Virtausnopeuden mittaus ultraäänellä

Transkriptio

1 Virtausnopeuden mittaus ultraäänellä Lyhyt johdatus aiheeseen Mitä virtausnopeuden mittaus ultraäänen avulla tarkoittaa? Nestevirtauksen hetkellisen nopeusprofiilin mittaus ultra-äänen etenemissuunnassa mittaamalla takaisin siroavan ultra-äänen Doppler siirtymä ajan funktiona. 1

2 UNJ ominaisuuksia (1) Virtausta häiritsemätön tekniikka, joka mittaa virtauksessa olevien pienten partikkelien nopeuden. Mittaus voidaan tehdä vedessä, läpinäkymättömissä nesteissä, jätevedessä, öljyssä, majoneesissa ja muissa nesteissä Mittauksen nopeusalue nollasta useisiin metreihin sekunnissa Myös negatiivisten nopeuksien mittaus on mahdolista Hyvä paikka- ja aikaerotuskyky: millimetreihin asti ja muutamaan millisekuntiin asti UNJ ominaisuuksia (2) Hetkellistä ja aikakeskiarvoistettua tietoa Mittaus syvyyssuunnassa millimetreistä metreihin Mahdollisuus laskea turbulenssin tilastollisia suureita, paikkakorrelaatioita, tehospektrejä ja muuta relevanttia informaatiota nopeusjakautumien aikasarjoista Virtauskentän täydellinen kuvaus on mahdollista Ei tarvita kalibrointia Mittaus seinämän läpi on useimmiten mahdollinen 2

3 UNJ:n soveltamismahdollisuudet Vesikanavavirtaukset Yleisessä käytössä hydrauliikan laboratorioissa Laivan virtauskentän mittaus Sisäpuoliset virtaukset pumpuissa, turbiineissa ja sekoittimissa Viemärijärjestelmät Kemialliset prosessit Öljyteollisuus Elintarviketeollisuus Miten se toimii? 3

4 Ultra-ääni 1/(2) Ultra-äänellä tarkoitetaan väliaineen värähtelyä joka tapahtuu ihmiselle kuultavissa olevia taajuuksia suuremmilla taajuuksilla. Ultra-äänen taajuus voilla 20 khz:stä useisiin kymmeniin MHz:hin. Ultra-äänen aallonpituus voidaan laskea ultra-äänen nopeuden c ja taajuuden f avulla, =c/f. Ultra-äänen nopeus on ääniaaltojen etenemisnopeus väliaineessa ja se riippuu väliaineen ominaisuuksista. Ultra-ääni ei voi edetä tyhjössä. Ultra-äänennopeudet vaihtelevat m/s välillä (vrt. valon nopeus 3x10 8 m/s) ja aallon pituudet ovat tyypillisesti millimetrin osia. Ultra-ääni 2/(2) Ultra-ääni Valo Eteneminen tyhjössä Ei kyllä Nopeus Esim m/s vedelle 3x10 8 m/s Aallonpituus Esim mm, vedessä 10 MHz taajuudella nm Taajuusalue 20 khz 20 MHz Miljoonia GHz Heijastuminen kyllä kyllä Taittuminen kyllä kyllä Diffraktio Harva hila Tiheä hila Interferenssi Kyllä kyllä Etenemissuunta Pitkittäinen tai poikittainen Vain poikittainen Polarisaatio Pitkittäinen : ei Poikittainen: kyllä kyllä 4

5 Ultra-äänen nopeus eri väliaineissa Ultra-äänen nopeus c homogeeniselle aineelle voidaan laskea yhtälöstä Kiinteälle aineelle ultra-äänen nopeus on laskettavissa yhtälöstä, Nesteille, jotka eivät ota vastaan leikkausjännitystä, ultra-äänen nopeus saadaan yhtälöstä Kaasuille ultra-äänen nopeus saadaan yhtälöstä c c c E K 4 3 K G 1 Muille kuin kaasuille äänennopeuden määrittäminen edellä olevista yhtälöistä on usein hankalaa, koska eri aineominaisuuksien arvoja ei tunneta tarkasti kuin puhtaille aineille ja käytännössä materiaalit ovat yleensä seoksia. Usein joudutaankin turvautumaan kokeellisesti mitattuihin arvoihin. E on väliaineen kimmokerroin, K on tilavuuskimmokerroin, G on leikkauskimokerroin, on tiheys, on kokoonpuristuvuus ja on kaasun isentrooppieksponentti c RT M Esimerkkejä ultraäänen nopeudesta Olomuoto Materiaali Nopeus [m/s] Kiinteät aineet Alumiini Lasi 5640 Ruostumaton teräs Nesteet Vesi 1500 Etanoli 1165 Kaasut Ilma 300 Metaani 450 5

6 UNJ mittauksen periaatteet UÄ-pulssin takaisin sironta-aika UÄ-pulssin täytyy kulkeutua sirontakohteeseen ja takaisin t 2x c t lähetetyn ja vastaanotetun signaalin välinen aika [s] x siroavan partikkelin etäisyys lähettimestä [m] c nesteen äänennopeus [m/s] 6

7 UÄ-pulssi on todellinen! Raman-valokuva lähettimestä lähtevistä UÄpulsseista kolme valokuvaa yhdistetty Partikkelin aiheuttama Dopplersiirtymä v c f d 2 f 0 v nopeuskomponentti lähettimen aksiaalisuunnassa [m/s] c nesteen äänen nopeus [m/s] Doppler-siirtymätaajuus [Hz] f d f 0 lähetetyn signaalin taajuus [Hz] 7

8 UNJ mittauksen tarkkailuikkuna minimum depth start channel window width end channel maximum depth x Ultrasonic probe start channel channel width channel distance end channel Channel=mittaustilavuus Mittaustilavuuden leveys w mittaustilavuuden leveys [m] w c n 2 f 0 n 0 2 c n f 0 äänen nopeus [m/s] pulssin jaksojen lukumäärä lähetettävä taajuus [Hz] 8

9 Mittaustilavuuden muodostuminen Start reception t = 0 C FACE 1 FACE 2 f 0 = 4 MHz T 0 = 0.25 s n = 4 cycles/pulse x t = 0.5 s x Stop reception t = 1 s C x Mittaustilavuuksien välinen etäisyys kahden mittaustilavuuden keskipisteiden välinen etäisyys. Jos mittaustilavuuksien välinen etäisyys on pienempi kuin mittaustilavuuden leveys, niin päällekkäisyyttä voi esiintyä jakautuma tasoittuu 9

10 Suurin mittattavissa oleva nopeusalue Nyquistin näytteenottoteoreeman mukaan F prf, maksimi Doppler siirtymä on rajoitettu mitattavissa oleva nopeusalue on: V range = c F 2 f prf 0 V range f 0 F prf c mitattavissa olevan nopeuskomponentin alue ultra-äänen lähetystaajuus pulssien toistotaajuus äänen nopeus Mittausikkuna etäisyys ensimmäisen ja viimeisen mittaustilavuuden välillä. Mittausikkunan päätekohta on silloin W = aloitus mittaustilavuus + n * mittaustilavuuksien välimatka jossa n on mittaustilavuuksien lukumäärä W täytyy olla pienempi kuin mittaussyvyys! 10

11 Suurin mitattavissa oleva syvyys Suurin mitattavissa oleva syvyys määräytyy pulssin toistotaajuudesta - UÄ pulssin aiheuttaman sironnan täytyy ehtiä takaisin ennenkuin uusi pulssi lähetetään: c P max suurin mahdollinen mittaussyvyys P max 2 F prf c F prf äänen nopeus pulssin toistotaajuus suurin mitattavissa oleva syvyys pienenee kun F prf kasvaa UNJ-mittauksen perusrajoite P max ja V max yhtälöistä voidaan johtaa P max * V max 2 c 4 f Vakio Tarve sovittaa P max and V max yhteen 0 11

12 Mahdolliset sovitusratkaisut Pidemmälle etäisyydelle: Hyväksy alhaisempi nopeus Pienennä F prf Pienennä f 0 Suuremmille nopeuksille: Hyväksy lyhyempi mittaussyvyys Kasvata F prf Pienennä f 0 Miksi ei pienennetä f 0?! Näyttää yleispätevältä parannukselta Este: alhaisempi paikkaerotuskyky, pienempi nopeuserotuskyky! Aikaerotuskyky Jokainen nopeusjakautuma mitataan monta kertaa ja keskiarvoistetaan T N F rep prf T keskimääräinen jakautuman mittausaika N rep jakautumien mittausten lukumäärä (oletus = 32) pulssien toistotaajuus F prf 12

13 UÄ-mittauksen lohkokaavio INTERFACE MEASURE Storage PC Analog A D DSP Transducers Interface PC Controller LAN Network UÄ-mittauksen ohjelmistojen tehtävät Tiedon keräyksen & talletuksen hallinta Tiedon muokkaaminen ja analysointi (RMS, vinous, huipukkuus, histogrammit, risti-korrelaatio, autokorrelaatio, tehospektri, vaihekeskiarvoittaminen ja muuta) Virtauksen kartoitus ja laskelmat Tiedonsiirto muihin ohjelmiin 13

14 UÄ-ohjelmisto Ultraäänisäteen ominaisuudet 14

15 Ultra-ääniaalto Taajuus yleensä 100 khz to 50 MHz nesteissä käsitellään pitkittäisaaltoja - sarja tiivistyksiä Perusaaaltoyhtälöt pätevät Aallonpituus = c / f Aallonpituus [m] c Äänen nopeus [m/s] f Ultra-äänen taajuus [Hz] Akustinen impedanssi Akustiikan perustava aineominaisuus Aineen tiheyden ja äänen nopeuden tulo Ilmaistaan Rayleigh ( Ray or Mray ) yksikössä Z = * c Z akustinen impedanssi [kg m -2 s -1 ] materiaalin tiheys [kg/m 3 ] c äänen nopeus [m/s] 15

16 Taittuminen materiaalien rajapinnassa (Fresnel s law) incident wave 1 1 reflected wave MEDIUM 1 MEDIUM 2 sin1 sin 2 c c 1 2 (C 1 < C 2) 2 refracted wave Kriittinen kulma kun 2 = 90 niin silloin vastaavaa 1 kutsutaan kriittiseksi kulmaksi 1 c 1 1 sin c2 Kriittisessä kulmassa tuleva aalto on kokonaan heijastunut ( kokonaisheijastus ), mitään ei tule läpi Jos mittaat seinämän läpi niin tarkista aina kriittisen kulman arvo! 16

17 Energian absorpoituminen - Beer in laki Akustisen aallon tunkeutuessa materiaan osa energiasta menetetään (sironta, absorptio) Vaimeneneminen on eksponentiaalista etäisyyden suhteen Absorptiokerroin riippuu materiaalista, UÄ:n taajuudesta, lämpötilasta p( z) p0 exp( z) P akustinen paine p 0 akustisen paineen referenssi lähettimellä absorbtiokerroin (myös absorbtiviteetti ) Lähettimet ja niiden ominaisuudet 17

18 Mitä ultra-äänilähetin tekee? Laite joka kykenee muuttamaan sähköisen signaalin ultra-äänivärähtelyiksi (-aalloiksi) Se lähettää nämä aallot ympäristöönsä aktiivisen pintansa läpi Ja käänteisesti, lähetin toimii UÄ aaltojen vastaanottimena ja muuttaa ne sähköiseksi signaaliksi Ultra-ääni lähettimen rakenne Bushing Casing Wear Plate Active Element Cable Impedancematching resistor Backing Electrodes 18

19 Lähettimen kuva Met-Flow lähetin 4 MHz Lähettimen aikaansaama äänikenttä 19

20 UÄ säteen kuva Lähikentän ulottuvuus N 2 D f 4 c 0 N D f 0 c lähikentän pituus [m] aktiivisen elementin halkaisija [m] ultra-äänen perustaajuus [Hz] äänen nopeus [m/s] Lähialueella äänikenttä on epäsäännöllinen Lähialueella UNJ:n mittaus on vaikeaa Älä käytä lähialuetta mittaukseen! 20

21 Esimerkkejä lähialueen kentän pituudesta Transducer diameter D [mm] Near Field length N [mm] in water (c = m/s) f = 1 MHz = 1.48 mm f = 2 MHz = 0.74 mm f = 4 MHz = 0.37 mm f = 8 MHz = 0.19 mm Seinien lähialueet Seinien lähellä mittaukseen tulee virhettä Partikkelien määrä vaikuttaa mittauksen onnistumiseen 21

22 UÄ-säteen hajaantuminen sin D Tämä säteen hajaantuminen pätee vain kaukana lähettimestä Tärkein parametri on /D Samalla lähettimen halkaisijalla, korkeilla lähetystaajuuksilla on pienin hajaantuminen Samalla lähetystaajuudella alhaisen lähetystaajuuden lähettimillä on suurempi halkaisija 0 hajaantumisen puolikulma (-6 db vähenemiselle) UÄ:n aallonpituus D lähettimen aktiivinen halkaisija Esimerkkejä UÄ säteen hajaantumisesta Transducer diameter D [mm] Far Field beam divergence [ ] in water (c = m/s, for -6 db intensity drop) f = 1 MHz = 1.48 mm f = 2 MHz = 0.74 mm f = 4 MHz = 0.37 mm f = 8 MHz = 0.19 mm

23 UNJ-lähettimeltä vaaditaan Hyvää sopeutuvuutta - kykyä lähettää lyhyitä pulsseja ja kykyä siirtyä lähettimestä vastaanottimeksi Hyvää tehokkuutta sähköisen signaalin muuttamisessa akustiseksi Hyvää mekaanisen symmetria-akselin ja säteen symmetriaakselin yhteensopivuutta Mekaanista robustisuutta Pitkän ajan vedenkestävyyttä, elohopea, kemikaalit Korkeiden lämpötilojen kestävyyttä Siroavat partikkelit 23

24 Sirontapartikkelien ominaisuudet UNJ mittaa ainoastaan partikkelien siroamaa säteilyä Jos ei ole partikkeleita, ei ole myöskään signaalia mittausta varten Useimmissa nesteissä on luonnostaan partikkeleita Joskus on tarpeen lisätä partikkeleita Partikkelien halkaisijan tulisi olla suurempia kuin /4 Partikkeleillä tulisi olla sama ominaistiheys kuin virtaavalla väliaineella, mutta eri akustinen impedanssi Virtauskentän kartoitus 24

25 Mittaus usealla lähettimellä Lähetin mittaa ainoastaan nopeusjakautuman projektion lähettimen aksiaalisuunnassa Täydellisen 2D mittauksen suorittamiseen yhdessä pisteessä tarvitaan vähintään kaksi lähetintä Useamman lähettimen avulla on mahdollista mitata täydellinen 2D virtauskenttä Lähettimet voidaan multipleksoida yhteen UNJprosessoriin reaaliajassa Nopeusvektorin yhdistäminen ortogonaalisesti 25

26 Lähettimen mittaushila Nopeuksien tulosvektorikenttä 26

27 Käytännön nopeuskentät Yritä virtauskentän kartoitusta vasta kun olet todella tutustunut UNJ mittaukseen Vaikka virtauskentän mittaus 3D:ssä on teoreettisesti mahdollista, se ei ole käytännöllistä Kahden minkä tahansa lähettimen risteyskohdassa on mahdollista mitata kaksi nopeuskomponettia Pienet kohtaamiskulmat aiheuttavat suuren mittausepävarmuuden Esimerkkejä ultra-ääninopeusmittauksen sovellutuksista 27