Nguyên lý hoạt động phương pháp đo lưu lượng bằng siêu âm.

Nguyên lý hoạt động của việc đo lưu lượng phương pháp siêu âm: khi tần số của siêu âm cao hơn tần số mà thính giác của con người có thể cảm nhận được.

Tần số hữu ích của siêu âm trải dài từ 20 kHz đến 10 MHz.

Tần số, độ dài sóng và vận tốc truyền sóng được liên kết 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:

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 diện 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

Nếu gọi t₁ là thời gian truyền sóng từ 1 đến 2 và t₂ từ 2 đến 1 thì ta có được vận tốc dòng chảy v được tính là:

V = L*(t2-t1)/(2cosa*t1t2)

Để đo được thời gian truyền sóng một cách chính xác thì các cảm biến siêu âm trong máy đo lưu lượng 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 17.12 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 f₂ của cảm biến 2 được đo lần lượt :

nên ta có cùng kết quả như ở phương pháp đo của máy đo lưu lượng 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 C_o = 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 f_o sao cho với vận tốc dòng chảy v = 0 thì khoảng cách giữa hai cảm biến bằng nλ_o. Khi vận tốc dòng chảy khác không ta có C₁ = C_o + vcosα và C₂ = C_o - 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 nλ_o là khoảng cách L giữa hai cảm biến. Độ dài sóng λ_o được giữ cố định do đó với hai hướng truyền sóng khác nhau ta có:

Phương pháp này cho ta kết quả chính xác nhất trong 3 phương pháp đo lưu lượng bằng siêu âm. Hình 17.13 là mặt cắt dọc theo một cảm biến đo lưu lượng

bằng siêu âm trong công nghiệp:
Hình 2. Ống đo lưu lượng với siêu âm trong công nghiệp
Ví dụ: Máy đo lưu lượng kế siêu âm SITRAN F US của hãng Siemens - Đức:

Hình 17.14. Lưu lượng kế siêu âm SITRAN F US của Siemens

Nguyên lý làm việc: như hình 17.15:

Hình 17.15. Nguyên lý làm việc của lưu lượng kế sóng siêu âm

Lắp đặt lưu lượng kế siêu âm: việc lắp đặt máy đo 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.

Lưu lượng kế Máy đo lưu lượng có thể nằm ngang hoặc dọc

Giá trị đo chỉ chính xác khi đường ống luôn đầy, do đó nên lắp đặt SITRANS F US sao cho đường ống đo luôn ở trong môi trường đầy. Nếu đường ống được đặt dốc, nên đặt thêm một ống xi phông:

Với những đường ống có đầu ra mở, không nên lắp lưu lượng kế ở ngay phía đầu ra, phải đảm bảo rằng đường ống luôn đầy:

Nên tránh lắp đặt lưu lượng kế ở những điểm cao nhất do các bọt khí có thể ảnh hưởng tới độ chính xác của thiết bị đo:

Đặc điểm kỹ thuật:
- Lưu lượng kế sóng siêu âm được dùng để đo các lưu chất là chất lỏng với

độ chính xác:

Lưu chất	Độ chính xác
Chất lỏng	± 0,5 – 2 %

Các yếu tố cần quan tâm khi sử dụng lưu lượng kế sóng siêu âm: cách lắp

đặt và nhiệt độ lưu chất.