstość gazów, a wiemy już, że przepływomierze Dopplera działają tylko z cieczami.
Zgodnie z tematem wymagającym pęcherzyków lub cząstek o wystarczających rozmiarach, kolejnym ograniczeniem ultradźwiękowych przepływomierzy Dopplera jest ich niezdolność do pomiaru prędkości przepływu cieczy, które są zbyt czyste i zbyt jednorodne. W takich zastosowaniach odbicia fali dźwiękowej będą zbyt słabe, aby wiarygodnie zmierzyć.
Jest tak również w przypadku, gdy cząstki stałe mają prędkość dźwięku zbyt bliską prędkości cieczy, ponieważ odbicie następuje tylko wtedy, gdy fala dźwiękowa napotyka materiał o wyraźnie różnej prędkości dźwięku.
Przepływomierze ultradźwiękowe typu Dopplera są bezużyteczne w aplikacjach, w których nie możemy uzyskać silnych odbić fali dźwiękowej.
Przepływomierze czasu tranzytu, czasami nazywane przepływomierzami przeciwpropagacyjnymi, są alternatywą dla przepływomierzy ultradźwiękowych Dopplera.
Przepływomierz ultradźwiękowy w czasie przejścia wykorzystuje parę przeciwstawnych czujników do pomiaru różnicy czasu między impulsem dźwiękowym przemieszczającym się z przepływem płynu a impulsem dźwiękowym przemieszczającym się przeciw przepływowi płynu.
Ponieważ ruch płynu ma tendencję do przenoszenia fali dźwiękowej, impuls dźwiękowy przesyłany w dół sprawi, że podróż będzie szybsza niż impuls dźwiękowy przesyłany w górę:
Przepływomierze czasowe
Szybkość przepływu objętościowego przez przepływomierz czasu przejścia jest prostą funkcją czasów propagacji w górę i w dół:
Gdzie,
Q = Obliczone objętościowe natężenie przepływu
k = Stała proporcjonalności
t w górę = czas dla impulsu dźwiękowego przemieszczającego się z miejsca położonego poniżej do miejsca położonego powyżej (powyżej, względem przepływu)
t w dół = czas dla impulsu dźwiękowego przemieszczającego się z miejsca powyżej do położenia poniżej (z prądem, z przepływem)
Interesującą cechą pomiaru prędkości przejścia jest to, że stosunek różnicy czasu przejścia do iloczynu czasu przejścia pozostaje stały wraz ze zmianami prędkości dźwięku przez płyn.
Jeśli chcesz to sobie udowodnić, możesz to zrobić, zastępując czasy we wzorze przepływu długością ścieżki (L), prędkością płynu (v) i prędkością dźwięku (c). Użyj tup = L / (c − v) i tdown = L / (c + v) jako podstawienia, a następnie algebraicznie zmniejsz formułę przepływu, aż okaże się, że wszystkie warunki c anulują się. Twój końcowy wynik powinien wynosić Q = 2kv / L.
Kiedy równanie to zostanie przedstawione w kategoriach długości ścieżki (L), prędkości płynu (v) i prędkości dźwięku (c), równanie upraszcza się do Q = 2kv / L, co dowodzi, że przepływomierz czasu przejścia jest liniowy, podobnie jak Przepływomierz dopplerowski, z tą przewagą, że jest odporny na zmiany prędkości dźwięku płynu.
Zmiany modułu objętościowego wynikające ze zmian składu płynu lub zmiany gęstości wynikające ze zmian składu, temperatury lub ciśnienia mają zatem niewielki wpływ na dokładność miernika przepływu w czasie przejścia.
Ultradźwiękowe mierniki przepływu w czasie przejścia są nie tylko odporne na zmiany prędkości dźwięku, ale są również w stanie zmierzyć prędkość dźwięku niezależnie od prędkości przepływu.
Równanie do obliczania prędkości dźwięku na podstawie czasów propagacji w górę i w dół jest następujące:
Gdzie,
c = Obliczona prędkość dźwięku w płynie
L = długość ścieżki
t w górę = czas dla impulsu dźwiękowego przemieszczającego się z miejsca położonego poniżej do miejsca położonego powyżej (powyżej, względem przepływu)
t w dół = czas dla impulsu dźwiękowego przemieszczającego się z miejsca powyżej do położenia poniżej (z prądem, z przepływem)
Chociaż nie jest to konieczne ani nawet szczególnie istotne dla bezpośredniego celu pomiaru przepływu, takie wnioskowanie o prędkości dźwięku płynu jest jednak przydatne jako narzędzie diagnostyczne. Jeżeli rzeczywista prędkość dźwięku dla płynu jest znana albo przez bezpośredni pomiar laboratoryjny próbki, albo przez analizę chemiczną próbki, prędkość ta może być porównana ze zgłoszoną prędkością dźwięku przepływomierza, aby sprawdzić dokładność pomiaru bezwzględnego czasu przejścia przepływomierza . W ten sposób można wykryć pewne problemy w czujnikach lub w elektronice czujnika.
Warunkiem niezawodnego działania przepływomierza ultradźwiękowego w czasie przejścia jest to, aby płyn procesowy był wolny od pęcherzyków gazu lub cząstek stałych, które mogłyby rozpraszać lub blokować fale dźwiękowe.
Należy pamiętać, że jest to dokładnie odwrotny wymóg przepływomierzy ultradźwiękowych Dopplera, które wymagają pęcherzyków lub cząstek do odbijania fal dźwiękowych.
Te przeciwstawne wymagania starannie odróżniają zastosowania odpowiednie dla przepływomierzy czasu przejścia od zastosowań odpowiednich dla przepływomierzy Dopplera, a także zwiększają możliwość stosowania ultradźwiękowych przepływomierzy czasu przepływu na strumieniach przepływu gazu, jak również na strumieniach przepływu cieczy.
