10/19/2010 1 Virtausnopeuden mittaus ultra- äänellä Lyhyt johdatus aiheeseen Mitä virtausnopeuden mittaus ultra- äänen avulla tarkoittaa? Nestevirtauksen hetkellisen nopeusprofiilin mittaus ultra-äänen etenemissuunnassa mittaamalla takaisin siroavan ultra-äänen Doppler siirtymä ajan funktiona.
31
Embed
Virtausnopeuden mittaus ultra- äänellä - tut.fi · PDF fileAallonpituus Esim. 0.15 mm, vedessä 10 MHz taajuudella ... 6 UNJ mittauksen periaatteet UÄ-pulssin takaisin...
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
10/19/2010
1
Virtausnopeuden mittaus ultra-äänellä
Lyhyt johdatus aiheeseen
Mitä virtausnopeuden mittaus ultra-äänen avulla tarkoittaa?
Nestevirtauksen hetkellisen nopeusprofiilin mittaus ultra-äänen etenemissuunnassa mittaamalla takaisin siroavan ultra-äänen Doppler siirtymä ajan funktiona.
10/19/2010
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
10/19/2010
3
UNJ:n soveltamismahdollisuudet• Vesikanavavirtaukset• Yleisessä käytössä hydrauliikan laboratorioissa• Laivan virtauskentän mittaus• Sisäpuoliset virtaukset pumpuissa , turbiineissa ja
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 300-6000 m/s välillä (vrt.
valon nopeus 3x108 m/s) ja aallon pituudet ovat tyypillisesti millimetrin osia.
Ultra-ääni 2/(2)
Ultra-ääni ValoEteneminen tyhjössä Ei kyllä
Nopeus Esim. 1500 m/s vedelle 3x108 m/s
Aallonpituus Esim. 0.15 mm, vedessä 10 MHz taajuudella
400-700 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
10/19/2010
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
• 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
Ec
GKc 3
4
1Kc
MRTc
Esimerkkejä ultraäänen nopeudesta
Olomuoto Materiaali Nopeus [m/s]Kiinteät aineet Alumiini 6320-6420
Lasi 5640
Ruostumaton teräs 5790-5980
Nesteet Vesi 1500
Etanoli 1165
Kaasut Ilma 300
Metaani 450
10/19/2010
6
UNJ mittauksen periaatteet
UÄ-pulssin takaisin sironta-aika
cxt 2
t lähetetyn ja vastaanotetun signaalin välinen aika [s]x siroavan partikkelin etäisyys lähettimestä [m]c nesteen äänennopeus [m/s]
UÄ-pulssin täytyy kulkeutua sirontakohteeseen ja takaisin
10/19/2010
7
UÄ-pulssi on todellinen!
Raman-valokuva lähettimestä lähtevistä UÄ-pulsseista – kolme valokuvaa yhdistetty
Partikkelin aiheuttama Doppler-siirtymä
v nopeuskomponentti lähettimen aksiaalisuunnassa [m/s]c nesteen äänen nopeus [m/s]fd Doppler-siirtymätaajuus [Hz]f0 lähetetyn signaalin taajuus [Hz]02 f
fcv d
10/19/2010
8
UNJ mittauksen tarkkailuikkuna
Ultrasonicprobe
channelwidth
channeldistance
window widthminimumdepth
maximumdepth
startchannel
endchannel
x
startchannel
endchannel
Channel=mittaustilavuus
Mittaustilavuuden leveys
220
0
nf
ncw
w mittaustilavuuden leveys [m]c äänen nopeus [m/s]n pulssin jaksojen lukumääräf0 lähetettävä taajuus [Hz]
10/19/2010
9
Mittaustilavuuden muodostuminen
x
Start reception
xC
xC
Stop reception
t = 0
t = 0.5 s
t = 1 s
4 0 2 0
FAC
E 1
FAC
E 2
f0 = 4 MHzT0 = 0.25 sn = 4 cycles/pulse
Mittaustilavuuksien välinen etäisyys
Jos mittaustilavuuksien välinen etäisyys on pienempi kuin mittaustilavuuden leveys, niin päällekkäisyyttä voi esiintyä
jakautuma tasoittuu
… kahden mittaustilavuuden keskipisteiden välinen etäisyys.
10/19/2010
10
Suurin mittattavissa oleva nopeusalue
Nyquistin näytteenottoteoreeman mukaan Fprf, maksimi Doppler siirtymä on rajoitettu mitattavissa oleva nopeusalue on:
0 range 2
= f
c F V prf
Vrange mitattavissa olevan nopeuskomponentin alue
f0 ultra-äänen lähetystaajuus Fprf pulssien toistotaajuusc äänen nopeus
Mittausikkuna
Mittausikkunan päätekohta on silloinW = aloitus mittaustilavuus + n * mittaustila-
vuuksien välimatkajossa n on mittaustilavuuksien lukumäärä
W täytyy olla pienempi kuin mittaussyvyys!
… etäisyys ensimmäisen ja viimeisen mittaustilavuuden välillä.
10/19/2010
11
Suurin mitattavissa oleva syvyys
prfFcP
2max
Pmax suurin mahdollinen mittaussyvyysc äänen nopeusFprf pulssin toistotaajuus
Suurin mitattavissa oleva syvyys määräytyy pulssin toistotaajuudesta - UÄ pulssin aiheuttaman sironnan täytyy ehtiä takaisin ennenkuin uusi pulssi lähetetään:
suurin mitattavissa oleva syvyys pienenee kun Fprf kasvaa
UNJ-mittauksen perusrajoite
Pmax ja Vmax yhtälöistä voidaan johtaa
Tarve sovittaa Pmax and Vmax yhteen
Vakiof
cVP0
2
maxmax 4*
10/19/2010
12
Mahdolliset sovitusratkaisut
• Hyväksy alhaisempi nopeus
• Pienennä Fprf• Pienennä f0
• Hyväksy lyhyempi mittaussyvyys
• Kasvata Fprf• Pienennä f0
Pidemmälle etäisyydelle: Suuremmille nopeuksille:
Miksi ei pienennetä f0 … ?!Näyttää yleispätevältä parannukselta …