Phương pháp đo lưu lượng bằng siêu âm

Nguyên lý hoạt động phương pháp đo lưu lượng:

Tần số của siêu âm cao hơn tần số mà thính giác của con người có thể cảm nhận được .Trong kỹ thuật , tần số hữu ích của siêu âm trải dài từ 20 kHz đến 10kHz. Tần số , độ dài sóng và vận tốc truyền sóng được liên kế với nhau theo công thức:

Cₒ= f.λ

Vận tốc truyền sóng lệ thuộc vào đặc tính của môi trường và đặc biệt vào nhiệt độ của môi trường.

-Phương pháp hiệu số thời gian truyền sóng trong đo lưu lượng :

Hình 1 trình bày một cấu trúc dùng để đo lưu lượng : các cảm biến siêu âm nằm cách nhau một khoảng L trong ống dẫn có lưu chất dịch chuyển một vận tốc v. Cảm biến 1 phát sóng và cảm biến 2 thu sóng , vận tốc truyền sóng được gia tăng thêm thành phần v.cosα.
Với phương pháp đo sóng siêu âm ta được vận tốc v của dòng chảy và sau khi nhân v với điện tích mặt cắt ngang của ống, ta thu được lưu lượng tính bằng thể tích.

Hình 1 Cấu trúc ống đo lưu lượng bằng siêu âm

Để đo được thời gian truyền sóng một cách chính xác thì các cảm biến siêu âm phải hoạt động nhanh. Các cảm biến này cần phải phát được các sóng có sườn dốc thẳng đứng. Cả 2 cảm biến đối diện nhau phát cùng lúc một sóng siêu âm . Cả 2 hoạt động đầu tiên như nguồn phát và sau đó hoạt động như hai cảm biến thu sóng siêu âm của nhau. Vận tốc dòng chảy được xác định rất nhanh chóng với phương pháp này.
-Phương pháp hiệu số tần số :
Các cảm biến vẫn được đặt như hình 1 tuy nhiên chúng được vận hành khác đi. Cảm biến 1 gửi một xung cho cảm biến 2. Cảm biến 2 trả lời bằng một xung cho cảm biến 1 và làm cho cảm biến 1 phát đi một xung. Tần số f₁ của cảm biến 1 và tần số f₂của cảm biến 2 được đo lần lượt.

f₁= 1/t₁ = Cₒ+vcosα/L; f₂= 1/t₂ = Cₒ+vcosα/L;

từ hiệu số : f₁– f₂ = 2vcosα/L
tính được vận tốc dòng chảy v độc lập với vận tốc truyền sóng Cₒ

v = L/2cosα(f₁– f₂)

và do (t₂ – t₁)/(t₁t₂) = (1/t₁) - (1/t₂) = f₁– f₂
nên ta có dùng kết quả như ở phương pháp đo trên.

Vì tần số được đo từ một chuỗi xung , do đó phép đo mất thời gian hơn. Ngoài ra do sự phản hồi sóng siêu âm từ các bọt nước, vật rắn trong chất lỏng … nên phép đo này bị nhiễu nhiều hơn so với phép đo hiệu số thời gian.

-Phương pháp hiệu chỉnh độ dài sóng (hiệu chỉnh pha) :
Với sự liên hệ Cₒ=f.λ khi vận tốc truyền sóng thay đổi và với tần số không đổi thì độ dài sóng phải thay đổi .
Chọn tần số fₒ sao cho với vận tốc dòng chảy v = 0 thì khoảng cách giữa hai cảm biến bằng n λₒ. Khi vận tốc dòng chảy khác không ta có C₁ = Cₒ + vcosα và C₂ = Cₒ + vcosα và với tần số không thay đổi ta có độ dài sóng.
Với phương pháp hiệu chỉnh pha thì tần số siêu âm được thay đổi sao cho dù với vận tốc dòng chảy nào ta luôn có n λₒ là khoảng cách L giữa hai cảm biến.
Phương pháp này cho ta kết quả chính xác trong 3 phương pháp đo lưu lượng bằng siêu âm . Hình 2 là mặt cắt dọc theo một cảm biến đo lưu lượng bằng siêu âm trong công nghiệp :

Hình ảnh ống đo lưu lượng bằng siêu âm trong công nghiệp

Hình 2 Ống đo lưu lượng với siêu âm trong công nghiệp

Ví dụ Lưu lượng kế siêu âm SITRAN F US của hãng Siemens – Đức

Hình 3 Lưu lượng kế siêu âm SITRAN F US của Siemens

-Nguyên lý làm việc như hình 4

Nguyên lý làm việc của lưu lượng kế siêu âm

Hình 4 Nguyên lý làm việc của lưu lượng kế sóng siêu âm

Với A,B : 2 bộ chuyển đổi sóng siêu âm
R : vật phản xạ
L : khoảng cách giữ hai bộ chuyển đổi.
VM vận tốc của dòng chảy
t_AB/V_AB: tỉ số giữa thời gian và vận tốc truyền sóng âm từ A đến B.
t_BA/V_BA: tỉ số giữa thời gian và vận tốc truyền sóng âm từ B đến A.

Tốc độ truyền âm thanh v của sóng siêu âm trong một môi trường phụ vào vận tốc âm thanh C_M trong môi trường đó và vận tốc dòng chảy V_M (hiệu ứng mang).
V_AB =C_M + V_M; V_BA = C_M - V_M

Hiệu ứng này được Siemens ứng dụng trong lưu lượng kế siêu âm. Hai bộ chuyển đổi sóng siêu âm sẽ lần lượt gửi cho nhau những tín hiệu sóng siêu âm và đo được 2 đại lượng thời gian thực tAB và tBA qua lại giữa các tín hiệu này.
Nếu có dòng chảy vào thì thời gian qua lại giữa các tín hiệu sẽ nhanh hơn với chiều xuôi và chậm hơn với chiều ngược dòng chảy. Sự chênh lệch về thời gian này là chính giá trị vận tốc của dòng chảy V_M.
Kết quả này không phụ thuộc vào tốc độ âm thanh trong môi trường và do đó không phụ thuộc vào môi trường đo.

-Lắp đặt lưu lượng kế siêu âm:

việc lắp đặt lưu lượng kế sóng siêu âm họ SITRANS F US phải tuân theo những quy tắc sau:
+Lưu lượng kế có thể được lắp trên những đường ống nằm ngay hay dọc.
+Đảm bảo khoảng cách hợp lý giữa lưu lượng kế với các thiết bị lắp trên cùng đường ống.

Hình 5 Lưu lượng kế có thể nằm ngang hoặc dọc

Rất mong trở thành nhà cung cấp máy đo lưu lượng và hỗ trợ công tác kiểm định cho quý khách hàng. Xin liên hệ theo địa chỉ dưới đây để nhận được tư vấn model phù hợp nhất :
CÔNG TY CỔ PHẦN THIẾT BỊ NÂNG CHUYỂN & ĐO KIỂM
Địa chỉ :   Số 12/942, đường Láng, quận Đống Đa, Hà Nội
Tel : 024.8582.2159 Fax : 024.3791.7621
Website : lavme.vn Email : sales@lavme.vn
Contact :  Kỹ sư Hứa Anh Tuấn
Cell : 0936 36 8731                                Email : huatuanmtp@gmail.com