가스 초음파 유량계는 가스가 흐르는 파이프라인에 설치되어 초음파 원리를 통해 가스 흐름을 측정하는 유량계를 말합니다. 단일-경로 가스 초음파 유량계는 하나의 음향 경로만 갖춘 장치를 의미하고, 두 개 이상의 음향 경로가 있는 가스 초음파 유량계는 다중 경로 가스 초음파 유량계라고 합니다.
초음파 유량계는 어떻게 작동합니까? 가스 초음파 유량계로 유속을 측정하는 기본 원리는 가스 매질에서 초음파의 전파 시간을 측정하여 가스 유체의 유속, 유속, 밀도 및 기타 매개 변수를 계산하는 것입니다. 본 장에서는 주로 통과 시간 초음파 유량 측정의 작동 원리와 유량 측정에 영향을 미치는 요인을 분석하고, 유량{2}}측정 정확도를 향상시키는 방법에 대한 시뮬레이션 연구를 수행하여 다중 경로 가스 초음파 유량-측정 방법 및 메커니즘 모델링에 대한 연구를 준비합니다.
운송{0}}시간 초음파 가스 흐름 측정의 작동 원리 분석
통과 시간-초음파 가스 흐름-측정 방법은 가스의 동일한 경로 길이에 걸쳐 하류와 상류로 이동하는 두 초음파 신호 간의 전파-시간 차이를 사용하여 음향 경로를 따라 평균 가스 유속을 결정하는 가스 흐름-측정 방법입니다. 초음파가 흐르는 기체 매질에서 전파될 때 전파 속도는 가스 유속에 따라 달라집니다.
보다 구체적으로, 초음파의 전파 속도는 가스 유속과 동일한 방향으로 변합니다. 가스 유속이 증가하면 동일한 방향으로 전파되는 초음파의 속도도 그에 따라 증가합니다. 반대로, 초음파 전파 방향과 반대되는 동안 가스 흐름 속도가 증가하면 초음파 속도는 그에 따라 감소합니다.
초음파 파이프-유량 센서의 기본 구조
그림. 2.1에 표시된 것처럼 초음파 펄스를 전송하고 수신할 수 있는 두 개의 초음파 변환기(프로브 또는 변환기라고 함)가 파이프라인의 한쪽 또는 양쪽에 내장되어 있습니다. 송신 변환기와 수신 변환기 사이의 초음파 신호의 실제 경로를 음향 경로라고 합니다. 따라서 한 쌍의 변환기가 하나의 음향 경로를 형성합니다. 음향- 전달막 또는 음향 도파관 벽의 일부가 변환기와 유체 매체 사이에 배열됩니다. 단일-경로 초음파 유량계에서는 두 개의 초음파 변환기 사이의 도파관 라인이 기기 축과 교차합니다.
그림. 2.1 이동 시간 초음파 유량 측정 원리의 개략도-
그림. 2.1에 표시된 대로 파이프 직경은 D입니다. 파이프라인 양쪽에 매설된 변환기 A와 B의 단면 사이의 직선 거리는-음향{3}}경로 길이 L(음향 거리 L이라고도 함)이며 직경 D와의 관계는 다음과 같습니다.
그림. 2.1 음향-경로 길이와 파이프 직경-운송 시간 초음파 유량계 간의 기하학적 관계
여기서 Φ는 음향 경로의 경사각, 즉 음향 경로와 파이프 축 사이의 각도입니다. 음향 경로의 경사각은 초음파의 입사각이기도 합니다. 입사각 Φ는 유체 내 음속뿐만 아니라 웨지 및 파이프{4}}벽 재료의 음속에도 영향을 받습니다.
일반적으로 고체 물질의 온도에 따른 음속 변화는 기체 물질의 변화보다 작습니다. 온도 변화가 크지 않은 경우 측정 정확도에 대한 웨지 및 파이프{1}} 벽 재료의 영향을 무시할 수 있습니다. 그러나 온도 변화 범위가 클 경우 웨지 및 파이프- 벽 재료의 음속의 큰 변화를 수정해야 합니다.
입사각이 30도인 변환기의 경우 전송 계수가 상대적으로 높고 에너지 손실이 적으며 필요한 여기 전압이 낮습니다. 이러한 변환기는 AC 전원 공급 장치를 사용하기에 편리하지 않은 휴대용 초음파 유량계에 적합합니다. 입사각이 45도인 변환기는 전송 계수가 상대적으로 낮지만 더 큰 변환기 칩과 더 높은 여기 전압을 채택할 수 있으므로 고정식 초음파 유량계 또는 AC 전원 공급 장치를 사용할 수 있는 변환기에 적합합니다.
운송 원리-시간 초음파 가스 유량 측정
통과시간-초음파 가스 흐름-측정 기술은 가스 매질에서 하류와 상류로 전파되는 초음파의 시간차를 측정하여 음향 경로와 축에 의해 형성된 평면의 축 평균 유속 Vz를 결정합니다. 초음파의 전달 시간은 하류 방향과 상류 방향에 따라 다릅니다. 하류 운송 시간은 다음과 같습니다.
그림. 2.2 하류 초음파 통과-시간 방정식
상류 운송 시간은 다음과 같습니다.
그림. 2.3 상류 초음파 통과-시간 방정식
여기서 C는 고정된 측정 유체의 초음파 음속, 즉 음속입니다. Vz는 초음파 경로와 파이프 축에 의해 형성된 평면에서 축 방향으로의 유체의 평균 유속이며, 경로-평균 속도라고도 합니다.
내부 파이프 환경으로 인한 음속-변화의 영향을 고려하지 않은 경우 경로-평균 속도에 대한 표현은 다음과 같습니다.
그림. 2.4 경로-평균 축 속도 표현
초음파의 하류 전달 시간 tD와 상류 전달 시간 tU를 측정하여 상류 전파와 하류 전파 사이의 시간차를 다음과 같이 구합니다.
그림. 2.5 상류-하류 대중교통-시차의 정의
대중교통-시간 방법을 사용하면 하나의 음향 경로의 경로-평균 속도를 얻을 수 있습니다. 다양한 음향 경로의 평균 속도를 기반으로 적절한 알고리즘을 사용하여 전체 단면에 수직인 평균 속도를 계산할 수 있으며, 이를 체적-평균 속도 V라고 합니다.
상류와 하류의 초음파 전파 사이의 통과{0}}시간 차이를 측정하여 파이프라인 유체(체적) 평균 속도 V를 측정하는 방법을 통과-초음파 흐름-측정 방법이라고 합니다. 통과-시간 초음파 방법을 사용하여 파이프라인 유체 흐름을 측정하는 유량계를 통과-시간 초음파 유량계라고 합니다.
운송 시간 초음파 유량계의 음향 경로에 대한 경로{0}}평균 속도와 파이프라인의 체적 평균 속도-사이의 관계는 다음과 같습니다.
그림. 2.6 흐름-속도 보정 계수의 정의
여기서 K는 흐름-속도 보정 계수라고 합니다. 유량- 속도 보정 계수는 유량계 측정 섹션의 속도 분포 프로파일의 수학적 모델에서 파생됩니다. 파이프라인의 가스 흐름 방식에 따라 흐름- 속도 보정 계수를 얻을 수 있습니다. 따라서 방정식 (2.4)와 (2.6)에서 파이프라인의 평균 가스 속도는 다음과 같습니다.
그림. 2.7 파이프-평균 속도와 경로-평균 속도 간의 관계
체적 유량은 방정식 (2.7)에서 다음과 같이 얻을 수 있습니다.
그림. 2.8 체적 유량-속도 방정식
여기서 A는 파이프의-단면적입니다.
체적 유량의 압력 및 온도 보상 후 질량 유량은 다음과 같이 얻을 수 있습니다.
그림. 2.9 압력-온도-압축성 보정이 적용된 질량 유량-속도 방정식
여기서 Z는 가스 압축성 계수입니다. P0와 P는 각각 표준 조건과 실제 조건에서의 압력 매개변수입니다. T0와 T는 각각 표준 조건과 실제 조건에서의 온도 값입니다. ρ0는 표준 조건에서 기체 매질의 밀도입니다.
유속을 구하면 일정 기간 동안 주어진 직경의 파이프를 통과하는 유체의 부피를 계산할 수 있습니다. 1시간 동안 파이프를 통과하는 유량 F는 79입니다.
그림. 2.10 운송 시간 측정-운송 시간 초음파 유량계 작동 원리에 따른 파이프를 통과하는 시간별 유체량
다중-경로 초음파 가스 유량 측정의 기본 작동 원리
가스 초음파 유량계는 단일{0}}경로 유형과 다중{1}}경로 유형으로 나눌 수 있으며, 둘 다 초음파 유량 측정의 통과 시간 원리를 기반으로 합니다. 현재 해외 유사 제품 중 음향 경로의 수는 최대 6개까지 가능합니다. 다중-경로 초음파 유량계에서 ViV_iVi는 iii-번째 음향 경로의 경로-평균 속도를 나타냅니다. 이는 하류 및 상류 초음파 전달 시간을 측정하고 이들 사이의 시간 차이를 계산한 다음 경로{10}}평균 속도를 계산하여 얻습니다.
각 음향 경로의 경로-평균 속도와 흐름-속도 보정 계수 간의 관계에 따라 파이프라인의 볼륨-평균 가스 속도는 다음과 같이 추정할 수 있습니다.
그림. 2.11 다중-경로 가중 평균 속도 방정식-초음파 유량계 작동 방식
여기서 WiW_iWi는 각 음향 경로의 가중치 계수이며 그 값은 채택된 통합 알고리즘에 따라 달라집니다.
그림. 2.12 다중-경로 체적 유량-속도 방정식-초음파 유량계 작동 방식
이론적으로 음향 경로가 많을수록 측정 정확도가 높아집니다. 그러나 실제 경험에 따르면 단면 전체에 걸쳐 음향 경로의 수가-4개에 도달하면 경로 수를 더 늘려도 정확성 향상에 거의 기여하지 않고 제조 비용이 크게 증가하는 것으로 나타났습니다.
초음파 가스 유량 측정에 영향을 미치는 요인 분석
가스 초음파 유량계의 유속- 및 유속- 계산 공식에 따르면 유속 또는 유속은 측정 파이프의 기하학적 매개변수, 유속{2}}보정 계수(또는 가중 계수) 및 초음파 전파 시간의 측정값과 같은 여러 측면과 관련됩니다. 이러한 측면에서 다음과 같은 분석을 수행한다.
흐름{0}}속도 계수 수정 및 측정 정확도 향상
앞서 언급한 통과 시간- 가스 초음파 유량계에서 연구는 경로-평균 속도가 파이프 단면에 균일하게 분포되는 이상적인 상태를 기반으로 합니다.- 실제 상황에서 파이프 단면-에 걸쳐 유체의 비-속도 분포로 인해 계산을 통해 얻은 속도는 실제로 측정된 초음파 전달-시간 차이에서 얻은 초음파 전파 방향과 축 방향을 따른 경로-평균 속도입니다. 최종 계산된 체적 유량은 필연적으로 오류를 생성합니다. 측정 정확도를 보장하려면 둘 사이의 관계를 결정하고 유체역학 원리를 사용하여 실제 측정된 속도를 수정해야 합니다.{10}} 즉, 용적 유량계로 측정할 때 유량 보정 계수 K가 도입됩니다.
파이프라인의 유체 흐름 상태가 복잡하기 때문에{0}}결과적인 속도 분포도 복잡합니다. 현재 연구는 주로 이상적인 조건에서의 속도 분포, 즉 층류 하의 속도 분포와 매끄러운 파이프의 완전 발달된 난류 유동으로 제한됩니다. 층류와 난류는 파이프 내 유체의 두 가지 기본 흐름 상태입니다. 층류란 유체입자가 횡방향 운동을 하지 않고 축방향 운동만 고려하는 상태를 말한다. 난류란 유체 입자가 축 방향 운동과 횡 방향 운동을 모두 갖는 상태를 말합니다. 유동 특성은 파이프라인 유동 상태에 따라 다르기 때문에 다양한 속도 분포가 얻어집니다.
유체의 유동특성은 관내의 평균유속, 동점도, 관경 등의 영향을 받으며, 레이놀즈수 ReReRe는 유동상태를 평가하는 중요한 지표이다. 다시 언제<2300Re < 2300Re<2300, the flow is laminar; when Re>4000Re > 4000Re>4000, the flow is turbulent. Re=2300Re = 2300Re=2300 is usually taken as the critical value for the transition from laminar to turbulent flow. When Re>2300Re > 2300Re>2300에서 유체는 난류 상태로 전이하기 시작하며, 이 전이 영역은 일반적으로 난류로 처리됩니다.
FAQ
이동 시간-시간 초음파 가스 유량계란 무엇입니까?
이동 시간-초음파 가스 유량계는 초음파 펄스를 다운스트림과 업스트림 모두에 전송하고 이동 시간의 차이로부터 유속을 계산하여 가스 유량을 측정합니다.
단일-경로와 다중-경로 초음파 유량계의 차이점은 무엇인가요?
단일{0}} 경로 유량계는 한 쌍의 변환기와 하나의 음향 경로를 사용하는 반면, 다중- 경로 유량계는 속도 프로필을 더 잘 포착하고 정확도를 높이기 위해 다양한 높이나 각도에서 여러 음향 경로를 사용합니다.
흐름-속도 보정 계수가 필요한 이유는 무엇입니까?
파이프의 속도 분포는 완벽하게 균일하지 않기 때문에 단일 음향 경로를 따라 측정된 속도는 단면 평균 속도와-같지 않습니다. 보정 계수는 두 가지를 연결합니다.
초음파 가스 유량 측정 정확도에 영향을 미치는 요소는 무엇입니까?
주요 요인으로는 속도 프로파일 왜곡, 설치 조건, 레이놀즈 수, 가스 구성 및 음속, 온도 및 압력 변화, 신호 처리 오류 등이 있습니다.
