Przepływomierz ultradźwiękowy

Schematyczny widok czujnika przepływu.

Przepływomierz ultradźwiękowy to rodzaj przepływomierza , który mierzy prędkość płynu za pomocą ultradźwięków w celu obliczenia przepływu objętościowego. Za pomocą przetworników ultradźwiękowych przepływomierz może mierzyć średnią prędkość na ścieżce emitowanej wiązki ultradźwięków, uśredniając różnicę w zmierzonym czasie przejścia między impulsami ultradźwięków rozchodzącymi się w kierunku przepływu i przeciwnie do niego lub mierząc przesunięcie częstotliwości z efektu Dopplera . Na przepływomierze ultradźwiękowe mają wpływ właściwości akustyczne płynu i mogą na nie wpływać temperatura, gęstość, lepkość i cząstki zawieszone, w zależności od dokładnego przepływomierza. Różnią się znacznie ceną zakupu, ale często są niedrogie w użyciu i utrzymaniu, ponieważ nie używają ruchomych części , w przeciwieństwie do przepływomierzy mechanicznych.

Środki działania

Istnieją trzy różne typy przepływomierzy ultradźwiękowych. Przepływomierze transmisyjne (lub przeciwbieżne w czasie przejścia) można podzielić na odmiany liniowe (inwazyjne, zwilżane) i zaciskowe (nieinwazyjne). Przepływomierze ultradźwiękowe wykorzystujące przesunięcie Dopplera nazywane są przepływomierzami odbiciowymi lub przepływomierzami Dopplera. Trzeci typ to przepływomierz z kanałem otwartym.

Zasada

Przepływomierz czasu

Przepływomierze ultradźwiękowe mierzą różnicę między czasem przejścia impulsów ultradźwiękowych rozchodzących się zgodnie z kierunkiem przepływu i przeciwnie do niego. Ta różnica czasu jest miarą średniej prędkości płynu wzdłuż ścieżki wiązki ultradźwiękowej. Korzystając z bezwzględnych czasów przejścia $dół$ $}}$ o , zarówno uśrednioną prędkość płynu, $displaystyle$ prędkość dźwięku do { $} \displaystyle c}$ można obliczyć. Korzystając z tych dwóch czasów przejścia, odległość między przetwornikami odbiorczymi i nadawczymi ${\ displaystyle L}$ i kąt nachylenia , jeśli założymy, że dźwięk musi iść pod prąd podczas wchodzenia w górę i wzdłuż przepływu podczas $}$ w dół, to z definicji można zapisać następujące równania α {\ displaystyle \ alpha prędkości : _

${\ Displaystyle cv \ cos \ alfa = {\ Frac {L} {t_ {w górę}}}}$ i ${\ styl wyświetlania c + v \ cos \ alfa = {\ frac {L} {t_ {dół}}}}$

Dodając i odejmując powyższe równania otrzymujemy,

${\ Displaystyle v = {\ Frac {L} {2 \; \ cos \ lewo (\ alfa \ prawo )}}\;{\frac {t_{w górę}-t_{w dół}}{t_{w górę}\;t_{w dół}}}}$ i ${\ Displaystyle c = {\ Frac {L} {2}} \; {\ Frac {t_ {góra} + t_ {dół}}} {t_ {góra} \; t_ {dół}}}}$

gdzie $jest$ średnią prędkością płynu wzdłuż ścieżki dźwięku i $prędkością$ dźwięku

Przepływomierze z przesunięciem Dopplera

Inną metodą ultradźwiękowego pomiaru przepływu jest wykorzystanie przesunięcia Dopplera , które wynika z odbicia wiązki ultradźwiękowej od materiałów odbijających dźwięk , takich jak cząstki stałe lub pęcherzyki powietrza w przepływającym płynie, lub turbulencji samego płynu, jeśli płyn jest czysty.

Przepływomierze dopplerowskie stosuje się do zawiesin , cieczy z pęcherzykami, gazów z cząstkami odbijającymi dźwięk.

Ten typ przepływomierza może być również używany do pomiaru szybkości przepływu krwi , przepuszczając wiązkę ultradźwięków przez tkanki, odbijając ją od płytki odblaskowej, a następnie odwracając kierunek wiązki i powtarzając pomiar, objętość krwi przepływ można oszacować. Na częstotliwość transmitowanej wiązki wpływa ruch krwi w naczyniu i porównując częstotliwość wiązki w górę z przepływem krwi przez naczynie w dół można zmierzyć. Różnica między tymi dwiema częstotliwościami jest miarą rzeczywistego przepływu objętościowego. Czujnik szerokostrumieniowy może być również używany do pomiaru przepływu niezależnie od pola przekroju poprzecznego naczynia krwionośnego.

Przepływomierze z kanałami otwartymi

W tym przypadku element ultradźwiękowy faktycznie mierzy wysokość wody w otwartym kanale; na podstawie geometrii kanału można określić przepływ z wysokości. Czujnik ultradźwiękowy zwykle ma również czujnik temperatury, ponieważ temperatura wpływa na prędkość dźwięku w powietrzu.

Zobacz też

Lipták, Béla G.: Pomiar i analiza procesu, tom 1. CRC Press (2003), ISBN 0-8493-1083-0 (wersja 1)
Uniwersytet Browna z ultradźwiękowymi czujnikami akustycznymi
Lynnworth, LC: Pomiary ultradźwiękowe do kontroli procesu. Academic Press, Inc. San Diego. ISBN 0-12-460585-0

Linki zewnętrzne