Airflow

 

I006 - Ultradźwięki w pomiarach - ostateczna dokładność

Wszystkie urządznia mierzące przepływ powinny być kalibrowane pod ściśle określonymi, znanymi warunkami otoczenia: temperatury, ciśnienia i składu gazu lub cieczy. Jeśli medium jest powietrze wilgotność i skład (tlen, azot, CO2, itd.) mają wpływ na kalibrację. Ponieważ dokładność kalibracji większości przyrządów jest zależna od wspomnianych wyżej parametrów, oznacza to, że przyrząd będzie posiadał dokładność określoną w świadectwie kalibracji tylko przy takich samych warunkach jakie panowały podczas kalibracji. Bardzo istotny fakt gdy rozważymy zmienność ciśnienia atmosferycznego występującą podczas realnych pomiarów czy też temperatury między pomieszczeniami w budynku i na zewnątrz. Odpowiedzialni producenci ujawniają w jakich warunkach została określona dokładność ich przyrządów (np. 1013mbar, 20°C), chociaż wilgotność jest już rzadko przytaczana.

Dla przykładu termoanemometr będzie wskazywał około 9% mniej w Johannesburgu w Afryce Południowej na poziomie 2000m n.p.m. bez zastosowania współczynników korekcyjnych. Termoanemometry ogólnie mają tendencję do dryftu podczas pracy i dopóki nie są automatycznie kompensowane względem temperatury otoczenia w odniesieniu do wzorca kalibracyjnego, ich wskazania będą dość znacznie odbiegać od wartości rzeczywistych. Anemometry turbinkowe są lepsze w przezwyciężaniu tego efektu - temat porusza Zagadnienie techniczne I003, w którym porównano obie technologie pomiarowe.

Technika pomiaru metodą ultradźwiękową jest w stanie uniknąć problemów opisanych powyżej i jest nowym przełomem technologicznym, który pozwala to osiągnąć. Pomiary mogą być teraz wykonywane z wiedzą, że odczyty nie są zakłócone żadnymi dryftami i że są powtarzalne i dokładne, bez względu na temperaturę, wilgotność czy gęstość powietrza (w ramach ograniczeń technicznych przyrządu).

Głowną cechą anamometrów ultradźwiękowych jest wykorzystanie zjawiska zmiany prędkości dźwięku w mediach poruszających się z określoną prędkością. Jednakże prędkośc dźwięku w mediach również zależy od opisanych powyżej parametrów środowiskowych, zatem jak ominięto ten problem?

Prędkość dźwięku oznaczana zwykle literką "c", wynosi 340.3m/s w powietrzu w warunkach normalnych. Jednakże na poziomie 1000m n.p.m., prędkość dźwięku jest o 1.15% niższa. Wilgotność także powoduje dodatkową zmianę w wysokości 0.4%. Bardziej zakłócającym czynnikiem jest zmiana składu medium, np. prędkość dźwięku w helu jest 2.93 raza większa niż w powietrzu.

Dlatego jest konieczne podczas konstruowania przyrządu wykorzystującego technologię dźwiękową lub ultradźwiękową ominięcie problemu zmiennej prędkości dźwięku.

Rozważmy uproszczony przykład dwóch czujników A i B odległych od siebie o L, w płaszczyźnie równoległej do wektorów przepływu V, umieszczonych w jednorodnym strumieniu przepływu.

  1. Jeśli czujnik A jest pobudzony, dźwięk przemieszcza si w kierunku B z prędkością c + V [m/s] i stąd potrzebuje sekund aby osiągnąć cel. Jeśli oznaczymy ten czas T1 otrzymamy równanie:-
     
  2. Jeśli teraz pobudzimy czujnik B, dźwięk będzie się poruszał w kierunku A z prędkością c - V [m/s]. Stąd, jeśli oznaczymy ten czas T2 otrzymamy równanie:-
     
    przekształcając równania otrzymujemy:-
  3. c + V = L/T1
  4. c - V = L/T2
     
    odejmując równania stronami otrzymujemy:
  5. 2V = L/T1 - L/T2

Ponieważ L można zmierzyć, a T1 i T2 wyznaczyć, prędkość można obliczyć z powyższego równania i jest ona niezależna od lokalnej prędkości dźwięku.

Dlatego kalibracja anemometru ultradźwiękowego, takiego jak np. Anemosonic™ UA6 nie będzie zakłócana przez zmiany warunków otoczenia, a pomiary zachowają pełną wiarygodność.

Jednakże w praktyce dwa czujniki umieszczone w strumieniu w płaszczyźnie równoległej do kierunku przepływu nie są dobrym rozwiązaniem, gdyż zakłócenia wywołane przez czujnik A znajdują się na ścieżce rozchodzenia się ultradźwięków. Można to ominąć umieszczając dwa czujniki pod kątem do kierunku przepływu i robiąc odpowiednią korekcję trygonometryczną. Po wprowadzeniu trzeciego czujnika tworzącego konfigurację trójkątną, jest możliwe wprowadzenie kilku nowych opcji np. korekcja, pomiar prędkości i kierunku w celu otrzymania rzeczywistego wektora itp. Stąd osiągalne są bardziej wszechstronne możliwości dające użytkownikowi większą funkcjonalność.

Przez wcielenie tych funkcji w anemometr ultradźwiękowy można otrzymać świetny przyrząd nadający się do użycia w najbardziej wymagających pomiarach. Obejmuje to wzorcowanie gdzie dokładność i powtarzalność w różnych warunkach środowiskowych jest najważniejsza. Anemosonic™ UA6 utrzymuje dokładność na całe życie bez żadnych strat od dnia opuszczenia linii produkcyjnej. Technologia ta, wraz z jej wszystkimi dobrodziejstwami jest teraz dostępna i pozwala uniknąc wszystkich pułapek innych, tradycyjnych przyrządów pomiarowych produkowanych współcześnie.

Autor: Dr. Peter Downing, Dyrektor Techniczny, Airflow Developments Ltd.

© P.M. Downing 1998