Mjerenje protoka

PRIMJENA ULTRAZVUKA PRIMJENA ULTRAZVUKA NA MJERENJE PROTOKANA MJERENJE PROTOKA

UNIVERZITET UNIVERZITET DDEMAL BIJEDIEMAL BIJEDIMAMAINSKI FAKULTETINSKI FAKULTETMOSTARMOSTAR

Diplomski rad

KANDIDAT:Nermana Isi

MENTOR:Prof.dr.sc. Sead Pai

Mostar, decembar 2012. godine

Mjeriteljstvo

N. IsiN. Isi: Primjena ultrazvuka na mjerenje protoka: Primjena ultrazvuka na mjerenje protoka

Mjerenje protoka

Ultrazvuk

Mjeriteljstvo ili metrologija je nauka o mjerenju, koja obuhvata sve teoretske ipraktike aspekte mjerenja, bavi se metodama mjerenja fizikalnih veliina, ostvarivanjem i odravanjem etalona fizikalnih veliina, razvojem i izradommjerila (mjernih instrumenata, ureaja i mjernog pribora), te analizom mjernihrezultata.

Mjerenje brzine i protoka fluida ima veliku i znaajnu primjenu u industriji, nauci, medicini i mnogim vanim aspektima svakodnevnog ivota. Odreuje se brzina i protok plinova, istih tekuina i tekuine pomijeanim sa esticama.

Ultrazvuk je mehaniki fenomen koji je naao iroku primjenu u razliitim oblastima nauke i tehnologije. U mainstvu je uglavnom naao primjenu u ispitivanjima materijala bez razaranja.Princip koritenja je jednostavan. Emituje se ultrazvuni talas i mjeri se vrijeme potrebno za vraanje talasa odbijenog od prepreku, na osnovu ega se odreuju potrebne informacije o objektu ispitivanja.Ovaj princip se moe koristiti u za mjerenje protoka u sluajevima da nije mogua ugradnja mjeraa u postojeu instalaciju.

Osobine i primjena ultrazvukaOsobine i primjena ultrazvuka

- Zvuk je mehaniki talas koji se prostire kroz vrsta tijela, tenosti i gasove.


Tabela 1. Podjela zvuka u kategorije prema frekventnom podruju.

Iznad 1010 HzHiperzvuk

Iznad 20 kHzUltrazvuk

Od 16 Hz do 20 kHzujni zvuk

Do 16 HzInfra zvuk

Podruje frekvencijeNaziv

- Ultrazvuk je zvuni talas sa frekvencijom veom od gornje granice ujnosti ljudskog sluha.

Slika 1. Podjela i primjena zvuka prema frekvenciji.

Fizikalne osobine ultrazvuka


- Longitudinalni talas- etiri oblika prostiranja ultrazvuka

Slika 2. Longitudinalni zvuni talas.


- Transverzalni talas

Slika 3. Transverzalni zvuni talas.

- Povrinski talasi


- Lamb-ovi talasiSlika 4. Povrinski talas.

Slika 5. Lamb-ov talas.

Jednaina prostiranja zvunih talasa


Opta matematika formulacija irenja talasa

, sin 2 t xy x t AT

- y(x, t) - pomjeranje take koja je za x udaljena od izvora;- A - najvee pomjeranje take ili amplituda;- t - vrijeme;- - talasna duina ili udaljenost izmeu dvije najblie take

s istim pomjeranjem koje osciluju u fazi.

v fT

Brzina prostiranja ultrazvunih talasa

Brzina prostiranja za svaku sredinu je konstantna


F = - kxF = ma

Brzina prostiranja zavisi samo od osobina sredine

ijCv

- v - brzina zvuka (m/s), - Cij - elastina konstanta odreenom smjeru (N/m2),- - gustoa (kg/m3).


Brzina longitudinalnih talasa u vrstim materijalima

vL - brzina zvuka za longitudinalne talase (m/s), E - Jang-ov modul (N/m2), - Poisson-ov broj.

TGv

Brzina transverzalnih talasa

vT - brzina zvuka za transverzalne talase (m/s),G modul smicanja (N/m2);..

(1 )(1 )(1 2 )L

Ev


Tabela 2. Brzina zvuka u metalima.

33106070Titan23304660Bakar24004800elini liv32405890elik (1020) 31306320Aluminijum

Brzina transverzalnih talasa [m/s]

Brzina longitudinalnih talasa [m/s]Materijal

Priguenje zvunih talasa

Opadanje amplitude talasa

0zA A e

A0 - poetna amplituda - koeficijent priguenja (Np/m) z - rastojanje (m)

Akustina impedanca


Akustika impedanca je definisana kao proizvod njegove gustoe i brzine zvuka

Z v

Z - akustika impedanca (kg/m2s) ili (N s/m3), - gustoa (kg/m3),v - brzina zvuka (m/s).

413Zrak (20C)1.48 106Voda (20C)28 106Titan

46.1 106elik41.6 106Bakar17.1 106Aluminij

Akustika impedanca(kg/m2s)Materijal

Tabela 3. Akustina impedanca.

- Koeficijent refleksije


1T R

Refleksija i prenos talasa

2

2 1

2 1

Z ZRZ Z

- Koeficijent prenosa

Prelamanje talasa

1 2

1 2

sin sin

L Lv v

vL1 i vL2: brzine talasa u prvom i drugom materijalu

1 i 2: uglovi ulaznih i prelomljenih talasa

Zakon prelamanja:

Promjena oblika oscilovanja


Interferencija i difrakcija

Ultrazvuni senzori


- Bazirani na principu piezoelektrinog efekta

Principijelna ema ultrazvunih senzora.

Popreni presjek ultrazvunog senzora. Dijelovi ultrazvunog senzora.

Tipovi ultrazvunih senzora


Kontaktni senzori

Imerzioni senzori

Dualni senzori

Senzori sa linijom kanjenja

Ugaoni senzori

Prenos ultrazvunog talasa sa senzora


Ultrazvuk u tenostima

-Kavitacija-Disperzija-Emulzifikacija-Koagulacija

Protok fluida


- Karakteristine veliine

VVt

- Zapreminski protok

- Maseni protok

mmt

m V

Srednji maseni i zapreminski protok u intervalu [t1,t2]2 2

1 12 1 2 1

1 1( ) ( ) ( )t t

t t

m m t dt t V t dt Vt t t t


- Jednaina kontinuiteta

AIIvII = AI vIZa odreivanje protoka interesantna je srednja brzina strujanja.Kod krung poprenog presjeka data je sa

2 20

1 ( )2RVv v r r dr

R R

2

2( ) (1 )orv r vR

2ov v Veza maksimalnu i srednje brzine fluida naziva se koeficijent profila .

Pregled klasinih metoda za mjerenje protoka


Postupci mjerenja protoka bazirani na razlici pritiska

Sapnice

Blende


Volumetriki mjerni ureaji

Mjerni ureaji sa nepokretnom mjernom komorom

Mjerni ureaji sa pokretnim mjernim volumenom

Mjerni ureaj sa zakretnim mjernim prostorom


Brojilo sa klipom

Brojilo sa prstenastim klipom

Brojilo sa ovalnim zupanicima


Brojila za plin

Vlano brojilo

Suho brojilo

Woltmanov mjera protoka

Turbinski mjerai protoka


Induktivni mjera protoka

Laser Dopplerov anemometar za mjerenje brzina fluida


Vrtlozi iza krunocilindrinog stubaprenika d.

Termiki mjera masenog protoka.

iroskopski mjera masenog protoka


ULTRAZVUNIO MJERENJE PROTOKAMetode ultrazvunog mjerenja protoka

- Metoda vremena prolaza talasa kroz fluid,- Metoda promjene faze talasa i - Metoda promjene frekvencije talasa.

Karakteristike senzora koji se koriste za implementaciju ultrazvune metode mjerenja protoka su:

- tanost do 0.5 mjerenog protoka;- mjerni opseg od 0 45000 m3/h;- temeperaturni opseg mjerenog medija je od 40 oC do +200 oC.


Metoda mjerenja vremena prolaza talasa kroz fluid

1sin

cos

D

tc v

2sin

cos

D

tc v

2

2tgvDt

c


Modovi postavljanja senzora

Refleksni mod.

Dvostrukirefleksni mod.

Trostrukirefleksni mod.


Metoda promjene frekvencije talasa (Doplerov efekat)

2 cosr t

t

f fv cf

Metoda promjene faze talasa

2 12 t t f


Ultrazvuni mjerai protoka

Fiksni mjera protoka Ureaj na bazi mjerenje vremena prolaska

Ureaj na bazi Dopplerovog efekta Ureaj na bazi mjerenje fazne razlike


Detekcija reflektovanog signala

Potpuno nepodudaranje pristiglog i referentnog talasa

Potpuno podudaranje pristiglog i referentnog talasa

Djelimino podudaranje pristiglog i referentnog talasa


Pozicioniranje ultrazvunih senzora


Primjena ultrazvunih protokomjera


MHE Treanica, 14.11.2012.

0

500

1000

1500

2000

2500

15:17

:5715

:18:07

15:18

:1715

:18:27

15:18

:3715

:18:47

15:18

:5715

:19:07

15:19

:1715

:19:27

15:19

:3715

:19:47

15:19

:5715

:20:07

15:20

:1715

:20:27

15:20

:3715

:20:47

15:20

:57

Vrijeme

Pro

tok

[l/m

in]

Promjena protoka u toku mjerenja.

Pritisak u cjevovodu u stacionarnom reimu rada MHE


Mjerenje protoka je vaan faktor u uspjenoj realizaciji irokog spektra djelatnosti. Zbog toga je mogunost tanog i preciznog mjerenja protoka od velike vanosti u svakodnevnoj praksi. Metoda ultrazvunog mjerenja protoka je metoda mjerenja koja je najpogodnija za sluajeve kada ne postoje odgovarajui prikljuci na cjevovodima kao i za povremena kontrolna mjerenja. Ultrazvunom metodom mjerenja protoka mogue je postizanje tanosti rezultata sa odstupanjem od 0.5%. Tanost mjerenja zavisi od poznavanja geometrije cjevovoda, akustikih osobina materijala cjevovoda, osobina fluida u cjevovodu i njegove temperature. Ograniavajui faktor za primjenu ultrazvune metode mjerenja je geometrija cjevovoda, gdje je potrebno postojanje pravolinijskih dionica na kojima je strujanje fluida ravnomjerno rasporeeno popoprenom presjeku.

ZAKLJUZAKLJUAKAK


HVALA NA PAHVALA NA PANJI!NJI!

Documents

Mjerenje protoka