Lưu lượng kế siêu âm khí dùng để chỉ lưu lượng kế được lắp đặt trên đường ống có khí chảy và đo lưu lượng khí bằng nguyên lý siêu âm. Lưu lượng kế siêu âm khí một đường dẫn là thiết bị chỉ được trang bị một đường dẫn âm thanh, trong khi lưu lượng kế siêu âm khí có hai đường dẫn âm thanh trở lên được gọi là lưu lượng kế siêu âm khí nhiều đường dẫn.
Máy đo lưu lượng siêu âm hoạt động như thế nào? Nguyên tắc cơ bản để đo tốc độ dòng chảy bằng lưu lượng kế siêu âm khí là tính toán tốc độ dòng, tốc độ dòng chảy, mật độ và các thông số khác của chất lỏng khí bằng cách đo thời gian lan truyền của sóng siêu âm trong môi trường khí. Chương này chủ yếu phân tích nguyên lý hoạt động của phép đo lưu lượng siêu âm theo thời gian-chuyển tiếp và các yếu tố ảnh hưởng đến phép đo lưu lượng, đồng thời thực hiện các nghiên cứu mô phỏng về cách cải thiện độ chính xác của phép đo-lưu lượng, để chuẩn bị cho việc nghiên cứu các phương pháp đo lưu lượng siêu âm khí-đa đường dẫn và mô hình hóa cơ chế.
Phân tích nguyên lý hoạt động của quá trình vận chuyển-Đo lưu lượng khí siêu âm theo thời gian
Phương pháp đo lưu lượng khí siêu âm-thời gian di chuyển{1}}là một phương pháp đo lưu lượng khí-trong đó, trên cùng một chiều dài đường truyền của khí, chênh lệch thời gian-truyền giữa hai tín hiệu siêu âm di chuyển xuôi dòng và ngược dòng được sử dụng để xác định tốc độ dòng khí trung bình dọc theo đường dẫn âm thanh. Khi sóng siêu âm lan truyền trong môi trường khí đang chảy, tốc độ truyền của chúng thay đổi theo tốc độ dòng khí.
Cụ thể hơn, tốc độ lan truyền của sóng siêu âm thay đổi cùng chiều với vận tốc dòng khí: khi vận tốc dòng khí tăng thì vận tốc lan truyền sóng siêu âm cùng chiều cũng tăng tương ứng; ngược lại, nếu vận tốc dòng khí tăng ngược với hướng truyền siêu âm thì vận tốc siêu âm sẽ giảm tương ứng.
Cấu trúc cơ bản của ống siêu âm-Cảm biến lưu lượng
Như được hiển thị trong Hình. 2.1, hai bộ chuyển đổi siêu âm có khả năng truyền và nhận xung siêu âm (được gọi là đầu dò hoặc bộ chuyển đổi) được gắn ở một bên hoặc cả hai bên của đường ống. Đường dẫn thực tế của tín hiệu siêu âm giữa đầu dò truyền và nhận được gọi là đường dẫn âm thanh; do đó, một cặp đầu dò tạo thành một đường dẫn âm thanh. Màng truyền âm thanh-hoặc một phần của thành ống dẫn sóng âm được bố trí giữa bộ chuyển đổi và môi trường chất lỏng. Trong lưu lượng kế siêu âm đường đơn-, đường ống dẫn sóng giữa hai bộ chuyển đổi siêu âm giao nhau với trục của thiết bị.
Hình. 2.1 Sơ đồ nguyên lý đo lưu lượng siêu âm theo thời gian-quá cảnh
Như được hiển thị trong Hình. 2.1, đường kính ống là D. Khoảng cách đường thẳng-giữa các mặt cuối của bộ chuyển đổi A và B được nhúng ở cả hai phía của đường ống là chiều dài đường dẫn âm thanh-L (còn gọi là khoảng cách âm thanh L) và mối quan hệ của nó với đường kính D là
Hình. 2.1 Mối quan hệ hình học giữa-chiều dài đường truyền âm thanh và đường kính ống-đồng hồ đo lưu lượng siêu âm thời gian chuyển tiếp
trong đó φ là góc nghiêng của đường truyền âm, tức là góc giữa đường truyền âm và trục ống. Góc nghiêng của đường truyền âm cũng chính là góc tới của sóng siêu âm. Góc tới φ bị ảnh hưởng bởi tốc độ âm thanh trong chất lỏng, cũng như tốc độ âm thanh trong nêm và trong vật liệu thành ống-.
Nhìn chung, sự biến thiên của tốc độ âm thanh theo nhiệt độ trong vật liệu rắn nhỏ hơn so với vật liệu khí. Khi chênh lệch nhiệt độ không lớn, có thể bỏ qua ảnh hưởng của vật liệu nêm và thành ống-đến độ chính xác của phép đo; tuy nhiên, khi phạm vi biến đổi nhiệt độ lớn thì sự thay đổi lớn về tốc độ âm thanh trong vật liệu nêm và thành ống-phải được điều chỉnh.
Đối với đầu dò có góc tới 30 độ, hệ số truyền tương đối cao, tổn thất năng lượng nhỏ và điện áp kích thích cần thiết thấp. Đầu dò như vậy phù hợp với lưu lượng kế siêu âm cầm tay không thuận tiện cho việc sử dụng nguồn điện xoay chiều. Đầu dò có góc tới 45 độ có hệ số truyền tương đối thấp nhưng có thể sử dụng chip đầu dò lớn hơn và điện áp kích thích cao hơn, do đó phù hợp với lưu lượng kế siêu âm cố định hoặc những thiết bị có thể sử dụng nguồn điện xoay chiều.
Nguyên lý hoạt động của quá trình vận chuyển-Đo lưu lượng khí siêu âm theo thời gian
Công nghệ đo lưu lượng khí siêu âm-thời gian di chuyển{1}}xác định tốc độ dòng trung bình dọc trục Vz trên mặt phẳng được hình thành bởi đường truyền âm và trục, bằng cách đo chênh lệch thời gian giữa sóng siêu âm truyền xuôi dòng và ngược dòng trong môi trường khí. Thời gian truyền của sóng siêu âm khác nhau theo hướng ngược dòng và xuôi dòng. Thời gian xuôi dòng là:
Hình. 2.2 phương trình thời gian truyền siêu âm xuôi dòng-
và thời gian vận chuyển ngược dòng là
Hình. 2.3 phương trình thời gian di chuyển siêu âm ngược dòng-
trong đó C là tốc độ âm thanh của sóng siêu âm trong chất lỏng đo đứng yên, tức là tốc độ âm thanh; Vz là tốc độ dòng chảy trung bình của chất lỏng theo hướng dọc trục trên mặt phẳng được hình thành bởi đường siêu âm và trục ống, còn được gọi là đường dẫn-vận tốc trung bình.
Khi không xem xét ảnh hưởng của sự thay đổi tốc độ âm thanh-do môi trường đường ống bên trong, biểu thức cho vận tốc trung bình-của đường dẫn là
Hình. 2.4 Biểu thức cho đường dẫn-vận tốc hướng trục trung bình
Bằng cách đo thời gian truyền xuôi dòng tD và thời gian truyền ngược dòng tU của sóng siêu âm, chênh lệch thời gian giữa truyền sóng ngược dòng và xuôi dòng thu được như sau:
Hình. 2.5 Định nghĩa về chênh lệch thời gian ngược dòng-hạ lưu-
Bằng cách sử dụng phương pháp-thời gian vận chuyển, bạn có thể thu được vận tốc trung bình-của đường dẫn âm thanh của một đường dẫn âm thanh. Dựa trên vận tốc trung bình của các đường truyền âm khác nhau và sử dụng thuật toán phù hợp, có thể tính được vận tốc trung bình vuông góc với toàn bộ mặt cắt-, được gọi là vận tốc trung bình-âm lượng V.
Phương pháp đo vận tốc trung bình (thể tích) của chất lỏng trong đường ống bằng cách đo chênh lệch thời gian vận chuyển- giữa quá trình truyền siêu âm ngược dòng và hạ lưu được gọi là phương pháp đo lưu lượng siêu âm-thời gian vận chuyển{2}}. Lưu lượng kế đo lưu lượng chất lỏng trong đường ống bằng phương pháp siêu âm thời gian vận chuyển-được gọi là lưu lượng kế siêu âm thời gian vận chuyển-.
Mối quan hệ giữa đường dẫn-vận tốc trung bình trên đường truyền âm của lưu lượng kế siêu âm thời gian-chuyển tuyến và vận tốc trung bình-thể tích trong đường ống là
Hình. 2.6 Định nghĩa hệ số hiệu chỉnh tốc độ-của dòng chảy
trong đó K được gọi là hệ số hiệu chỉnh vận tốc dòng chảy. Hệ số hiệu chỉnh vận tốc-dòng chảy được lấy từ mô hình toán học của cấu hình phân bố vận tốc trong phần đo của lưu lượng kế. Tùy theo chế độ dòng khí trong đường ống, có thể thu được hệ số hiệu chỉnh vận tốc-của dòng khí. Như vậy, từ phương trình (2.4) và (2.6), vận tốc khí trung bình trong đường ống là
Hình. 2.7 Mối quan hệ giữa-vận tốc trung bình của đường ống và vận tốc trung bình của đường đi-
Tốc độ dòng thể tích có thể được tính từ phương trình (2.7) là
Hình. 2.8 phương trình tốc độ dòng chảy{1}}thể tích
trong đó A là diện tích mặt cắt ngang của ống.
Sau khi bù áp suất và nhiệt độ của tốc độ dòng thể tích, tốc độ dòng khối có thể đạt được là
Hình. 2.9 phương trình tốc độ dòng chảy-khối lượng với hiệu chỉnh áp suất–nhiệt độ–nén
trong đó Z là hệ số nén khí; P0 và P lần lượt là các thông số áp suất ở điều kiện tiêu chuẩn và điều kiện thực tế; T0 và T lần lượt là giá trị nhiệt độ ở điều kiện tiêu chuẩn và điều kiện thực tế; và ρ0 là mật độ của môi trường khí ở điều kiện tiêu chuẩn.
Sau khi đạt được tốc độ dòng chảy, có thể tính được thể tích chất lỏng đi qua một đường ống có đường kính nhất định trong một khoảng thời gian nhất định. Lưu lượng F đi qua ống trong 1h là 79:
Hình. 2.10 Thể tích chất lỏng hàng giờ qua đường ống dựa trên nguyên lý hoạt động của máy đo lưu lượng siêu âm thời gian vận chuyển-đo thời gian- vận chuyển
Nguyên lý hoạt động cơ bản của phép đo lưu lượng khí siêu âm đa đường dẫn
Máy đo lưu lượng siêu âm khí có thể được chia thành các loại-đường đơn và nhiều-đường dẫn, cả hai đều dựa trên nguyên tắc thời gian vận chuyển-để đo lưu lượng siêu âm. Hiện tại, trong số các sản phẩm tương tự ở nước ngoài, số lượng đường truyền âm có thể lên tới sáu. Trong lưu lượng kế siêu âm đa-đường dẫn, ViV_iVi biểu thị đường dẫn-vận tốc trung bình trên đường dẫn âm thanh thứ iii-. Nó thu được bằng cách đo thời gian truyền siêu âm xuôi dòng và ngược dòng, tính toán chênh lệch thời gian giữa chúng rồi tính toán vận tốc trung bình{10}}của đường đi.
Theo mối quan hệ giữa đường dẫn-vận tốc trung bình của từng đường dẫn âm thanh và các hệ số hiệu chỉnh vận tốc-của dòng chảy, thể tích-tốc độ khí trung bình trong đường ống có thể được ước tính như sau
Hình. 2.11 Phương trình vận tốc trung bình có trọng số đa đường dẫn-cách hoạt động của máy đo lưu lượng siêu âm
trong đó WiW_iWi là hệ số trọng số của từng đường dẫn âm thanh và giá trị của nó phụ thuộc vào thuật toán tích hợp được áp dụng.
Hình. 2.12 phương trình lưu lượng thể tích đa đường dẫn{2}}tốc độ-máy đo lưu lượng siêu âm cách thức hoạt động
Về lý thuyết, càng có nhiều đường truyền âm thì độ chính xác của phép đo càng cao. Tuy nhiên, kinh nghiệm thực tế đã chỉ ra rằng khi số lượng đường dẫn âm thanh trên mặt cắt ngang{1}}lên đến bốn, việc tăng thêm số lượng đường dẫn sẽ góp phần rất ít vào việc cải thiện độ chính xác, trong khi lại làm tăng đáng kể chi phí sản xuất.
Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến việc đo lưu lượng khí siêu âm
Theo công thức tính toán-vận tốc và tốc độ dòng-của lưu lượng kế siêu âm khí, tốc độ dòng hoặc tốc độ dòng có liên quan đến một số khía cạnh, chẳng hạn như các thông số hình học của ống đo, hệ số hiệu chỉnh vận tốc-của dòng chảy (hoặc hệ số trọng số) và các giá trị đo được của thời gian truyền siêu âm. Phân tích sau đây được thực hiện từ những khía cạnh này.
Hiệu chỉnh dòng chảy-Hệ số vận tốc và cải thiện độ chính xác của phép đo
Trong máy đo lưu lượng siêu âm khí theo thời gian-quá cảnh nói trên, nghiên cứu dựa trên trạng thái lý tưởng trong đó đường dẫn-vận tốc trung bình được phân bố đồng đều trên mặt cắt ngang của ống-. Trong các tình huống thực tế, do-sự phân bố vận tốc không đồng đều của chất lỏng trên mặt cắt-ống, vận tốc thu được bằng tính toán thực tế là đường-vận tốc trung bình dọc theo hướng truyền siêu âm và hướng trục, thu được từ chênh lệch thời gian truyền siêu âm đo được{7}}. Tốc độ dòng thể tích được tính toán cuối cùng chắc chắn sẽ tạo ra sai số. Để đảm bảo độ chính xác của phép đo, cần xác định mối quan hệ giữa hai yếu tố này và điều chỉnh vận tốc đo được thực tế bằng cách sử dụng các nguyên lý cơ học chất lỏng; nghĩa là hệ số hiệu chỉnh tốc độ dòng chảy K được đưa vào khi đo bằng lưu lượng kế thể tích.
Do sự phức tạp của trạng thái dòng chảy-chất lỏng trong đường ống nên việc phân bổ vận tốc cũng rất phức tạp. Nghiên cứu hiện tại chủ yếu giới hạn ở sự phân bố vận tốc trong điều kiện lý tưởng, tức là phân bố vận tốc dưới dòng chảy tầng và dòng chảy rối phát triển đầy đủ trong các đường ống trơn. Dòng chảy tầng và dòng chảy hỗn loạn là hai trạng thái dòng chảy cơ bản của chất lỏng trong đường ống. Dòng chảy tầng đề cập đến trạng thái trong đó các hạt chất lỏng không có chuyển động ngang và chỉ xem xét chuyển động dọc trục; dòng chảy hỗn loạn đề cập đến trạng thái trong đó các hạt chất lỏng có cả chuyển động dọc trục và chuyển động ngang. Bởi vì các đặc tính dòng chảy khác nhau dưới các trạng thái dòng chảy đường ống khác nhau nên thu được sự phân bố vận tốc khác nhau.
Các đặc tính dòng chảy của chất lỏng bị ảnh hưởng chung bởi vận tốc trung bình trong đường ống, độ nhớt động học và đường kính ống, trong khi số Reynolds ReReRe là một chỉ số quan trọng để đánh giá trạng thái dòng chảy. Khi 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>Năm 2300, chất lỏng bắt đầu chuyển sang trạng thái hỗn loạn và vùng chuyển tiếp này thường được coi là dòng chảy hỗn loạn.
Câu hỏi thường gặp
Đồng hồ đo lưu lượng khí siêu âm-thời gian vận chuyển là gì?
Máy đo lưu lượng khí siêu âm thời gian vận chuyển- đo lưu lượng khí bằng cách gửi các xung siêu âm cả xuôi dòng và ngược dòng, đồng thời tính toán tốc độ dòng chảy từ sự chênh lệch về thời gian vận chuyển của chúng.
Sự khác biệt giữa lưu lượng kế siêu âm một đường- và đa đường- là gì?
Lưu lượng kế-đường dẫn đơn sử dụng một cặp bộ chuyển đổi và một đường dẫn âm thanh, trong khi lưu lượng kế nhiều đường dẫn-sử dụng một số đường dẫn âm thanh ở các độ cao hoặc góc khác nhau để nắm bắt cấu hình vận tốc tốt hơn và cải thiện độ chính xác.
Tại sao cần có hệ số điều chỉnh vận tốc-dòng chảy?
Do sự phân bố vận tốc trong đường ống không hoàn toàn đồng đều nên vận tốc được đo dọc theo một đường truyền âm không bằng vận tốc trung bình trên mặt cắt ngang. Một hệ số hiệu chỉnh liên kết cả hai.
Những yếu tố nào ảnh hưởng đến độ chính xác đo lưu lượng khí siêu âm?
Các yếu tố chính bao gồm biến dạng biên dạng vận tốc, điều kiện lắp đặt, số Reynolds, thành phần khí và tốc độ âm thanh, thay đổi nhiệt độ và áp suất cũng như lỗi xử lý tín hiệu.
