מד זרימה גז קולי מתייחס למד זרימה המותקן על צינור עם גז זורם ומודד את זרימת הגז באמצעות העיקרון האולטראסוני. מד זרימת גז על-קולי-יחיד מתייחס למכשיר המצויד בנתיב אקוסטי אחד בלבד, בעוד שמד זרימה על-קולי של גז עם שני נתיבים אקוסטיים או יותר נקרא מד זרימה על-קולי של גז רב-.
כיצד פועל מד זרימה קולי? העיקרון הבסיסי למדידת מהירות זרימה עם מד זרימה קולי גז הוא לחשב את מהירות הזרימה, קצב הזרימה, הצפיפות ופרמטרים נוספים של נוזל הגז על ידי מדידת זמן ההתפשטות של גלים קוליים בתווך הגז. פרק זה מנתח בעיקר את עקרון הפעולה של מדידת זרימה אולטרה-קולית בזמן-מעבר והגורמים המשפיעים על מדידת זרימה, ומבצע מחקרי סימולציה כיצד לשפר את דיוק המדידה של-הזרימה, כדי לעשות הכנות למחקר של שיטות מדידה של זרימה קולית-רב-נתיב של גז ומודלים של מנגנונים.
ניתוח של עקרון הפעולה של מעבר-מדידת זרימת גז אולטרסאונד
שיטת המדידה-זמן מעבר של זרימת גז-היא שיטת מדידת זרימת גז- שבה, על פני אותו אורך נתיב של הגז, הפרש זמני ההתפשטות- בין שני אותות קולי העובר במורד הזרם ומעלה הזרם משמש לקביעת מהירות זרימת הגז הממוצעת לאורך הנתיב האקוסטי. כאשר גלים קוליים מתפשטים בתווך גזי זורם, מהירות ההתפשטות שלהם משתנה עם מהירות זרימת הגז.
ליתר דיוק, מהירות ההתפשטות של גלים קוליים משתנה באותו כיוון כמו מהירות זרימת הגז: כאשר מהירות זרימת הגז עולה, מהירות התפשטות הגל האולטסוני באותו כיוון עולה בהתאם; לעומת זאת, אם מהירות זרימת הגז תגדל בעודה הפוכה לכיוון ההתפשטות האולטרסאונד, המהירות האולטרסאונד תקטן בהתאם.
מבנה בסיסי של צינור אולטראסוני-חיישן זרימה
כפי שמוצג באיור . 2.1, שני מתמרים על-קוליים המסוגלים גם לשדר וגם לקלוט פולסים על-קוליים (המכונים בדיקות או מתמרים) משובצים בצד אחד או משני צידי הצינור. הנתיב האמיתי של האות האולטראסוני בין המתמרים המשדרים והמקבלים נקרא הנתיב האקוסטי; לפיכך, זוג מתמרים יוצר נתיב אקוסטי אחד. בין המתמרים לבין המדיום הנוזלי מסודרים קרום -משדר קול או קטע של דופן מוליך גל אקוסטי. במד זרימה אולטרא-סוני יחיד-, קו מוליך הגל בין שני המתמרים האולטרא-קוליים חוצה את ציר המכשיר.
איור. 2.1 תרשים סכמטי של העיקרון של מדידת זרימה אולטרה-קולית-זמן מעבר
כפי שמוצג באיור. 2.1, קוטר הצינור הוא D. מרחק הקו הישר בין פני הקצה של מתמרים A ו-B המוטבעים משני צידי הצינור הוא אורך הנתיב האקוסטי -L (נקרא גם המרחק האקוסטי L), והקשר שלו עם הקוטר D הוא
איור. 2.1 יחס גיאומטרי בין-אורך נתיב וקוטר צינור-זמן מעבר מד זרימה קולי
כאשר φ היא זווית הנטייה של הנתיב האקוסטי, כלומר הזווית בין הנתיב האקוסטי לציר הצינור. זווית הנטייה של הנתיב האקוסטי היא גם זווית הפגיעה של הגל האולטראסוני. זווית הפגיעה φ מושפעת ממהירות הקול בנוזל, כמו גם ממהירות הקול בטריז ובחומר הצינור-.
באופן כללי, השונות של מהירות הקול עם הטמפרטורה בחומרים מוצקים קטנה מזו שבחומרים גזים. כאשר שינוי הטמפרטורה אינו גדול, ניתן להזניח את ההשפעה של חומרי הקיר והצינור-על דיוק המדידה; עם זאת, כאשר טווח משתנה הטמפרטורות גדול, יש לתקן את השינוי הגדול במהירות הקול בחומרי הטריז והצינור-.
עבור מתמר עם זווית פגיעה של 30 מעלות, מקדם השידור גבוה יחסית, אובדן האנרגיה קטן ומתח העירור הנדרש נמוך. מתמר כזה מתאים למדדי זרימה אולטראסוניים כף יד שאינם נוחים לשימוש בספק AC. מתמר עם זווית תקיפה של 45 מעלות הוא בעל מקדם שידור נמוך יחסית אך יכול לאמץ שבב מתמר גדול יותר ומתח עירור גבוה יותר, ולכן מתאים למדדי זרימה אולטראסוניים קבועים או כאלו שיכולים להשתמש באספקת מתח AC.
עקרון הפעלה של מעבר-מדידת זרימת גז אולטרסאונד בזמן
טכנולוגיית מדידת זרימת גז אולטראסונית-זמן- של מעבר קובעת את מהירות הזרימה הממוצעת הצירית Vz במישור שנוצר על ידי הנתיב האקוסטי והציר, על ידי מדידת הפרש הזמן בין גלים אולטראסוניים המתפשטים במורד הזרם ובמעלה הזרם בתווך הגז. זמני המעבר של גלים קוליים שונים בכיוונים במורד הזרם והמעלה. זמן המעבר במורד הזרם הוא:
איור. 2.2 משוואת זמן של מעבר קולי- במורד הזרם
וזמן המעבר במעלה הזרם הוא
איור. 2.3 משוואת זמן מעבר קולי- במעלה הזרם
כאשר C היא מהירות הקול של גלים קוליים בנוזל הנמדד הנייח, כלומר מהירות הקול; Vz היא מהירות הזרימה הממוצעת של הנוזל בכיוון הצירי במישור שנוצר על ידי הנתיב האולטראסוני וציר הצינור, הנקרא גם המהירות הממוצעת- של הנתיב.
כאשר ההשפעה של שינוי מהירות-צליל עקב סביבת הצינור הפנימי אינה נחשבת, הביטוי למהירות-הממוצעת של הנתיב הוא
איור. 2.4 ביטוי עבור-מהירות צירית ממוצעת של נתיב
על ידי מדידת זמן המעבר במורד הזרם tD וזמן המעבר במעלה הזרם tU של הגל האולטראסוני, מתקבל הפרש הזמן בין התפשטות במעלה הזרם למורד הזרם
איור. 2.5 הגדרה של תחבורה במעלה הזרם-למטה-הפרש הזמנים
באמצעות שיטת-זמן מעבר, ניתן לקבל את-המהירות הממוצעת של נתיב אקוסטי אחד. בהתבסס על המהירויות הממוצעות של נתיבים אקוסטיים שונים, ובאמצעות אלגוריתמים מתאימים, ניתן לחשב את המהירות הממוצעת בניצב לכל החתך-, הנקראת נפח-המהירות הממוצעת V.
שיטת מדידת המהירות הממוצעת V של נוזל הצינור (נפח) על ידי מדידת הפרש זמני-המעבר בין התפשטות קולית במעלה הזרם למורד הזרם נקראת שיטת המדידה של-זמן זרימה קולית-מעבר. מד זרימה שמודד את זרימת הנוזל בצנרת באמצעות שיטת המעבר-זמן אולטרסאונד מכונה מד זרימה אולטראסוני בזמן-מעבר.
הקשר בין המהירות הממוצעת-בנתיב האקוסטי של מד זרימה אולטראסוני-זמן מעבר לבין המהירות הממוצעת-הנפחית בצינור הוא
איור. 2.6 הגדרת גורם תיקון מהירות-זרימה
כאשר K נקרא גורם תיקון מהירות הזרימה-. גורם תיקון מהירות הזרימה- נגזר מהמודל המתמטי של פרופיל התפלגות המהירות בקטע המדידה של מד הזרימה. על פי משטר זרימת הגז בצינור, ניתן לקבל את מקדם תיקון מהירות הזרימה-. לפיכך, ממשוואות (2.4) ו-(2.6), מהירות הגז הממוצעת בצינור היא
איור. 2.7 קשר בין-מהירות ממוצעת של צינור למהירות-ממוצעת של נתיב
ניתן לקבל את קצב הזרימה הנפחי מהמשוואה (2.7) כ
איור. 2.8 משוואת זרימה נפח-
כאשר A הוא שטח החתך-של הצינור.
לאחר פיצוי לחץ וטמפרטורה של קצב הזרימה הנפחית, ניתן לקבל את קצב זרימת המסה כ
איור. 2.9 משוואת זרימת מסה-עם תיקון לחץ-טמפרטורה-דחיסה
כאשר Z הוא מקדם דחיסות הגז; P0 ו-P הם פרמטרי הלחץ בתנאים סטנדרטיים ובתנאים בפועל, בהתאמה; T0 ו-T הם ערכי הטמפרטורה בתנאים סטנדרטיים ובתנאים בפועל, בהתאמה; ו- ρ0 היא הצפיפות של המדיום הגזי בתנאים סטנדרטיים.
לאחר קבלת מהירות הזרימה, ניתן לחשב את נפח הנוזל העובר דרך צינור בקוטר נתון לאורך תקופה מסוימת. נפח הזרימה F העובר בצינור תוך שעה הוא 79:
איור. 2.10 נפח שעתי של נוזל דרך הצינור המבוסס על-מדידת זמן-מעבר זמן-עקרון העבודה של מד זרימה קולי
עקרון תפעול בסיסי של מדידת זרימת גז אולטראסונית-רב-נתיב
ניתן לחלק מדי זרימה גז קוליים לסוגי-נתיבים בודדים ורב-נתיבים, שניהם מבוססים על עיקרון זמן המעבר- עבור מדידת זרימה קולית. כיום, בין מוצרים דומים בחו"ל, מספר המסלולים האקוסטיים יכול להגיע לשישה. במד זרימה אולטראסוני מרובה-נתיבים, ViV_iVi מייצג את-המהירות הממוצעת של הנתיב בנתיב האקוסטי השלישי-. הוא מתקבל על ידי מדידת זמני המעבר האולטרא-סוני במורד הזרם ובמעלה הזרם, חישוב הפרש הזמן ביניהם, ולאחר מכן חישוב המהירות הממוצעת של{10}הנתיב.
על פי הקשר בין המהירויות הממוצעות-של כל נתיב אקוסטי לבין גורמי תיקון מהירות הזרימה-, ניתן להעריך את מהירות הגז הממוצעת בנפח- בצינור
איור. 2.11 מרובה-משוואת מהירות ממוצעת משוקללת-איך פועל מד זרימה קולי
כאשר WiW_iWi הוא מקדם הניפוח של כל נתיב אקוסטי, והערך שלו תלוי באלגוריתם האינטגרציה שאומץ.
איור. 2.12 מרובה-זרימה נפחית-משוואת קצב-מד זרימה על-קולית איך זה עובד
בתיאוריה, ככל שיש יותר נתיבים אקוסטיים, דיוק המדידה צריך להיות גבוה יותר. עם זאת, הניסיון המעשי הראה שכאשר מספר הנתיבים האקוסטיים על פני החתך- מגיע לארבעה, הגדלת מספר הנתיבים עוד יותר תורמת מעט מאוד לשיפור הדיוק, תוך הגדלת עלות הייצור באופן משמעותי.
ניתוח של גורמים המשפיעים על מדידת זרימת גז אולטרסאונד
על פי נוסחאות חישוב מהירות -זרימה וקצב-זרימה של מדי זרימה קוליים של גז, מהירות הזרימה או קצב הזרימה קשורים למספר היבטים, כגון הפרמטרים הגיאומטריים של צינור המדידה, מקדם תיקון מהירות הזרימה- (או מקדם הניפוח), והערכים הנמדדים של זמן ההתפשטות האולטראסוני. הניתוח הבא מתבצע מהיבטים אלה.
תיקון הזרימה-גורם מהירות ושיפור דיוק המדידה
במד הזרימה האולטראסוני של גז המעבר-הנזכר לעיל, המחקר מבוסס על המצב האידיאלי שבו-המהירות הממוצעת של הנתיב מפוזרת באופן אחיד על פני חתך הצינור-. במצבים מעשיים, עקב התפלגות המהירות הלא אחידה של הנוזל על פני חתך הצינור-, המהירות המתקבלת בחישוב היא למעשה המהירות-הממוצעת של הנתיב לאורך כיוון ההתפשטות האולטראסונית והכיוון הצירי, המתקבלת מהפרש הזמנים שנמדד במעבר האולטראסוני-. קצב הזרימה הנפחי המחושב הסופי יפיק שגיאות בהכרח. כדי להבטיח דיוק מדידה, יש צורך לקבוע את הקשר בין השניים ולתקן את המהירות הנמדדת בפועל באמצעות עקרונות{10}}מכניקת נוזלים; כלומר,{11}}מקדם תיקון קצב זרימה K מוכנס בעת מדידה עם מד זרימה נפחי.
בשל המורכבות של מצבי זרימת נוזלים- בצינורות, התפלגויות המהירות המתקבלות מורכבות גם הן. המחקר הנוכחי מוגבל בעיקר לפיזור המהירות בתנאים אידיאליים, כלומר פיזור המהירות בזרימה למינרית וזרימה סוערת מפותחת במלואה בצינורות חלקים. זרימה למינרית וזרימה סוערת הם שני מצבי זרימה בסיסיים של נוזלים בצינורות. זרימה למינרית מתייחסת למצב בו לחלקיקי הנוזל אין תנועה רוחבית ורק תנועה צירית נחשבת; זרימה סוערת מתייחסת למצב בו לחלקיקי הנוזל יש תנועה צירית ורוחבית. מכיוון שמאפייני הזרימה שונים במצבי זרימה שונים בצינור, מתקבלות התפלגות מהירות שונות.
מאפייני הזרימה של נוזל מושפעים במשותף מהמהירות הממוצעת בצינור, מהצמיגות הקינמטית ומקוטר הצינור, בעוד שמספר ריינולדס ReReRe הוא מדד חשוב להערכת מצב הזרימה. כאשר 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>2300, הנוזל מתחיל לעבור למצב סוער, ובדרך כלל מתייחסים לאזור מעבר זה כזרימה סוערת.
שאלות נפוצות
מהו מד זרימת גז אולטראסוני-זמן מעבר?
מד זרימת גז אולטראסוני בזמן-מעבר מודד את זרימת הגז על ידי שליחת פולסים אולטראסוניים הן במורד הזרם והן במעלה הזרם וחישוב מהירות הזרימה מההבדל בזמני המעבר שלהם.
מה ההבדל בין מדי זרימה אולטרא-קוליים-יחיד-לרב-נתיבים?
מד זרימה-יחיד משתמש בזוג מתמרים אחד ובנתיב אקוסטי אחד, בעוד שמד זרימה מרובה-נתיבים משתמש במספר נתיבים אקוסטיים בגבהים או בזוויות שונות כדי ללכוד טוב יותר את פרופיל המהירות ולשפר את הדיוק.
מדוע יש צורך במקדם תיקון מהירות-זרימה?
מכיוון שהתפלגות המהירות בצינור אינה אחידה לחלוטין, המהירות הנמדדת לאורך נתיב אקוסטי בודד אינה שווה למהירות הממוצעת של החתך-. גורם תיקון מקשר בין השניים.
אילו גורמים משפיעים על דיוק מדידת זרימת גז קולי?
גורמי מפתח כוללים עיוות פרופיל מהירות, תנאי התקנה, מספר ריינולדס, הרכב הגז ומהירות הקול, שינויי טמפרטורה ולחץ ושגיאות עיבוד אותות.
