Doppler-flytmålere utnytter Doppler-effekten, som er forskyvningen av frekvensen som følge av bølger som sendes ut av eller reflekteres av et bevegelig objekt.
En vanlig erkjennelse av Doppler-effekten er den opplevde forskyvningen i frekvensen av et hornrapport fra et kjøretøy i bevegelse: når kjøretøyet nærmer seg lytteren, virker hornets tonehøyde høyere enn normalt; Når kjøretøyet passerer lytteren og begynner å bevege seg, ser hornhøyden plutselig ut å “forskyve seg” til en lavere frekvens.
I virkeligheten endrer hornets frekvens aldri, men hastigheten til det nærmerende kjøretøyet i forhold til den stasjonære lytteren fungerer til å "komprimere" lydens vibrasjoner i luften. Når kjøretøyet beveger seg, blir lydbølgene "strukket" fra lytterens perspektiv.
Den samme effekten skjer hvis en lydbølge er rettet mot et bevegelig objekt, og ekkoets frekvens sammenlignes med den sendte (hendelses) frekvensen. Hvis den reflekterte bølgen kommer tilbake fra en boble som beveger seg mot ultralydomformeren, vil den reflekterte frekvensen være større enn hendelsesfrekvensen.
Hvis strømmen snur retning og den reflekterte bølgen kommer tilbake fra en boble som beveger seg bort fra svinger, vil den reflekterte frekvensen være mindre enn hendelsesfrekvensen.
Dette samsvarer med fenomenet med et kjøretøys hornfelt som tilsynelatende øker når kjøretøyet nærmer seg en lytter og tilsynelatende avtar når kjøretøyet beveger seg bort fra en lytter.
En Doppler-strømningsmåler spretter lydbølger av bobler eller partikulært materiale i strømningsstrømmen, og måler frekvensforskyvningen og utleder fluidhastigheten fra størrelsen på skiftet.
Ultrasonic Flow Meter - Doppler Flow meter
Kravet om at det skal være gjenstander i strømningsstrømmen som er store nok til å reflektere lydbølger, begrenser Doppler ultralydstrømmålere til væskeapplikasjoner.
“Skitne” væsker som slam og avløpsvann, eller væsker som fører et betydelig antall gassbobler (f.eks. Kullsyreholdige drikker) er gode kandidatvæsker for denne teknologien.
Det er urealistisk å forvente at enhver gasstrøm vil frakte væskedråper eller fast materiale som er stort nok til å reflektere sterke ekkoer, og derfor kan ikke Doppler-strømningsmåler brukes til å måle gasstrømmen.
Det matematiske forholdet mellom fluidhastighet (v) og Doppler-frekvensskiftet (Δf) er som følger for fluidhastigheter som er mye mindre enn lydhastigheten gjennom det fluidet (v <>
Hvor,
Δf = Doppler frekvensskift
v = Fluidshastighet (faktisk av partikkelen som reflekterer lydbølgen)
f = Frekvens av hendelseslydbølge
θ = Vinkel mellom svinger og rørets midtlinjer
c = Lydhastighet i prosessvæsken
Se også: Ultrasonic Flow meter Animation
Legg merke til hvordan Doppler-effekten gir en direkte måling av fluidhastigheten fra hvert ekko mottatt av svingeren.
Dette står i markant kontrast til målinger av avstand basert på tidsavbruddlys (tidsdomenrefleksometri - hvor tidsmengden mellom innfallspulsen og det returnerte ekkoet er proporsjonalt med avstanden mellom svingeren og den reflekterende overflaten)
slik som ved bruk av ultralydvæskenivåmåling. I en Doppler-flowmeter er tidsforsinkelsen mellom hendelsen og reflekterte pulser uten betydning. Bare frekvensskiftet mellom hendelsen og reflekterte signaler betyr noe.
Denne frekvensforskyvningen er også direkte proporsjonal med strømningshastigheten, noe som gjør Doppler ultralydstrømningsmåler til en lineær måleapparat.
Omorganiser Doppler-frekvensskiftligningen for å løse for hastighet (igjen, forutsatt at v <>
Når vi vet at volumetrisk strømningshastighet er lik produktet av rørområdet og den gjennomsnittlige hastigheten til væsken (Q = Av), kan vi skrive om ligningen for direkte å løse for beregnet strømningshastighet (Q):
En veldig viktig betraktning for Doppler ultralydstrømningsmåling er at kalibreringen av strømningsmåleren varierer med lydhastigheten gjennom væsken (c).
Dette fremgår lett av tilstedeværelsen av c i den ovennevnte ligning: når c øker, må proportionf proporsjonalt avta for en hvilken som helst fast volumetrisk strømningshastighet Q.
Siden strømningsmåleren er designet for å direkte tolke strømningshastigheten i form av Δf, vil en økning i c forårsake en reduksjon i thusf således registrere seg som en reduksjon i Q.
Dette betyr at lydens hastighet for en væske må være nøyaktig kjent for at et Doppler ultralydstrømningsmåler skal måle strømningen nøyaktig.
Lydens hastighet gjennom en hvilken som helst væske er en funksjon av mediumets tetthet og bulkmodul (hvor lett det komprimeres):
Hvor,
c = lydhastighet i et materiale (meter per sekund)
B = Bulkmodul (pascaler eller newton per kvadratmeter)
ρ = Massetetthet av væske (kilogram per kubikk)
Temperaturen påvirker væsketettheten, og sammensetningen (væskens kjemiske bestanddel) påvirker bulkmodulen. Dermed er temperatur og sammensetning begge påvirkningsfaktorer for Doppler ultralyd flowmeter kalibrering.
Trykk er ikke noe problem her, siden trykk bare påvirker tettheten av gasser, og vi vet allerede at Doppler flytmåler bare fungerer med væsker.
Etter temaet med å kreve bobler eller partikler av tilstrekkelig størrelse, er en annen begrensning av Doppler ultralydstrømmålere deres manglende evne til å måle strømningshastigheter for væsker som er for rene og for homogene. I slike applikasjoner vil lydbølgefleksjonene være for svake til å måle pålitelig.
Slik er det også når de faste partiklene har en lydhastighet som er for nær væskenes, siden refleksjon skjer bare når en lydbølge møter et materiale med en markant annen lydhastighet.
Ultralydstrømmålere av doppler-type er ubrukelige i bruksområder der vi ikke kan oppnå sterke lydbølgefleksjoner.
Gjennomstrømningsmåler, noen ganger kalt motpropagasjonsstrømningsmåler, er et alternativ til Doppler ultralydstrømmålere.
Et ultralydstrømningsmåler for transittid bruker et par motsatte sensorer for å måle tidsforskjellen mellom en lydpuls som beveger seg med væskestrømmen mot en lydpuls som beveger seg mot væskestrømmen.
Siden bevegelsen av væske har en tendens til å føre en lydbølge langs, vil lydpulsen som sendes nedstrøms gjøre reisen raskere enn en lydpuls overført oppstrøms:
Gjennomstrømningsmåler
Volumetrisk hastighet gjennom en gjennomstrømningstidsmåler er en enkel funksjon av oppstrøms- og nedstrøms forplantningstider:
Hvor,
Q = Beregnet volumetrisk strømningshastighet
k = Konstant av proporsjonalitet
t up = Tid for lydpuls å reise fra nedstrøms plassering til oppstrøms beliggenhet (oppstrøms, mot strømmen)
t ned = Tid for lydpuls å reise fra oppstrøms beliggenhet til nedstrøms beliggenhet (nedstrøms, med strømmen)
Et interessant kjennetegn ved måling av hastighetstidshastighet er at forholdet mellom transittidforskjell over transporttidsprodukt forblir konstant med endringer i lydhastigheten gjennom væsken.
Hvis du ønsker å bevise dette for deg selv, kan du gjøre det ved å erstatte banelengde (L), væskehastighet (v) og lydhastighet (c) for tidene i strømningsformelen. Bruk tup = L / (c − v) og tdown = L / (c + v) som substitusjoner, og reduser deretter algebraisk flytformelen til du finner ut at alle c-begrepene avbryter. Det endelige resultatet skal være Q = 2kv / L.
Når denne ligningen støpes til banelengde (L), fluidhastighet (v) og lydhastighet (c), forenkles ligningen til Q = 2kv / L, og beviser at gjennomstrømningstidsmåleren er lineær akkurat som Doppler-flowmeter, med fordelen av å være immun mot endringer i væskens lydhastighet.
Endringer i bulkmodul som følge av endringer i væskesammensetning, eller endringer i tetthet som følge av sammensetnings-, temperatur- eller trykkvariasjoner, har derfor liten effekt på en gjennomstrømningstidsmålerens nøyaktighet.
Ikke bare er ultralydstrømningsmåler for transittid immun mot endringer i lydhastigheten, men de kan også måle den lydhastigheten uavhengig av strømningshastigheten.
Ligningen for beregning av lydhastighet basert på oppstrøms og nedstrøms forplantningstider er som følger:
Hvor,
c = Beregnet lydhastighet i væske
L = Banelengde
t up = Tid for lydpuls å reise fra nedstrøms beliggenhet til oppstrøms beliggenhet (oppstrøms, mot strømmen)
t ned = Tid for lydpuls å reise fra oppstrøms beliggenhet til nedstrøms beliggenhet (nedstrøms, med strømmen)
Selv om det ikke er nødvendig eller til og med spesielt relevant for det direkte formålet med strømningsmåling, er denne slutningen av fluidets lydhastighet likevel nyttig som et diagnostisk verktøy. Hvis den sanne lydhastigheten for væsken er kjent enten ved direkte laboratoriemåling av en prøve eller ved kjemisk analyse av en prøve, kan denne hastigheten sammenlignes med strømningsmålerens rapporterte lydhastighet for å sjekke strømningsmålerens absolutte målingens nøyaktighet . Enkelte problemer i sensorene eller i sensorelektronikken kan oppdages på denne måten.
Et krav for pålitelig drift av en ultralydstrømningsmåler for transittid er at prosessfluidet er fritt for gassbobler eller faste partikler som kan spre eller hindre lydbølgene.
Merk at dette er nettopp det motsatte kravet fra Doppler ultralydstrømmålere, som krever bobler eller partikler for å reflektere lydbølger.
Disse motstridende krav skiller pent applikasjoner som er egnet for gjennomgangstidsstrømmålere fra applikasjoner som er egnet for Doppler-strømningsmåler, og øker også muligheten for å bruke ultralydstrømningsmåler for transittid på gasstrømstrømmer og på væskestrømmer.
