도플러 유량계는 움직이는 물체에 의해 방출되거나 반사되는 파동으로 인해 발생하는 주파수의 이동 인 도플러 효과를 이용합니다.
도플러 효과 의 일반적인 실현은 움직이는 차량으로부터의 경적보고 주파수의 인식 된 이동이다 : 차량이 청취자에게 접근함에 따라 경적의 피치는 정상보다 높다. 차량이 청취자를 통과하고 멀리 움직이기 시작하면 혼의 피치가 갑자기 더 낮은 주파수로 "아래로 이동"하는 것처럼 보입니다.
실제로, 혼의 주파수는 변하지 않지만, 고정 청취자에 대한 접근하는 차량의 속도는 공기의 음파 진동을 "압축"시키는 작용을한다. 차량이 멀어지면 음파가 청취자의 관점에서 "늘어납니다".
음파가 움직이는 물체를 향하고 에코의 주파수가 전송 된 (사고) 주파수와 비교되는 경우에도 동일한 효과가 발생합니다. 반사파가 기포에서 초음파 변환기쪽으로 진행하면 반사 주파수가 입사 주파수보다 커집니다.
흐름의 방향이 역전되고 반사파가 트랜스 듀서에서 멀어지는 기포에서 되돌아 오면 반사 주파수는 입사 주파수보다 낮아집니다.
이는 차량이 청취자에게 접근함에 따라 차량의 혼 피치가 증가하고 차량이 청취자로부터 멀어짐에 따라 감소하는 것처럼 보이는 현상과 일치합니다.
도플러 유량계는 흐름 흐름에서 기포 또는 미립자 물질에서 음파를 반사하여 주파수 이동을 측정하고 해당 이동의 크기로부터 유체 속도를 유추합니다.
초음파 유량계 – 도플러 유량계
음파를 반사하기에 충분히 큰 흐름 스트림에 물체가 있어야하기 때문에 액체 응용 분야에 대한 도플러 초음파 유량계가 제한됩니다.
슬러리 및 폐수와 같은 "더러운"액체 또는 상당수의 기포를 운반하는 액체 (예 : 탄산 음료)가이 기술에 적합한 후보 유체입니다.
가스 흐름이 강한 반향을 반사하기에 충분히 큰 액체 방울이나 고체 물질을 운반 할 것으로 예상하는 것은 비현실적이므로 도플러 유량계를 사용하여 가스 유량을 측정 할 수는 없습니다.
유체 속도 (v)와 도플러 주파수 편이 (Δf) 사이의 수학적 관계는 다음과 같습니다. 유체 속도는 해당 유체를 통한 음속보다 훨씬 낮은 속도입니다 (v <>
어디,
Δf = 도플러 주파수 편이
v = 유체의 속도 (실제로는 음파를 반사하는 입자의 속도)
f = 입사 음파의 주파수
θ = 트랜스 듀서와 파이프 중심선 사이의 각도
c = 프로세스 유체의 음속
참조 : 초음파 유량계 애니메이션
도플러 효과가 트랜스 듀서에 의해 수신 된 각 에코로부터 유체 속도를 직접 측정하는 방법에 유의하십시오.
이는 타임-오프 라이트 (시간 영역 반사 계 – 입사 펄스와 리턴 에코 사이의 시간이 트랜스 듀서와 반사 표면 사이의 거리에 비례하는 시간)를 기준으로 거리를 측정하는 것과 뚜렷한 대조를 이룹니다.
초음파 액체 레벨 측정의 적용에서와 같이. 도플러 유량계에서, 입사 펄스와 반사 펄스 사이의 시간 지연은 관련이 없습니다. 입사 신호와 반사 신호 사이의 주파수 이동 만 중요합니다.
이 주파수 편이는 또한 유속에 정비례하므로 도플러 초음파 유량계를 선형 측정 장치로 만듭니다.
속도를 풀기 위해 도플러 주파수 편이 방정식을 재정렬합니다 (다시 말해 v < c라고="">
체적 유량이 파이프 면적과 유체의 평균 속도 (Q = Av)의 곱과 같다는 것을 알면 계산 된 유량 (Q)을 직접 풀기 위해 방정식을 다시 작성할 수 있습니다.
도플러 초음파 유량 측정에있어 매우 중요한 고려 사항은 유량계 의 보정이 유체를 통한 음속에 따라 달라진다는 것입니다 (c).
이것은 상기 식에서 c의 존재에 의해 쉽게 명백하다 : c가 증가함에 따라, Δf는 임의의 고정 된 부피 유량 Q에 대해 비례 적으로 감소해야한다.
유량계는 유량을 Δf로 직접 해석하도록 설계 되었기 때문에 Δf를 감소시키는 c의 증가는 Q의 감소로 기록 될 것이다.
이것은 도플러 초음파 유량계가 유량을 정확하게 측정하기 위해서는 유체의 음속을 정확하게 알아야한다는 것을 의미합니다.
유체를 통한 소리의 속도는 해당 매체의 밀도와 부피 계수 (함께 압축하는 방법)의 함수입니다.
어디,
c = 재료의 음속 (초당 미터)
B = 벌크 모듈러스 (파스칼 또는 평방 미터당 뉴턴)
ρ = 유체의 질량 밀도 (입방 미터당 킬로그램)
온도는 액체 밀도에 영향을 미치고 구성 (액체의 화학적 구성 성분)은 벌크 모듈러스에 영향을 미칩니다. 따라서 온도와 조성 모두 도플러 초음파 유량계 교정에 영향을 미치는 요소입니다.
압력은 가스의 밀도에만 영향을 미치기 때문에 압력은 문제가되지 않으며 이미 도플러 유량계가 액체에서만 작동한다는 것을 알고 있습니다.
충분한 크기의 기포 또는 입자가 필요하다는 주제에 따라, 도플러 초음파 유량계의 또 다른 한계는 너무 깨끗하고 균질 한 액체의 유량을 측정 할 수 없다는 점이다. 그러한 응용에서, 음파 반사는 너무 약해서 신뢰성있게 측정 할 수 없습니다.
또한, 고체 입자가 액체의 속도와 너무 가까운 음속을 갖는 경우에도 마찬가지인데, 그 이유는 음파가 현저하게 다른 음속의 재료를 만나는 경우에만 반사가 발생하기 때문이다.
도플러 형 초음파 유량계는 강력한 음파 반사를 얻을 수없는 응용 분야에서는 쓸모가 없습니다.
역 전파 유량계라고도하는 통과 시간 유량계는 도플러 초음파 유량계의 대안입니다.
통과 시간 초음파 유량계는 한 쌍의 대향 센서를 사용하여 유체 흐름으로 이동하는 사운드 펄스와 유체 흐름으로 이동하는 사운드 펄스 사이의 시간차를 측정합니다.
유체의 움직임은 음파를 따라가는 경향이 있기 때문에, 하류로 전달되는 사운드 펄스는 상류로 전달되는 사운드 펄스보다 더 빠르게 이동합니다.
운송 시간 유량계
통과 시간 유량계를 통한 체적 유량은 상류 및 하류 전파 시간의 간단한 기능입니다.
어디,
Q = 계산 된 체적 유량
k = 비례 상수
t up = 사운드 펄스가 다운 스트림 위치에서 업스트림 위치로 이동하는 시간 (업스트림, 흐름 반대)
t down = 사운드 펄스가 업스트림 위치에서 다운 스트림 위치로 이동하는 시간 (다운 스트림, 흐름)
통과 시간 속도 측정의 흥미로운 특징은 통과 시간 곱에 대한 통과 시간 차이의 비율이 유체를 통한 사운드 속도의 변화에 따라 일정하게 유지된다는 것입니다.
이를 직접 증명하려면 흐름 길이의 시간을 경로 길이 (L), 유체 속도 (v) 및 음속 (c)으로 대체하면됩니다. tup = L / (c−v) 및 tdown = L / (c + v)를 대체 값으로 사용한 다음 모든 c 항이 취소 될 때까지 대수적으로 흐름 공식을 줄입니다. 최종 결과는 Q = 2kv / L이어야합니다.
이 방정식을 경로 길이 (L), 유체 속도 (v) 및 음속 (c)으로 변환하면 방정식은 Q = 2kv / L로 단순화되어 통과 시간 유량계가 유체의 음속 변화에 영향을받지 않는 장점이있는 도플러 유량계.
유체 조성의 변화로 인한 벌크 모듈러스의 변화 또는 조성, 온도 또는 압력 변화로 인한 밀도의 변화는 통과 시간 유량계의 정확도에 거의 영향을 미치지 않습니다.
통과 시간 초음파 유량계는 음속의 변화에 영향을받지 않을뿐만 아니라 유량과 무관하게 음속을 측정 할 수 있습니다.
업스트림 및 다운 스트림 전파 시간을 기준으로 사운드 속도를 계산하는 방정식은 다음과 같습니다.
어디,
c = 유체의 계산 된 음속
L = 경로 길이
t up = 사운드 펄스가 다운 스트림 위치에서 업스트림 위치로 이동하는 시간 (업스트림, 흐름 반대)
t down = 사운드 펄스가 업스트림 위치에서 다운 스트림 위치로 이동하는 시간 (다운 스트림, 흐름)
유량 측정의 직접적인 목적에 필요하지 않거나 특히 관련이 없지만 유체의 음속 추론은 진단 도구로 유용합니다. 유체의 실제 음속이 시료의 직접 실험실 측정 또는 시료의 화학적 분석으로 알려진 경우이 속도를 유량계의보고 된 음속과 비교하여 유량계의 절대 이동 시간 측정 정확도를 확인할 수 있습니다 . 센서 또는 센서 전자 장치 내의 특정 문제가 이런 방식으로 감지 될 수 있습니다.
통과 시간 초음파 유량계의 신뢰성있는 작동을 위해서는 공정 유체에 기포 나 고체 입자가 없어 음파가 산란되거나 방해 될 수 있어야합니다.
이것은 음파를 반사하기 위해 기포 또는 입자가 필요한 도플러 초음파 유량계의 반대 요구 사항입니다.
이러한 반대 요구 사항은 운송 시간 유량계에 적합한 애플리케이션과 도플러 유량계에 적합한 애플리케이션을 깔끔하게 구분하며, 액체 유량 스트림뿐만 아니라 가스 유량 스트림에도 운송 시간 초음파 유량계를 사용할 가능성을 높입니다.
