Doppler-Durchflussmesser nutzen den Doppler-Effekt, bei dem es sich um die Frequenzverschiebung handelt, die sich aus Wellen ergibt, die von einem sich bewegenden Objekt ausgesendet oder von diesem reflektiert werden.
Eine übliche Erkenntnis des Doppler-Effekts ist die wahrgenommene Frequenzverschiebung eines Hupenberichts von einem sich bewegenden Fahrzeug: Wenn sich das Fahrzeug dem Hörer nähert, scheint die Tonhöhe der Hupe höher als normal zu sein; Wenn das Fahrzeug am Zuhörer vorbeifährt und sich zu entfernen beginnt, scheint sich die Tonhöhe der Hupe plötzlich auf eine niedrigere Frequenz zu verschieben.
In Wirklichkeit ändert sich die Frequenz der Hupe nie, aber die Geschwindigkeit des sich nähernden Fahrzeugs relativ zum stationären Zuhörer bewirkt, dass die Schallschwingungen in der Luft "komprimiert" werden. Wenn sich das Fahrzeug entfernt, werden die Schallwellen aus der Sicht des Zuhörers „gedehnt“.
Der gleiche Effekt tritt auf, wenn eine Schallwelle auf ein sich bewegendes Objekt gerichtet ist und die Frequenz des Echos mit der gesendeten (einfallenden) Frequenz verglichen wird. Wenn die reflektierte Welle von einer Blase zurückkehrt, die zum Ultraschallwandler vorrückt, ist die reflektierte Frequenz größer als die einfallende Frequenz.
Wenn der Fluss die Richtung umkehrt und die reflektierte Welle von einer Blase zurückkehrt, die sich vom Wandler wegbewegt, ist die reflektierte Frequenz geringer als die einfallende Frequenz.
Dies entspricht dem Phänomen, dass die Hupentöne eines Fahrzeugs scheinbar zunehmen, wenn sich das Fahrzeug einem Hörer nähert, und scheinbar abnehmen, wenn sich das Fahrzeug von einem Hörer entfernt.
Ein Doppler-Durchflussmesser reflektiert Schallwellen von Blasen oder Partikelmaterial im Durchflussstrom und misst die Frequenzverschiebung und leitet daraus die Flüssigkeitsgeschwindigkeit ab.
Ultraschall Durchflussmesser - Doppler Durchflussmesser
Das Erfordernis, dass sich Objekte in dem Strömungsstrom befinden, die groß genug sind, um Schallwellen zu reflektieren, beschränkt Doppler-Ultraschallströmungsmesser auf Flüssigkeitsanwendungen.
"Schmutzige" Flüssigkeiten wie Aufschlämmungen und Abwässer oder Flüssigkeiten, die eine erhebliche Anzahl von Gasblasen enthalten (z. B. kohlensäurehaltige Getränke), sind gute Kandidaten für diese Technologie.
Es ist unrealistisch zu erwarten, dass ein Gasstrom Flüssigkeitströpfchen oder Feststoffe enthält, die groß genug sind, um starke Echos zu reflektieren. Daher können Doppler-Durchflussmesser nicht zur Messung des Gasflusses verwendet werden.
Die mathematische Beziehung zwischen der Fluidgeschwindigkeit (v) und der Dopplerfrequenzverschiebung (Δf) ist wie folgt für Fluidgeschwindigkeiten, die viel geringer sind als die Schallgeschwindigkeit durch dieses Fluid (v <>
Wo,
Δf = Dopplerfrequenzverschiebung
v = Geschwindigkeit der Flüssigkeit (tatsächlich des Teilchens, das die Schallwelle reflektiert)
f = Frequenz der einfallenden Schallwelle
θ = Winkel zwischen Schallkopf und Rohrmittellinien
c = Schallgeschwindigkeit in der Prozessflüssigkeit
Siehe auch: Ultraschall-Durchflussmesser-Animation
Beachten Sie, wie der Doppler-Effekt eine direkte Messung der Flüssigkeitsgeschwindigkeit aus jedem vom Wandler empfangenen Echo ergibt.
Dies steht in deutlichem Kontrast zu Entfernungsmessungen auf der Basis von Time-Off-Licht (Zeitbereichsreflektometrie - wobei die Zeitspanne zwischen dem einfallenden Impuls und dem zurückgesendeten Echo proportional zur Entfernung zwischen dem Wandler und der reflektierenden Oberfläche ist).
wie bei der Anwendung von Ultraschall-Füllstandsmessung. Bei einem Doppler-Durchflussmesser ist die Zeitverzögerung zwischen den einfallenden und den reflektierten Impulsen unerheblich. Es kommt nur auf die Frequenzverschiebung zwischen dem einfallenden und dem reflektierten Signal an.
Diese Frequenzverschiebung ist auch direkt proportional zur Strömungsgeschwindigkeit, was den Doppler-Ultraschall-Durchflussmesser zu einem linearen Messgerät macht.
Neuanordnen der Doppler-Frequenzverschiebungsgleichung zur Lösung der Geschwindigkeit (wieder unter der Annahme von v <>
Da wir wissen, dass der Volumenstrom gleich dem Produkt aus Rohrfläche und mittlerer Geschwindigkeit des Fluids ist (Q = Av), können wir die Gleichung neu schreiben, um sie direkt für den berechneten Volumenstrom (Q) zu lösen:
Ein sehr wichtiger Gesichtspunkt für die Doppler-Ultraschall-Durchflussmessung ist, dass die Kalibrierung des Durchflussmessers mit der Schallgeschwindigkeit durch die Flüssigkeit variiert (c).
Dies ist leicht durch das Vorhandensein von c in der obigen Gleichung ersichtlich: Wenn c zunimmt, muss Δf für jeden festen Volumenstrom Q proportional abnehmen.
Da der Durchflussmesser so ausgelegt ist, dass er die Durchflussrate direkt in Bezug auf Δf interpretiert, wird eine Zunahme von c, die eine Abnahme von Δf verursacht, als eine Abnahme von Q registriert.
Dies bedeutet, dass die Schallgeschwindigkeit eines Fluids genau bekannt sein muss, damit ein Doppler-Ultraschall-Durchflussmesser den Durchfluss genau messen kann.
Die Schallgeschwindigkeit durch eine Flüssigkeit ist eine Funktion der Dichte und des Kompressionsmoduls des Mediums (wie leicht es komprimiert werden kann):
Wo,
c = Schallgeschwindigkeit in einem Material (Meter pro Sekunde)
B = Modul (Pascal oder Newton pro Quadratmeter)
ρ = Massendichte der Flüssigkeit (Kilogramm pro Kubikmeter)
Die Temperatur beeinflusst die Flüssigkeitsdichte, und die Zusammensetzung (der chemische Bestandteil der Flüssigkeit) beeinflusst den Modul. Somit beeinflussen sowohl Temperatur als auch Zusammensetzung die Kalibrierung des Doppler-Ultraschall-Durchflussmessers.
Der Druck spielt hier keine Rolle, da der Druck nur die Dichte der Gase beeinflusst, und wir wissen bereits, dass Doppler-Durchflussmesser nur mit Flüssigkeiten funktionieren.
Eine weitere Einschränkung von Doppler-Ultraschall-Durchflussmessgeräten besteht darin, dass sie nicht in der Lage sind, Durchflussraten von Flüssigkeiten zu messen, die zu sauber und zu homogen sind. In solchen Anwendungen sind die Schallwellenreflexionen zu schwach, um zuverlässig gemessen zu werden.
Dies ist auch dann der Fall, wenn die Schallgeschwindigkeit der Feststoffpartikel zu nahe an der der Flüssigkeit liegt, da eine Reflexion nur dann erfolgt, wenn eine Schallwelle auf ein Material mit deutlich unterschiedlicher Schallgeschwindigkeit trifft.
Ultraschall-Durchflussmesser vom Doppler-Typ sind in Anwendungen nutzlos, in denen wir keine starken Schallwellenreflexionen erzielen können.
Laufzeit-Durchflussmesser, manchmal auch als Gegenpropagations-Durchflussmesser bezeichnet, sind eine Alternative zu Doppler-Ultraschall-Durchflussmessern.
Ein Laufzeit-Ultraschalldurchflussmesser verwendet ein Paar gegenüberliegender Sensoren, um die Zeitdifferenz zwischen einem Schallimpuls, der sich mit der Fluidströmung bewegt, und einem Schallimpuls, der sich gegen die Fluidströmung bewegt, zu messen.
Da die Bewegung der Flüssigkeit dazu neigt, eine Schallwelle mit sich zu führen, beschleunigt der stromabwärts übertragene Schallimpuls die Fahrt gegenüber einem stromaufwärts übertragenen Schallimpuls:
Laufzeit-Durchflussmesser
Die Menge des Volumenstroms durch einen Laufzeit-Durchflussmesser ist eine einfache Funktion der Ausbreitungszeiten vor und nach dem Durchfluss:
Wo,
Q = Berechneter Volumenstrom
k = Proportionalitätskonstante
t up = Zeit, in der der Schallimpuls vom stromabwärts gelegenen Ort zum stromaufwärts gelegenen Ort wandert (stromaufwärts, gegen den Strom)
t down = Zeit, die der Schallimpuls benötigt, um vom stromaufwärts gelegenen Ort zum stromabwärts gelegenen Ort zu gelangen (stromabwärts mit dem Durchfluss)
Ein interessantes Merkmal der Laufzeitgeschwindigkeitsmessung ist, dass das Verhältnis der Laufzeitdifferenz zum Laufzeitprodukt bei Änderungen der Schallgeschwindigkeit durch die Flüssigkeit konstant bleibt.
Wenn Sie dies selbst beweisen möchten, können Sie dies tun, indem Sie die Zeiten in der Flussformel durch Pfadlänge (L), Flüssigkeitsgeschwindigkeit (v) und Schallgeschwindigkeit (c) ersetzen. Verwenden Sie tup = L / (c - v) und tdown = L / (c + v) als Ihre Substitutionen und reduzieren Sie dann die Flussformel algebraisch, bis Sie feststellen, dass alle c Terme aufheben. Ihr Endergebnis sollte Q = 2 kV / L sein.
Wenn diese Gleichung in Form von Weglänge (L), Flüssigkeitsgeschwindigkeit (v) und Schallgeschwindigkeit (c) ausgedrückt wird, vereinfacht sich die Gleichung auf Q = 2 kV / L, was beweist, dass der Laufzeit-Durchflussmesser genauso linear ist wie der Doppler-Durchflussmesser mit dem Vorteil, dass er unempfindlich gegen Änderungen der Schallgeschwindigkeit der Flüssigkeit ist.
Änderungen des Kompressionsmoduls aufgrund von Änderungen der Fluidzusammensetzung oder Änderungen der Dichte aufgrund von Änderungen der Zusammensetzung, der Temperatur oder des Drucks haben daher nur geringen Einfluss auf die Genauigkeit eines Durchflussmessers für die Laufzeit.
Ultraschall-Durchflussmesser für die Laufzeit sind nicht nur immun gegen Änderungen der Schallgeschwindigkeit, sondern können diese Schallgeschwindigkeit auch unabhängig von der Durchflussrate messen.
Die Gleichung zur Berechnung der Schallgeschwindigkeit basierend auf den Ausbreitungszeiten vor und nach dem Schall ist wie folgt:
Wo,
c = berechnete Schallgeschwindigkeit in Flüssigkeit
L = Pfadlänge
t up = Zeit, in der der Schallimpuls vom stromabwärts gelegenen Ort zum stromaufwärts gelegenen Ort wandert (stromaufwärts, gegen den Strom)
t down = Zeit, die der Schallimpuls benötigt, um vom stromaufwärts gelegenen Ort zum stromabwärts gelegenen Ort zu gelangen (stromabwärts mit dem Durchfluss)
Dieser Rückschluss auf die Schallgeschwindigkeit der Flüssigkeit ist zwar für den direkten Zweck der Durchflussmessung nicht erforderlich oder sogar besonders relevant, aber dennoch als Diagnosewerkzeug nützlich. Wenn die tatsächliche Schallgeschwindigkeit für das Fluid entweder durch direkte Labormessung einer Probe oder durch chemische Analyse einer Probe bekannt ist, kann diese Geschwindigkeit mit der vom Durchflussmesser gemeldeten Schallgeschwindigkeit verglichen werden, um die absolute Genauigkeit der Laufzeitmessung des Durchflussmessers zu überprüfen . Auf diese Weise können bestimmte Probleme innerhalb der Sensoren oder innerhalb der Sensorelektronik erkannt werden.
Voraussetzung für den zuverlässigen Betrieb eines Ultraschall-Durchflussmessers für die Laufzeit ist, dass die Prozessflüssigkeit frei von Gasblasen oder festen Partikeln ist, die die Schallwellen streuen oder behindern könnten.
Beachten Sie, dass dies genau das Gegenteil von Doppler-Ultraschall-Durchflussmessgeräten ist, bei denen Blasen oder Partikel erforderlich sind, um Schallwellen zu reflektieren.
Diese gegensätzlichen Anforderungen unterscheiden Anwendungen, die für Laufzeit-Durchflussmesser geeignet sind, klar von Anwendungen, die für Doppler-Durchflussmesser geeignet sind, und erhöhen auch die Möglichkeit, Laufzeit-Ultraschall-Durchflussmesser sowohl für Gasströmungsströme als auch für Flüssigkeitsströmungsströme zu verwenden.
