Bộ đo lưu lượng siêu âm- Nguyên tắc hoạt động
Tìm hiểu cách sử dụng sóng âm để đo tốc độ dòng chảy.
Có nhiều loại đồng hồ đo lưu lượng quá trình. Đồng hồ đo lưu lượng khối lượng Coriolis; đồng hồ đo lưu lượng dịch chuyển dương, chẳng hạn như đồng hồ tuabin; và máy đo lưu lượng thể tích, như máy đo lưu lượng siêu âm, chỉ là một vài cái tên.
Trên thực tế, có ít nhất mười tám loại đồng hồ đo lưu lượng khác nhau. Tại sao có rất nhiều loại khác nhau, bạn có thể hỏi? Mỗi loại đồng hồ đo lưu lượng hoạt động dựa trên các nguyên lý vật lý, cơ học và điện học khác nhau.
Trong bài này, chúng ta cùng tìm hiểu nguyên lý hoạt động của Máy đo lưu lượng bằng sóng siêu âm. Chúng tôi sẽ minh họa cách một tính chất vật lý đơn giản, âm thanh, có thể được sử dụng để đo tốc độ dòng chảy của chất lỏng di chuyển trong đường ống.
Máy đo lưu lượng siêu âm là gì?
Máy đo lưu lượng siêu âm đo lưu lượng thể tích của chất lỏng, tức là số gallon hoặc lít trên một đơn vị thời gian, chẳng hạn như phút.
Nguyên tắc cơ bản của đo lưu lượng siêu âm
Chúng tôi sẽ chỉ ra rằng máy đo lưu lượng siêu âm yêu cầu sử dụng và hiểu một số nguyên tắc vật lý, cơ học và điện cơ bản cho phép máy đo lưu lượng siêu âm đo chính xác tốc độ dòng chảy trong một loạt các điều kiện dòng chảy.
1) Nguyên tắc vật lý
Khi chất lỏng chảy qua một đường ống, nó sẽ chảy theo một hướng với vận tốc chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố, chẳng hạn như nhiệt độ, áp suất, độ nhớt của chất lỏng và kích thước ống.
Chênh lệch áp suất đầu nguồn của một điểm trong đường ống và cuối nguồn từ điểm đó càng cao thì vận tốc dòng chảy càng cao.
Tăng nhiệt độ thường dẫn đến tăng dòng chảy, tất cả các yếu tố khác vẫn giữ nguyên.
Một số chất lỏng trong suốt, một số có chứa các hạt hoặc bong bóng. Một số chất lỏng rất nhớt, giống như dầu nặng, và không chảy dễ dàng như chất lỏng ít nhớt hơn, như nước.
2) Nguyên lý cơ học
Sóng âm thanh di chuyển trong chất lỏng dựa trên sự truyền dao động qua chất lỏng.
Các dao động cơ học này giữa các phân tử của chất lỏng đang chảy được truyền cho các phân tử lân cận, do đó truyền sóng cho các phân tử lân cận đó.
Trong trường hợp này có thể nghe thấy tiếng còi xe do màng ngăn rung động nhanh chóng truyền sóng tần số cao trong không khí, chất lỏng truyền dẫn.
Chúng ta có thể nghe thấy âm thanh vì tần số rung động nằm trong phạm vi có thể nghe được, khoảng 20 hertz đến 20.000 hertz.
Máy đo lưu lượng siêu âm hoạt động ở tần số rung nằm ngoài phạm vi có thể nghe được, ở mức 25 kilohertz trở lên. Các tần số cao hơn này cho phép đo chính xác hơn cũng như không tạo ra âm thanh trong phạm vi có thể nghe được.
3) Nguyên lý điện
Làm thế nào để một máy đo lưu lượng siêu âm tạo ra những sóng âm thanh này? Câu trả lời là một tinh thể áp điện( piezoelectric) dao động nhanh. Các tinh thể gốm đặc biệt này biến dạng khi có dòng điện tác động.
Máy đo lưu lượng siêu âm động lực học
Vì vậy, chúng ta sẽ đặt ba nguyên tắc này lại với nhau. Một máy đo lưu lượng siêu âm bao gồm ít nhất một cặp cảm biến và bộ chuyển đổi( transducer). Mỗi thành viên của cặp có thể hoạt động như một máy phát và một máy thu.
Chế độ truyền
Khi ở chế độ truyền, dòng điện dao động tạo ra rung động trong tinh thể áp điện( piezoelectric) và sóng siêu âm được gửi qua chất lỏng đang chảy.
Chế độ nhận
Khi ở chế độ nhận, một sóng siêu âm truyền qua chất lỏng tạo ra rung động trong tinh thể áp điện và một xung điện được tạo ra.
Thời gian để sóng siêu âm truyền từ phần tử truyền đến phần tử nhận phụ thuộc vào một số yếu tố.
Nếu hai phần tử được đặt ở các vị trí hơi khác nhau dọc theo đường ống, thì vận tốc chất lỏng sẽ ảnh hưởng đến thời gian để tín hiệu đến phần tử nhận.
Trong chất lỏng ứ đọng, dao động được truyền từ máy phát đến máy thu trong một khoảng thời gian có thể đo được. Xung siêu âm được tạo ra theo hướng ngược lại nên mất cùng một khoảng thời gian. Môi trường đo là không đổi.
Tuy nhiên, vì sóng siêu âm có đặc tính cơ học nên thời gian cần thiết để di chuyển từ máy phát đến máy thu bị ảnh hưởng bởi vận tốc chất lỏng.
Một xung đi từ phần tử đầu nguồn(upstream) đến phần tử cuối nguồn( downstream), hoặc theo dòng chảy, mất ít thời gian hơn để thực hiện chuyến đi so với xung quay trở lại theo hướng ngược lại hoặc ngược dòng.
Hãy coi đây là khoảng thời gian cần thiết để bơi giữa hai điểm đi cùng dòng và ngược dòng.
Sự khác biệt về thời gian bay giữa hai xung tỷ lệ thuận với vận tốc dòng chảy.
Vì tốc độ dòng chảy thể tích bằng vận tốc nhân với diện tích mặt cắt ngang của đường ống, được cố định tại đồng hồ đo lưu lượng, phép đo này mang lại tốc độ dòng chảy. Loại đồng hồ đo lưu lượng sóng siêu âm này được đặt tên thích hợp là đồng hồ đo lưu lượng thời gian bay.
Lưu ý thiết kế đồng hồ đo lưu lượng siêu âm
Để loại bỏ sự khác biệt trong cấu hình ( profile) dòng chảy trên đường ống, các cặp cảm biến bổ sung được thêm vào để đảm bảo phép đo chính xác.
Mỗi cặp máy phát và máy thu hình thành cái gọi là hợp âm. Mỗi hợp âm được đặt để cung cấp phép đo tại một vị trí khác nhau dọc theo chu vi đường ống.
Có nhiều cách khác nhau để các cảm biến được gắn trong một đồng hồ đo lưu lượng siêu âm thời gian bay. Các xung sóng âm có thể truyền trực tiếp từ máy phát đến máy thu hoặc có thể sử dụng thành ống để phản xạ sóng âm thanh.
Các cảm biến có thể được nhúng hoặc được gắn vào thành của đồng hồ đo lưu lượng để các cảm biến tiếp xúc với chất lỏng. Hoặc các cảm biến có thể được gắn vào bên ngoài của đường ống, nơi các cảm biến không tiếp xúc với chất lỏng.
Các cảm biến không tiếp xúc không hoàn toàn chính xác, vì sóng âm thanh phải truyền qua thành ống và chất lỏng, nơi thành ống có thể hấp thụ một số tín hiệu xung.
Một loại máy đo lưu lượng siêu âm khác sử dụng Hiệu ứng Doppler để đo tốc độ dòng chảy. Trong phương pháp này, bọt khí hoặc các hạt bị cuốn vào được sử dụng để phản xạ sóng âm từ máy phát đến máy thu.
Đối với cao độ( pitch) giảm hoặc tần số của tiếng còi tàu khi tàu di chuyển khỏi người quan sát, sự thay đổi tần số quan sát được ở máy thu có thể được sử dụng để xác định tốc độ dòng chảy.
Máy đo lưu lượng siêu âm được sử dụng ở đâu?
Bây giờ chúng tôi đã minh họa cách hoạt động của đồng hồ đo lưu lượng siêu âm, bạn có thể hỏi, những đồng hồ đo lưu lượng này được sử dụng ở đâu?
Máy đo lưu lượng siêu âm là sự lựa chọn tuyệt vời cho các ứng dụng có áp suất cao, lưu lượng lớn như đường ống dẫn khí đốt tự nhiên.
