I misuratori di portata Doppler sfruttano l'effetto Doppler, che è lo spostamento della frequenza risultante dalle onde emesse o riflesse da un oggetto in movimento.
Una realizzazione comune dell'effetto Doppler è lo spostamento percepito nella frequenza del rapporto di un clacson da un veicolo in movimento: mentre il veicolo si avvicina all'ascoltatore, il tono del clacson sembra più alto del normale; quando il veicolo supera l'ascoltatore e inizia ad allontanarsi, il tono del clacson sembra improvvisamente "spostarsi" verso una frequenza più bassa.
In realtà, la frequenza del clacson non cambia mai, ma la velocità del veicolo in avvicinamento rispetto all'ascoltatore stazionario agisce per "comprimere" le vibrazioni sonore nell'aria. Quando il veicolo si allontana, le onde sonore vengono "allungate" dalla prospettiva dell'ascoltatore.
Lo stesso effetto si verifica se un'onda sonora è puntata su un oggetto in movimento e la frequenza dell'eco viene confrontata con la frequenza trasmessa (incidente). Se l'onda riflessa ritorna da una bolla che avanza verso il trasduttore ultrasonico, la frequenza riflessa sarà maggiore della frequenza incidente.
Se il flusso inverte la direzione e l'onda riflessa ritorna da una bolla che si allontana dal trasduttore, la frequenza riflessa sarà inferiore alla frequenza incidente.
Ciò corrisponde al fenomeno del tono del clacson di un veicolo che sembra aumentare man mano che il veicolo si avvicina a un ascoltatore e apparentemente in diminuzione quando il veicolo si allontana da un ascoltatore.
Un misuratore di portata Doppler rimbalza onde sonore lontano da bolle o materiale particolato nel flusso di flusso, misurando lo spostamento di frequenza e inferendo la velocità del fluido dall'entità di tale spostamento.
Misuratore di portata ad ultrasuoni - Misuratore di portata Doppler
Il requisito per la presenza di oggetti nel flusso di flusso sufficientemente grandi da riflettere le onde sonore limita i misuratori di portata ad ultrasuoni Doppler alle applicazioni liquide.
Liquidi "sporchi" come fanghi e acque reflue o liquidi che trasportano un numero considerevole di bolle di gas (ad esempio bevande gassate) sono buoni candidati per questa tecnologia.
Non è realistico aspettarsi che qualsiasi flusso di gas trasporterà goccioline liquide o materia solida abbastanza grande da riflettere forti echi, quindi i misuratori di portata Doppler non possono essere utilizzati per misurare il flusso di gas.
La relazione matematica tra la velocità del fluido (v) e lo spostamento di frequenza Doppler (Δf) è la seguente, per le velocità del fluido molto inferiori alla velocità del suono attraverso quel fluido (v <>
Dove,
Δf = spostamento di frequenza Doppler
v = Velocità del fluido (in realtà, della particella che riflette l'onda sonora)
f = Frequenza dell'onda sonora incidente
θ = Angolo tra trasduttore e mezzeria del tubo
c = Velocità del suono nel fluido di processo
Vedi anche: Animazione misuratore di portata ad ultrasuoni
Notare come l'effetto Doppler produce una misurazione diretta della velocità del fluido da ogni eco ricevuto dal trasduttore.
Ciò è in netto contrasto con le misurazioni della distanza basate sulla luce di time-off (riflettometria nel dominio del tempo - dove la quantità di tempo tra l'impulso incidente e l'eco restituita è proporzionale alla distanza tra il trasduttore e la superficie riflettente)
come nell'applicazione della misurazione del livello del liquido ad ultrasuoni. In un misuratore di portata Doppler, il ritardo tra l'incidente e gli impulsi riflessi è irrilevante. È importante solo lo spostamento di frequenza tra l'incidente e i segnali riflessi.
Questo spostamento di frequenza è anche direttamente proporzionale alla velocità del flusso, rendendo il misuratore di portata ad ultrasuoni Doppler un dispositivo di misurazione lineare.
Riorganizzare l'equazione di spostamento di frequenza Doppler per risolvere la velocità (di nuovo, supponendo v <>
Sapendo che la portata volumetrica è uguale al prodotto dell'area del tubo e alla velocità media del fluido (Q = Av), possiamo riscrivere l'equazione per risolvere direttamente la portata calcolata (Q):
Una considerazione molto importante per la misurazione del flusso ultrasonico Doppler è che la calibrazione del flussimetro varia con la velocità del suono attraverso il fluido (c).
Ciò è facilmente evidente dalla presenza di c nell'equazione di cui sopra: all'aumentare di c, Δf deve diminuire proporzionalmente per qualsiasi portata volumetrica fissa Q.
Poiché il flussimetro è progettato per interpretare direttamente la portata in termini di Δf, un aumento di c che provoca una diminuzione di Δf registrerà quindi come una diminuzione in Q.
Ciò significa che la velocità del suono per un fluido deve essere nota con precisione affinché un misuratore di portata ad ultrasuoni Doppler possa misurare accuratamente il flusso.
La velocità del suono attraverso qualsiasi fluido è una funzione della densità e del modulo di massa di quel mezzo (quanto facilmente si comprime):
Dove,
c = velocità del suono in un materiale (metri al secondo)
B = modulo all'ingrosso (pascal o newton per metro quadrato)
ρ = densità di massa del fluido (chilogrammi per metro cubo)
La temperatura influenza la densità del liquido e la composizione (il costituente chimico del liquido) influenza il modulo di massa. Pertanto, la temperatura e la composizione sono entrambi fattori che influenzano la calibrazione del misuratore di portata ad ultrasuoni Doppler.
La pressione non è un problema qui, poiché la pressione influisce solo sulla densità dei gas e sappiamo già che i misuratori di portata Doppler funzionano solo con liquidi.
Seguendo il tema della necessità di bolle o particelle di dimensioni sufficienti, un'altra limitazione dei misuratori di portata ad ultrasuoni Doppler è la loro incapacità di misurare portate di liquidi troppo pulite e troppo omogenee. In tali applicazioni, i riflessi delle onde sonore saranno troppo deboli per essere misurati in modo affidabile.
Questo è anche il caso in cui le particelle solide hanno una velocità del suono troppo vicina a quella del liquido, poiché la riflessione avviene solo quando un'onda sonora incontra un materiale con una velocità del suono marcatamente diversa.
I misuratori di portata ad ultrasuoni di tipo Doppler sono inutili in applicazioni in cui non è possibile ottenere forti riflessi delle onde sonore.
I misuratori di portata a tempo di transito, talvolta chiamati misuratori di portata a contropropagazione, sono un'alternativa ai misuratori di portata a ultrasuoni Doppler.
Un misuratore di portata a ultrasuoni nel tempo di transito utilizza una coppia di sensori opposti per misurare la differenza di tempo tra un impulso sonoro che viaggia con il flusso del fluido rispetto a un impulso acustico che viaggia contro il flusso del fluido.
Poiché il movimento del fluido tende a trasportare un'onda sonora, l'impulso sonoro trasmesso a valle renderà il viaggio più veloce di un impulso sonoro trasmesso a monte:
Flussimetri a tempo di transito
La velocità del flusso volumetrico attraverso un flussimetro a tempo di transito è una semplice funzione dei tempi di propagazione a monte ea valle:
Dove,
Q = Portata volumetrica calcolata
k = Costante di proporzionalità
t up = Tempo impiegato dall'impulso sonoro per spostarsi dalla posizione a valle alla posizione a monte (a monte, contro il flusso)
t down = Tempo impiegato dall'impulso sonoro per spostarsi dalla posizione a monte alla posizione a valle (a valle, con il flusso)
Una caratteristica interessante della misurazione della velocità del tempo di transito è che il rapporto tra la differenza del tempo di transito e il prodotto del tempo di transito rimane costante con variazioni della velocità del suono attraverso il fluido.
Se desideri dimostrarlo a te stesso, puoi farlo sostituendo la lunghezza del percorso (L), la velocità del fluido (v) e la velocità del suono (c) per i tempi nella formula del flusso. Usa tup = L / (c − v) e tdown = L / (c + v) come sostituzioni, quindi riduci algebricamente la formula del flusso fino a trovare tutti i termini c annullati. Il risultato finale dovrebbe essere Q = 2kv / L.
Quando questa equazione viene espressa in termini di lunghezza del percorso (L), velocità del fluido (v) e velocità del suono (c), l'equazione si semplifica in Q = 2kv / L, dimostrando che il flussimetro del tempo di transito è lineare proprio come il Misuratore di portata Doppler, con il vantaggio di essere immune ai cambiamenti nella velocità del suono del fluido.
Cambiamenti nel modulo di massa risultanti da cambiamenti nella composizione del fluido, o cambiamenti nella densità derivanti da variazioni di composizione, temperatura o pressione hanno quindi un effetto limitato sull'accuratezza di un misuratore di flusso nel tempo di transito.
I misuratori di portata ad ultrasuoni nel tempo di transito non solo sono immuni alle variazioni della velocità del suono, ma sono anche in grado di misurare quella velocità sonora indipendentemente dalla portata.
L'equazione per il calcolo della velocità del suono basata sui tempi di propagazione a monte e a valle è la seguente:
Dove,
c = Velocità calcolata del suono nel fluido
L = Lunghezza del percorso
t up = Tempo impiegato dall'impulso sonoro per spostarsi dalla posizione a valle alla posizione a monte (a monte, contro il flusso)
t down = Tempo impiegato dall'impulso sonoro per spostarsi dalla posizione a monte alla posizione a valle (a valle, con il flusso)
Sebbene non sia necessario o anche particolarmente rilevante ai fini diretti della misurazione del flusso, questa deduzione della velocità del suono del fluido è comunque utile come strumento diagnostico. Se la vera velocità del suono per il fluido è nota dalla misurazione diretta in laboratorio di un campione o dall'analisi chimica di un campione, questa velocità può essere confrontata con la velocità del suono riportata dal misuratore di portata per verificare l'accuratezza della misurazione del tempo di transito del misuratore di portata . Alcuni problemi all'interno dei sensori o all'interno dell'elettronica del sensore possono essere rilevati in questo modo.
Un requisito per il funzionamento affidabile di un misuratore di portata ad ultrasuoni nel tempo di transito è che il fluido di processo sia privo di bolle di gas o particelle solide che potrebbero disperdere o ostruire le onde sonore.
Si noti che questo è esattamente l'opposto requisito dei misuratori di portata ad ultrasuoni Doppler, che richiedono bolle o particelle per riflettere le onde sonore.
Questi requisiti opposti distinguono nettamente le applicazioni adatte per i flussometri a tempo di transito da quelle adatte ai flussometri Doppler e aumentano anche la possibilità di utilizzare flussometri a ultrasuoni a tempo di transito sui flussi di flusso di gas e sui flussi di flusso di liquidi.
