Доплеровите разходомери използват ефекта на Доплер, който е изместване на честотата в резултат на вълни, излъчвани от или отразявани от движещ се обект.
Обща реализация на ефекта на Доплер е възприеманото изместване на честотата на доклада на клаксона от движещо се превозно средство: когато превозното средство се приближава до слушателя, стъпката на клаксона изглежда по-висока от нормалната; когато превозното средство подмине слушателя и започне да се отдалечава, тежестта на клаксона изведнъж се „измества“ на по-ниска честота.
В действителност честотата на клаксона никога не се променя, но скоростта на приближаващото превозно средство спрямо стационарния слушател действа "компресира" звуковите вибрации във въздуха. Когато превозното средство се отдалечи, звуковите вълни се „разтягат“ от гледна точка на слушателя.
Същият ефект се получава, ако звукова вълна е насочена към движещ се обект, а честотата на ехото се сравнява с предаваната (инцидентна) честота. Ако отразената вълна се върне от мехур, напредващ към ултразвуковия преобразувател, отразената честота ще бъде по-голяма от падащата честота.
Ако потокът обърне посоката и отразената вълна се върне от балон, пътуващ далеч от датчика, отразената честота ще бъде по-малка от честотата на падане.
Това съответства на феномена на рог наклона на превозното средство, който привидно се увеличава, когато превозното средство се приближава до слушател и привидно намалява, когато превозното средство се отдалечава от слушател.
Доплеров разходомер отскача звукови вълни от мехурчета или частици в потока, измервайки честотното изместване и определяйки скоростта на течността от величината на това изместване.
Ултразвуков разходомер - доплеров разходомер
Изискването да има обекти в потока на потока, достатъчно големи, за да отразяват звуковите вълни, ограничава доплеровите ултразвукови разходомери за течни приложения.
„Мръсни“ течности като шламове и отпадни води или течности, съдържащи значителен брой газови мехурчета (напр. Газирани напитки), са добър кандидат-флуид за тази технология.
Нереалистично е да се очаква, че всеки газов поток ще носи капчици течност или твърда материя, достатъчно големи, за да отразява силни ехота, и затова доплеровите измервателни уреди не могат да се използват за измерване на газовия поток.
Математическата връзка между скоростта на течността (v) и доплеровото изместване на честотата (Δf) е следната за скоростите на течността, много по-малки от скоростта на звука през тази течност (v <>
Където,
Δf = Доплерово изместване на честотата
v = скорост на течността (всъщност на частицата, отразяваща звуковата вълна)
f = Честота на падащата звукова вълна
θ = Ъгъл между преобразувателя и централната линия на тръбата
c = скорост на звука в технологичната течност
Вижте също: Анимация на ултразвуков разходомер
Обърнете внимание как Доплеровият ефект дава директно измерване на скоростта на течността от всяко ехо, получено от датчика.
Това стои в подчертано противоположно на измерване на разстоянието въз основа на светлината, изключена от времето (рефлектометрия на времевата област - където времето между падащия импулс и върнатото ехо е пропорционално на разстоянието между преобразувателя и отразяващата повърхност)
като например при прилагането на ултразвуково измерване на нивото на течността. В доплеров разходомер времето закъснение между инцидента и отразените импулси е без значение. Важно е само изместване на честотата между инцидента и отразените сигнали.
Това честотно изместване също е пряко пропорционално на скоростта на потока, което превръща доплеров ултразвуков разходомер в линейно измервателно устройство.
Пренареждане на уравнението на доплерово изместване на честотата за решаване на скоростта (отново, ако приемем, че v <>
Знаейки, че обемният дебит е равен на произведението на площта на тръбата и средната скорост на флуида (Q = Av), можем да препишем уравнението, за да разрешим директно за изчисления дебит (Q):
Много важно съображение за доплеровото измерване на ултразвуковото измерване е, че калибрирането на разходомера варира в зависимост от скоростта на звука през течността (с).
Това лесно се вижда от наличието на c в горното уравнение: с увеличаване на c, Δf трябва пропорционално да намалее за всеки фиксиран обемен дебит Q.
Тъй като разходомерът е проектиран така, че да интерпретира директно скоростта на потока по отношение на Δf, увеличението на c, което води до намаляване на Δf, ще се регистрира като намаление в Q.
Това означава, че скоростта на звука на течността трябва да бъде точно известна, за да може доплеров ултразвуков разходомер точно да измери потока.
Скоростта на звука през всяка течност е функция на плътността и обемния модул (колко лесно се компресира):
Където,
c = скорост на звука в материал (метри в секунда)
B = Обемни модули (паскали или нютони на квадратен метър)
ρ = Масова плътност на течността (килограми на кубичен метър)
Температурата влияе на плътността на течността, а съставът (химическата съставка на течността) влияе върху насипния модул. По този начин температурата и съставът влияят на факторите за калибриране на доплеров ултразвуков разходомер.
Налягането тук не е проблем, тъй като налягането влияе само на плътността на газовете, а ние вече знаем, че доплеровите разходомери функционират само с течности.
Следвайки темата за изискване на мехурчета или частици с достатъчен размер, друго ограничение на доплеровите ултразвукови разходомери е тяхната неспособност да измерват дебитите на течности, които са твърде чисти и прекалено хомогенни. В такива приложения отраженията на звуковата вълна ще бъдат твърде слаби, за да могат надеждно да се измерват.
Такъв е случаят, когато твърдите частици имат скорост на звука твърде близка до тази на течността, тъй като отражението се случва само когато звукова вълна срещне материал с подчертано различна скорост на звука.
Доплеровите ултразвукови разходомери са безполезни в приложения, където не можем да получим силни отражения на звуковата вълна.
Разходните разходомери за транзитно време, понякога наричани разходомери за размножаване, са алтернатива на доплеровите ултразвукови разходомери.
Един ултразвуков разходомер за транзитно време използва двойка противоположни сензори за измерване на разликата във времето между звуков импулс, пътуващ с потока на течността, срещу звуков импулс, движещ се срещу потока на течността.
Тъй като движението на течността има тенденция да носи звукова вълна заедно, звуковият импулс, предаван надолу по веригата, ще направи пътуването по-бързо от звуковия импулс, предаден нагоре по течението:
Разходомери за транзитно време
Скоростта на обемния поток през разходомер за транзитно време е проста функция на времето за разпространение нагоре и надолу по течението:
Където,
Q = Изчислен обемен дебит
k = Константа на пропорционалност
t нагоре = Време за преминаване на звуков импулс от местоположението надолу по течението до местоположението нагоре (нагоре срещу течението)
t надолу = Време за преминаване на звуков импулс от местоположението нагоре до мястото надолу по веригата (надолу по веригата, с потока)
Интересна характеристика на измерването на скоростта на транзитно време е, че съотношението на разликата във времето на транзит спрямо продукта на транзитно време остава постоянно с промените в скоростта на звука през течността.
Ако искате да докажете това на себе си, можете да направите това, като замените дължината на пътя (L), скоростта на течността (v) и скоростта на звука (c) за времената във формулата на потока. Използвайте tup = L / (c − v) и tdown = L / (c + v) като ваши замествания, а след това алгебрично намалете формулата на потока, докато установите, че всички термини c се отменят. Крайният ви резултат трябва да бъде Q = 2kv / L.
Когато това уравнение е хвърлено по отношение на дължината на пътя (L), скоростта на течността (v) и скоростта на звука (c), уравнението опростява до Q = 2kv / L, доказвайки, че дебитомерът за време на преминаване е линеен точно като Доплеров разходомер, с предимството, че е имунизиран срещу промените в скоростта на звука на течността.
Промените в насипния модул в резултат на промените в състава на течността или промените в плътността в резултат на колебания в състава, температурата или налягането имат малък ефект върху точността на измервателния уред за преходно време.
Не само, че ултразвуковите измервателни уреди за транзитно време не са имунизирани срещу промените в скоростта на звука, но също така са в състояние да измерват тази звукова скорост, независимо от скоростта на потока.
Уравнението за изчисляване на скоростта на звука въз основа на времето за разпространение нагоре и надолу по веригата е, както следва:
Където,
c = Изчислена скорост на звука в течността
L = дължина на пътя
t нагоре = Време за преминаване на звуков импулс от местоположението надолу по течението до местоположението нагоре (нагоре срещу течението)
t надолу = Време за преминаване на звуков импулс от местоположението нагоре до мястото надолу по веригата (надолу по веригата, с потока)
Въпреки че не е необходимо или дори е особено уместно за пряката цел на измерването на потока, това заключение за скоростта на звука на течността е полезно като диагностичен инструмент. Ако истинската скорост на звука за флуида е известна или чрез директно лабораторно измерване на проба, или чрез химичен анализ на проба, тази скорост може да се сравни с отчетената скорост на звукомера, за да се провери абсолютната точност на измерване на разходомера , По този начин могат да бъдат открити определени проблеми в сензорите или в сензорната електроника.
Изискване за надеждна работа на ултразвуков разходомер за транзитно време е технологичната течност да не съдържа газови мехурчета или твърди частици, които могат да разпръснат или възпрепятстват звуковите вълни.
Обърнете внимание, че това е точно обратното изискване на доплеровите ултразвукови разходомери, които изискват мехурчета или частици, за да отразяват звуковите вълни.
Тези противоположни изисквания точно разграничават приложенията, подходящи за разходомери за транзитно време, от приложенията, подходящи за доплерови разходомери, а също така повишават възможността за използване на ултразвукови измервателни уреди за транзитно време на потоци от газови потоци, както и на потоци от течен поток.
