การศึกษาการจำลองเครื่องวัดการไหลด้วยอุลตร้าโซนิคแบบหนีบภายนอก: การเพิ่มประสิทธิภาพการออกแบบ การปรับปรุงความแม่นยำ - ความรู้

การศึกษาการจำลองเครื่องวัดอัตราการไหลอัลตราโซนิกแบบแคลมป์ภายนอก

การศึกษาแบบจำลองภายนอกหนีบไว้เครื่องวัดอัตราการไหลล้ำเสียงเกี่ยวข้องกับการสร้างแบบจำลองและจำลองหลักการทำงานและประสิทธิภาพของเครื่องวัดการไหลเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการออกแบบ ปรับปรุงความแม่นยำในการวัด หรือประเมินประสิทธิภาพภายใต้สภาวะการทำงานที่แตกต่างกัน

การสร้างแบบจำลองเชิงตัวเลข

การสร้างแบบจำลองเชิงตัวเลขถูกนำมาใช้เพื่อสร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์สำหรับการไหลของของไหลและการแพร่กระจายคลื่นอัลตราโซนิก รวมถึงสมการพลศาสตร์ของไหลและสมการทางเสียง เครื่องมือ Computational Fluid Dynamics (CFD) ใช้เพื่อจำลองการไหลของของไหล เครื่องมือเหล่านี้สามารถจำลองความปั่นป่วน การกระจายความเร็วการไหล ฯลฯ และวิเคราะห์ผลกระทบของการแพร่กระจายของคลื่นอัลตราโซนิก การวิเคราะห์ทางเสียงจะดำเนินการโดยใช้ CFD เพื่อจำลองการแพร่กระจายและการสะท้อนของสัญญาณอัลตราโซนิก สามารถใช้ซอฟต์แวร์จำลองเสียง (เช่น โมดูลเสียงใน COMSOL Multiphysics) เพื่อดำเนินการนี้ให้เสร็จสิ้น การวิเคราะห์องค์ประกอบจำกัด (FEA) ของโครงสร้างเซ็นเซอร์อัลตราโซนิคดำเนินการเพื่อทำความเข้าใจประสิทธิภาพการทำงานภายใต้สภาวะต่างๆ FEA ช่วยวิเคราะห์ผลกระทบของการขยายตัวเนื่องจากความร้อน การสั่นสะเทือน ฯลฯ ต่อผลการวัด การสัมผัสระหว่างเซ็นเซอร์และท่อได้รับการพิจารณาในการจำลองเพื่อประเมินผลกระทบต่อการส่งผ่านอัลตราโซนิก

การตรวจสอบและการเพิ่มประสิทธิภาพในห้องปฏิบัติการ

ในห้องปฏิบัติการ จะใช้แท่นทดสอบการไหลเพื่อวัดการไหลจริง และเปรียบเทียบผลลัพธ์กับผลการจำลองเพื่อตรวจสอบความถูกต้องของแบบจำลอง พารามิเตอร์ของโมเดลจำลองได้รับการปรับตามผลการทดลองเพื่อปรับปรุงความแม่นยำในการทำนาย ด้วยการจำลอง ตำแหน่งเซ็นเซอร์ การออกแบบฟิกซ์เจอร์ และวิธีการติดตั้งได้รับการปรับให้เหมาะสมเพื่อปรับปรุงความแม่นยำและเสถียรภาพในการวัด ตามสมควรแล้วยึดแนวทางการติดตั้งเครื่องวัดการไหลแบบอัลตราโซนิกมีความสำคัญอย่างยิ่งในระหว่างกระบวนการปรับให้เหมาะสมนี้ เนื่องจากการติดตั้งที่ไม่ถูกต้องอาจส่งผลกระทบอย่างมากต่อความแม่นยำของการวัด สภาวะความผิดปกติต่างๆ (เช่น ฟองอากาศ อนุภาคของแข็ง) จะถูกจำลองในการจำลองเพื่อประเมินผลกระทบต่อประสิทธิภาพของมิเตอร์วัดการไหล ในระหว่างกระบวนการทดลอง จำเป็นต้องพิจารณาคุณสมบัติทางกายภาพของของไหล (เช่น อุณหภูมิและความดัน) เนื่องจากคุณสมบัติเหล่านี้ส่งผลต่อความเร็วของการแพร่กระจายคลื่นอัลตราโซนิก นอกจากนี้ สัญญาณรบกวนและการรบกวนในสภาพแวดล้อมจริงอาจส่งผลต่อคุณภาพของสัญญาณอัลตราโซนิก ซึ่งยังต้องมีการปรับอัลกอริธึมการประมวลผลสัญญาณให้เหมาะสมผ่านการจำลองและการทดลองด้วย

การวิเคราะห์การจำลอง COMSOL Multiphysics

การใช้ซอฟต์แวร์ COMSOL Multiphysics 5.6 เป็นตัวอย่างสำหรับการสร้างแบบจำลองและการวิเคราะห์การจำลอง การจำลองสามารถวิเคราะห์ผลกระทบของมุมต่างๆ วัสดุของท่อส่ง เส้นผ่านศูนย์กลางของท่อ ความถี่อัลตราโซนิก และวิธีการติดตั้งในการแพร่กระจายคลื่นอัลตราโซนิก แผนผังของแบบจำลองการวัดการไหลแบบอัลตราโซนิกแสดงในรูปที่ 3.6 เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการคำนวณของโซลูชันโมเดล 3 มิติ เรามักจะใช้สมมาตรเพื่อจำลองครึ่งหนึ่งของช่องสัญญาณเพื่อเป็นตัวแทนของโมเดลทั้งหมด ในระหว่างขั้นตอนการก่อสร้างแบบจำลอง ควรพิจารณาถึงอิทธิพลของวัสดุท่อที่แตกต่างกันที่มีต่อมุมการหักเหของแสงอัลตราโซนิก เช่นเดียวกับระยะการเคลื่อนที่ในแนวนอนที่แตกต่างกันสำหรับทรานสดิวเซอร์สองตัวที่ติดตั้งภายใต้เส้นผ่านศูนย์กลางท่อที่แตกต่างกัน

Schematic Diagram of Ultrasonic Flow Measurement Model Construction

รูปที่ 3.6 แผนผังของการก่อสร้างแบบจำลองการวัดการไหลด้วยคลื่นอัลตราโซนิก

วิธีการติดตั้งทรานสดิวเซอร์

เพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดทั่วไปสำหรับการวัดเส้นผ่านศูนย์กลางท่อต่างๆ ควรใช้ความถี่การทำงานที่แตกต่างกันของทรานสดิวเซอร์อัลตราโซนิกและวิธีการติดตั้งทรานสดิวเซอร์ที่แตกต่างกันในการวัดการไหลของอัลตราโซนิก ที่ยึดกับเครื่องวัดอัตราการไหลแบบอัลตราโซนิกให้ข้อได้เปรียบเฉพาะในเรื่องนี้ เนื่องจากช่วยให้สามารถติดตั้งได้ไม่-รุกล้ำโดยไม่ต้องตัดท่อหรือปิดกระบวนการ วิธีการติดตั้งทั่วไป ได้แก่ รูปร่าง V-, รูปร่าง Z-, รูปร่าง N- และรูปร่าง W- เพื่อศึกษาผลกระทบของวิธีการติดตั้งทรานสดิวเซอร์แบบต่างๆ ต่อสัญญาณการแพร่กระจายคลื่นอัลตราโซนิก จำเป็นต้องดำเนินการวิจัยที่เกี่ยวข้อง บทความนี้ใช้การจำลองการสร้างแบบจำลองวิธีการติดตั้งทรานสดิวเซอร์รูปร่าง Z- เป็นหลักเป็นตัวอย่างในการสาธิต

วิธี Galerkin ที่ไม่ต่อเนื่องและการแบ่งกริด

ใน COMSOL Multiphysics 5.6 มีการใช้โมดูลอินเทอร์เฟซ "Convection Equation, Time Domain Explicit" และตามค่าเริ่มต้น โมดูลจะเป็นส่วนหนึ่งของสูตรที่มีฟังก์ชันควอติก สำหรับการแก้ปัญหาคลื่น วิธี Discontinuous Galerkin ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพ วิธีการ Galerkin แบบไม่ต่อเนื่องช่วยลดปัญหาการแบ่งกริดในแบบจำลองขนาดใหญ่ ทำให้สามารถใช้กริดเตตราฮีดรัลอิสระที่มีขนาดความยาวคลื่นครึ่งหนึ่ง- และแก้ปัญหาแบบจำลองทั้งหมดได้ในที่สุด ในการแบ่งกริดตามจริง เรามักจะตั้งค่าขนาดองค์ประกอบกริดเป็นค่าใดๆ ระหว่างครึ่งความยาวคลื่นถึงสอง-ในสามของความยาวคลื่นเพื่อให้ได้ความละเอียดเชิงพื้นที่ที่เหมาะสม เมื่อใช้ตัวแก้โดเมนเวลา-อย่างชัดเจน ขนาดขั้นตอนของเวลาภายในจะถูกควบคุมอย่างเข้มงวดโดยซอฟต์แวร์ COMSOL ดังนั้นองค์ประกอบกริดที่เล็กที่สุดในโมเดลจะควบคุมขั้นตอนของเวลา เมื่อตั้งค่าองค์ประกอบกริดจัตุรมุขอิสระ จะต้องควบคุมขนาดองค์ประกอบสูงสุดและต่ำสุด ใน COMSOL Multiphysics 5.6 สำหรับอินเทอร์เฟซโดเมนเวลา "Convection Equation" ที่ชัดเจน- ขั้นตอนเวลาภายในจะถูกเลือกโดยอัตโนมัติตามระดับการปรับแต่งของตารางและคุณสมบัติทางกายภาพ รูปที่ 3.7 แสดงการแบ่งกริดสำหรับศึกษาความเร็วการไหลของพื้นหลังและเสียงโดยใช้วิธีการติดตั้งรูปทรง Z-

Grid Division for Studying Background Flow Velocity and Acoustics at Different Times

(ก) ความเร็วการไหลของพื้นหลัง (ข) อะคูสติก

รูปที่ 3.7 การแบ่งกริดสำหรับศึกษาความเร็วการไหลพื้นหลังและเสียงในเวลาที่ต่างกัน

การกำหนดค่าสนามทางกายภาพ

หลังจากสร้างแบบจำลองแล้ว จำเป็นต้องตั้งค่าฟิลด์ทางกายภาพ โดเมนของของเหลวในไปป์ไลน์ถูกตั้งค่าเป็นสนามฟิสิคัลการไหลแบบราบเรียบหรือแบบปั่นป่วนเพื่อจำลองของไหลในไปป์ไลน์ระหว่างการใช้งานจริง โดเมนของเหลวในไปป์ไลน์ ไปป์ไลน์ และทรานสดิวเซอร์ทั้งสองด้านของไปป์ไลน์ได้รับการตั้งค่าเป็นฟิลด์ทางกายภาพ "สมการการพาความร้อน โดเมนเวลาที่ชัดเจน" เพื่อจำลองการแพร่กระจายของคลื่นอัลตราโซนิก ในการตั้งค่าฟิลด์ทางกายภาพ "สมการการพาความร้อน โดเมนเวลาที่ชัดเจน" จุดสิ้นสุดของไปป์ไลน์ถูกกำหนดเป็นขอบเขตอิมพีแดนซ์เพื่อตัดทอนการคำนวณ ในการจำลองแบบราบเรียบหรือแบบปั่นป่วน ช่องป้อนของไหลจะอยู่ทางด้านซ้าย และช่องจ่ายของไหลจะอยู่ทางด้านขวา กสายรัดเครื่องวัดอัตราการไหลล้ำเสียงการกำหนดค่าถูกสร้างขึ้นโดยติดตั้งเครื่องส่งสัญญาณอัลตราโซนิกที่ด้านล่างของไปป์ไลน์ และติดตั้งตัวรับสัญญาณไว้ที่ด้านบน ความเร็วปกติจะถูกใช้ที่ปลายเครื่องส่งสัญญาณเพื่อปล่อยคลื่นอัลตราโซนิก

การสร้างแบบจำลองและการวิเคราะห์สถานะของของไหล

เมื่อใช้ซอฟต์แวร์ COMSOL Multiphysics 5.6 สำหรับการจำลองการวัดการไหลแบบอัลตราโซนิก สถานะของของไหลในไปป์ไลน์จำเป็นต้องได้รับการสร้างแบบจำลองและวิเคราะห์ก่อน ยกตัวอย่างท่อพีวีซีที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก 15 มม. และความหนาของผนัง 0.75 มม. เพื่อทำการจำลองแบบลามิเนตและแบบปั่นป่วน การจำลองเหล่านี้จำเป็นสำหรับการทำความเข้าใจวิธีการสายรัดอัลตราโซนิกบนเครื่องวัดการไหลดำเนินการภายใต้สภาวะการไหลต่างๆ การจำลองการไหลแบบลามินาร์ใช้โมดูล "การไหลแบบลามินาร์" ใน COMSOL Multiphysics 5.6 สำหรับการตั้งค่าสนามทางกายภาพ และการจำลองการไหลแบบปั่นป่วนใช้โมดูล "การไหลแบบปั่นป่วน, k-ω" รูปที่ 3.8 แสดงขนาดของความเร็วการไหลพื้นหลังภายใต้สภาวะราบเรียบและปั่นป่วน

จากรูปที่ 3.8 จะเห็นได้ว่าภายใต้สภาวะการไหลแบบราบเรียบ ความเร็วการไหลในแต่ละส่วนของท่อเกือบจะสม่ำเสมอ ใกล้กับความเร็วการไหลเฉลี่ยของของไหลพื้นหลัง ตามแผนภาพ สีที่ลึกกว่าตรงกลางของไปป์ไลน์บ่งบอกถึงความเร็วการไหลที่สูงขึ้น

Magnitude of Background Flow Velocity Under Different Fluid States

(a) การไหลแบบราบเรียบ (b) การไหลแบบปั่นป่วน

รูปที่ 3.8 ขนาดของความเร็วการไหลของพื้นหลังภายใต้สถานะของของไหลที่แตกต่างกัน

การวิเคราะห์ความเร็วการไหลของพื้นหลัง

เพื่อให้แสดงความเร็วการไหลในแต่ละส่วนของไปป์ไลน์ได้ชัดเจนยิ่งขึ้น จึงมีการเลือกส่วนของไปป์ไลน์เพื่อพล็อตเส้นโค้งความเร็วการไหลในพื้นหลัง รูปที่ 3.9 แสดงกราฟความเร็วการไหลพื้นหลังภายใต้สภาวะการไหลแบบราบเรียบและแบบปั่นป่วน

สำหรับท่อพีวีซีที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก 15 มม. และความหนาของผนัง 0.75 มม. จะทำการวิเคราะห์แบบจำลอง ผลการจำลองโดยใช้โมดูล "Laminar Flow" แสดงในรูปที่ 3.9(a) จะเห็นได้ว่าในสถานะการไหลแบบราบเรียบ การเปลี่ยนแปลงความเร็วการไหลจะเกิดขึ้นภายในช่วง 5 มม. บนพื้นผิวท่อเท่านั้น ในขณะที่ความเร็วการไหลที่ตำแหน่งอื่นคือประมาณ 10 เมตร/วินาที ซึ่งบ่งชี้ว่าของไหลประสบกับความล่าช้าในการไหลใกล้กับผนังท่อเนื่องจากการเสียดสีของท่อ ในทางตรงกันข้าม ผลการจำลองโดยใช้โมดูล "การไหลแบบปั่นป่วน, k-ω" จะแสดงในรูปที่ 3.9(b) จะเห็นได้ว่าภายใต้เงื่อนไขของความเร็วการไหลเฉลี่ย 10 เมตร/วินาที ความเร็วการไหลใกล้ผนังท่อจะอยู่ที่ประมาณ 4.5 เมตร/วินาที และความเร็วการไหลที่อยู่ตรงกลางท่อสามารถสูงถึงประมาณ 12.2 เมตร/วินาที โดยมีการกระจายความเร็วการไหลก่อตัวเป็นรูปพาราโบลา

Laminar Flow