Zeitdifferenzmethode – Funktionsprinzip des Ultraschall-Durchflussmessers
Flugzeit-Ultraschall-Gasdurchflussmesstechnologie, die ein wichtiger Bestandteil der istFunktionsprinzip des Ultraschall-Durchflussmessers, berechnet die axiale Durchschnittsgeschwindigkeit Vz entlang der Ebene, die durch den Schallkanal und die Achse gebildet wird, indem der Unterschied in der Zeit gemessen wird, die Ultraschallwellen benötigen, um sich in der stromabwärtigen und stromaufwärtigen Richtung eines Gasmediums auszubreiten.
Die Zeit, die Ultraschallwellen benötigen, um sich stromabwärts und stromaufwärts auszubreiten, ist unterschiedlich. Die Nachlaufzeit und die Umkehrzeit beträgt:
Ohne Berücksichtigung des Einflusses der Rohrinnenumgebung auf die Schallgeschwindigkeit lautet die Gleichung der flächengemittelten Strömungsgeschwindigkeit:
Vs=L / (2cosφ) · (tU - tD) / (tD · tU) (2.4)
Durch Messung der Laufzeit der Ultraschallwellen stromabwärts tD und der Laufzeit der Ultraschallwellen stromaufwärts tU kann die Zeitdifferenz zwischen den Laufzeiten der Ultraschallwellen stromaufwärts und stromabwärts berechnet werden:
Δt=tU - tD (2.5)
Mit der Laufzeitmethode kann die flächen{{1}gemittelte Strömungsgeschwindigkeit entlang eines akustischen Pfades gemessen werden. Basierend auf der Geschwindigkeitsverteilung verschiedener akustischer Pfade kann mit entsprechenden Algorithmen die mittlere Strömungsgeschwindigkeit über den gesamten Querschnitt berechnet werden. Diese Strömungsgeschwindigkeit wird auch als gemittelte Massenströmungsgeschwindigkeit V bezeichnet.
Durch die Messung der Zeitdifferenz zwischen den Laufzeiten der Ultraschallwellen vor und nach der Strömung und die Berechnung der durchschnittlichen Strömungsgeschwindigkeit (Volumengeschwindigkeit) V der Flüssigkeit im Rohr wird diese Methode zur Durchflussmessung als Laufzeit-Ultraschall-Durchflussmessungsmethode bezeichnet. Durchflussmesser, die die Laufzeit-Ultraschall-Durchflussmessmethode verwenden, um den Volumenstrom von Flüssigkeiten in Rohren zu messen, werden Laufzeit-Ultraschall-Durchflussmesser genannt.
Die Beziehung zwischen der vom Laufzeit-Ultraschalldurchflussmesser gemessenen pfad-gemittelten Strömungsgeschwindigkeit und der volumen-gemittelten Strömungsgeschwindigkeit im Rohr ist:
K=V / Vs (2.6)
Wobei K der Geschwindigkeitskorrekturfaktor genannt wird. Der Geschwindigkeitskorrekturfaktor wird aus einem mathematischen Modell des Geschwindigkeitsverteilungsprofils durch den Messabschnitt des Durchflussmessers abgeleitet.
Basierend auf den Gasströmungsbedingungen im Rohr kann der Geschwindigkeitskorrekturfaktor abgeleitet werden. Aus den Gleichungen (2.4) und (2.6) kann die gemittelte Massenströmungsgeschwindigkeit des Gases im Rohr ermittelt werden:
V=KVs (2,7)
Umrechnung in den Volumenstrom durch Gleichung (2.7):
siehe=AV (2.8)
Dabei ist A die Querschnittsfläche des Rohrs.
Nach Druck- und Temperaturkompensation des Volumenstroms kann der Massenstrom ermittelt werden:
qm=ρ0 · (P / P0) · (T0 / T) · (1 / Z) · qv (2.9)
Wobei Z der Gaskompressibilitätsfaktor ist; P0 und P sind die Druckparameter unter Standardbedingungen bzw. tatsächlichen Bedingungen; T0 und T sind die Temperaturwerte unter Standardbedingungen bzw. tatsächlichen Bedingungen; ρ0 ist die Dichte des Gasmediums unter Standardbedingungen.
Nach Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit kann die Durchflussrate durch ein Rohr mit einem bestimmten Durchmesser innerhalb eines bestimmten Zeitraums berechnet werden. Der Durchfluss F durch das Rohr innerhalb einer Stunde beträgt:
F=(3,6 × 10³ × π × V × D²) / 4=3.6 × 10³ × π × D³ × (1/tD - 1/tU) × 1/sin(2φ) (2.10)
