Doplerio srauto matuokliai naudoja Doplerio efektą, tai yra dažnio poslinkį, atsirandantį dėl judančio objekto skleidžiamų arba jo atspindimų bangų.
Įprastas Doplerio efekto suvokimas yra suvokiamas rago signalo dažnio pokytis iš judančios transporto priemonės: transporto priemonei artėjant prie klausytojo, signalo signalo garsas atrodo didesnis nei įprasta; kai transporto priemonė praeina pro klausytoją ir pradeda tolti, atrodo, kad signalo signalas staiga „nuslinka žemyn“ į mažesnį dažnį.
Tiesą sakant, signalo signalo dažnis niekada nesikeičia, tačiau artėjančios transporto priemonės greitis nejudančio klausytojo atžvilgiu „suspaudžia“ garsinius virpesius ore. Kai transporto priemonė tolsta, garso bangos „ištempiamos“ iš klausytojo perspektyvos.
Tas pats efektas atsiranda, jei garso banga nukreipta į judantį objektą, o aido dažnis lyginamas su perduodamu (patekusiu) dažniu. Jei atspindėta banga grįžta iš burbulo, einančio link ultragarso keitiklio, atspindėtas dažnis bus didesnis už kritimo dažnį.
Jei srautas keičia kryptį, o atspindėta banga grįžta iš burbulo, nutolusio nuo keitiklio, atspindėtas dažnis bus mažesnis už kritimo dažnį.
Tai atitinka reiškinį, kai transporto priemonės rago aukštis atrodo didėjantis, kai transporto priemonė artėja prie klausytojo, ir, atrodo, mažėja, kai transporto priemonė tolsta nuo klausytojo.
Doplerio srauto matuoklis nukreipia garso bangas iš burbuliukų ar kietųjų dalelių srauto sraute, matuojant dažnio poslinkį ir nustatant skysčio greitį pagal to poslinkio dydį.
Ultragarsinis srauto matuoklis - Doplerio srauto matuoklis
Reikalavimas, kad srauto sraute turėtų būti pakankamai didelių objektų, kad atspindėtų garso bangas, Doplerio ultragarso srauto matuoklius gali tekti naudoti tik skysčiuose.
„Nešvarūs“ skysčiai, tokie kaip srutos ir nuotekos, arba skysčiai, kuriuose yra daug dujų burbuliukų (pvz., Gazuoti gėrimai), yra tinkami skysčiai šiai technologijai.
Nerealu tikėtis, kad bet kuris dujų srautas teiks skysčio lašelius ar kietas medžiagas, kurios yra pakankamai didelės, kad atspindėtų stiprius aidus, todėl Doplerio srauto matuokliai negali būti naudojami dujų srautui matuoti.
Matematinis skysčio greičio (v) ir Doplerio dažnio poslinkio (Δf) santykis yra toks, kai skysčio greitis yra daug mažesnis nei garso per tą skystį greitis (v <>
Kur,
Δf = Doplerio dažnio poslinkis
v = skysčio (faktiškai dalelės, atspindinčios garso bangą) greitis
f = krintančios garso bangos dažnis
θ = kampas tarp keitiklio ir vamzdžio vidurio linijų
c = garso greitis proceso skystyje
Taip pat žiūrėkite: Ultragarsinis srauto matuoklio animacija
Atkreipkite dėmesį, kaip Doplerio efektas tiesiogiai išmatuoja skysčio greitį iš kiekvieno aido, kurį priima keitiklis.
Tai ryškiai skiriasi nuo atstumo matavimų, pagrįstų neveikiančia šviesa (laiko srities atspindžio metrika - kai laikas tarp krintančio impulso ir grįžtančio aido yra proporcingas atstumui tarp keitiklio ir atspindinčio paviršiaus)
pavyzdžiui, ultragarsiniu skysčio lygio matavimu. Doplerio debitmačiu laiko tarpas tarp kritimo ir atspindėtų impulsų neturi reikšmės. Svarbus tik dažnio pokytis tarp įvykio ir atspindėtų signalų.
Šis dažnio poslinkis taip pat yra tiesiogiai proporcingas srauto greičiui, todėl Doplerio ultragarsinis srauto matuoklis tampa tiesinio matavimo įtaisu.
Pertvarkant Doplerio dažnio poslinkio lygtį, kad būtų išspręstas greitis (vėlgi, darant prielaidą, kad v <>
Žinodami, kad tūrinis srautas yra lygus vamzdžio ploto sandaugai ir vidutiniam skysčio greičiui (Q = Av), galime perrašyti lygtį, kad tiesiogiai išspręstume apskaičiuotą srauto greitį (Q):
Labai svarbus Doplerio ultragarsinio srauto matavimo aspektas yra tas , kad srauto matuoklio kalibravimas kinta priklausomai nuo garso per skystį greičio (c).
Tai nesunkiai paaiškina tai, kad aukščiau pateiktoje lygtyje yra c: c didėjant, Δf turi proporcingai mažėti bet kokiam fiksuotam tūriniam srautui Q.
Kadangi srauto matuoklis yra skirtas tiesiogiai interpretuoti srauto greitį Δf, c padidėjimas, sukeliantis Δf sumažėjimą, bus laikomas Q sumažėjimu.
Tai reiškia, kad skysčio garso greitis turi būti tiksliai žinomas, kad ultragarsinis Doplerio srauto matuoklis galėtų tiksliai išmatuoti srautą.
Garso per bet kurį skystį greitis priklauso nuo šios terpės tankio ir tūrio modulio (kaip lengvai jis suspaudžiamas):
Kur,
c = medžiagos garso greitis (metrais per sekundę)
B = tūrinis modulis (paskalų arba niutonų kvadratiniam metrui)
ρ = skysčio masės tankis (kilogramai kubiniame metre)
Temperatūra turi įtakos skysčio tankiui, o sudėtis (skysčio cheminė sudedamoji dalis) turi įtakos tūrio moduliui. Taigi tiek temperatūra, tiek sudėtis yra Doplerio ultragarso srauto matuoklio kalibravimo veiksniai.
Slėgis čia nekelia rūpesčių, nes slėgis daro įtaką tik dujų tankiui, ir mes jau žinome, kad „Doplerio“ debitmačiai veikia tik su skysčiais.
Atsižvelgiant į temą, kurioje reikalaujama pakankamai dydžio burbulų ar dalelių, dar vienas Doplerio ultragarso srauto matuoklių apribojimas yra jų nesugebėjimas išmatuoti per švarių ir per daug vienalyčių skysčių srauto greičio. Tokiose programose garso bangos atspindžiai bus per silpni, kad būtų galima patikimai išmatuoti.
Taip yra ir tuo atveju, kai kietųjų dalelių garso greitis yra per artimas skysčio greičiui, nes atspindys įvyksta tik tada, kai garso banga susiduria su medžiaga, kurios garsas yra žymiai skirtingas.
Doplerio tipo ultragarsiniai srauto matuokliai nenaudingi tais atvejais, kai mes negalime gauti stiprių garso bangų atspindžių.
Tranzito laiko debitmačiai, kartais vadinami priešpriešinio sklidimo srauto matuokliais, yra alternatyva Doplerio ultragarsiniams debitmačiams.
Ultragarsinis srauto matuoklis, naudojamas tranzito metu, naudoja porą priešingų jutiklių, kad išmatuotų laiko skirtumą tarp garso impulso, sklindančio su skysčio srautu, ir garso impulso, einančio prieš skysčio srautą.
Kadangi skysčio judesys linkęs nešti garso bangą, pasroviui perduodamas garso impulsas kelionę padarys greitesnį nei prieš srovę perduodamas garso impulsas:
Tranzito laiko srauto matuokliai
Tūrinio srauto greitis, einantis per tranzito laiko srauto matuoklį, yra paprasta sklidimo laiko aukštyn ir žemyn dalis:
Kur,
Q = apskaičiuotas tūrinis srautas
k = proporcingumo konstanta
t aukštyn = laikas, per kurį garso impulsas keliauja iš pasroviui į vietą prieš srovę (prieš srovę, prieš srovę)
t žemyn = laikas, per kurį garso impulsas keliauja iš vietos prieš srovę į vietą (pasroviui, kai srautas)
Įdomi tranzito laiko greičio matavimo savybė yra tai, kad tranzito laiko skirtumo santykis su tranzito laiko produktu išlieka pastovus, keičiantis garso per skystį greičiui.
Jei norėtumėte tai įrodyti sau, tai galite padaryti srauto formulėje laiką pakeisdami kelio ilgį (L), skysčio greitį (v) ir garso greitį (c). Kaip pakeitimus naudokite tup = L / (c − v) ir tdown = L / (c + v), tada algebriškai sumažinkite srauto formulę, kol pastebėsite, kad visos c sąlygos atšaukiamos. Galutinis rezultatas turėtų būti Q = 2kv / L.
Kai ši lygtis apskaičiuojama pagal kelio ilgį (L), skysčio greitį (v) ir garso greitį (c), lygtis supaprastėja iki Q = 2kv / L, įrodydama, kad tranzito laiko srauto matuoklis yra tiesinis, kaip ir Doplerio srauto matuoklis, kurio pranašumas yra imunitetas nuo skysčio garso greičio pokyčių.
Tūrinio modulio pokyčiai, atsirandantys dėl skysčio sudėties pokyčių, arba tankio pokyčiai, atsirandantys dėl sudėties, temperatūros ar slėgio pokyčių, nedaro įtakos tranzito laiko srauto matuoklio tikslumui.
Ultragarsiniai srauto matuokliai ne tik apsaugomi nuo garso greičio pokyčių, bet ir gali išmatuoti tą garso greitį, nepriklausomai nuo srauto greičio.
Garso greičio apskaičiavimo, pagrįsto sklidimo aukštyn ir žemyn metu, lygtis yra tokia:
Kur,
c = apskaičiuotas garso greitis skystyje
L = kelio ilgis
t aukštyn = laikas, per kurį garso impulsas keliauja iš pasroviui į vietą prieš srovę (prieš srovę, prieš srovę)
t žemyn = laikas, per kurį garso impulsas keliauja iš vietos prieš srovę į vietą (pasroviui, kai srautas)
Nors tai nėra būtina ar net ypač svarbi tiesioginiam srauto matavimui, šis skysčio garso greičio nustatymas yra naudingas kaip diagnostikos priemonė. Jei tikrasis skysčio garso greitis yra žinomas atliekant tiesioginį bandinio matavimą laboratorijoje arba atliekant cheminę mėginio analizę, šį greitį galima palyginti su srauto matuoklio nurodytu garso greičiu, kad būtų galima patikrinti srauto matuoklio absoliutaus tranzito laiko matavimo tikslumą. . Tokiu būdu galima aptikti tam tikras jutiklių ar jutiklių elektronikos problemas.
Tranzito laiko ultragarso srauto matuoklio patikimo veikimo reikalavimas yra tas, kad proceso skystyje nebūtų dujų burbuliukų ar kietų dalelių, kurios galėtų išsklaidyti ar užstoti garso bangas.
Atminkite, kad tai yra visiškai priešingas Doplerio ultragarso srauto matuoklių reikalavimas, kai garso bangoms atspindėti reikalingi burbuliukai ar dalelės.
Šie priešingi reikalavimai tiksliai atskiria pritaikymą tranzito laiko srauto matuokliams nuo taikytinų Doplerio srauto matuokliams, taip pat padidina galimybę tranzito laiko ultragarso srauto matuoklius naudoti tiek dujų srautuose, tiek skysčio srautuose.
