Tashqi qisqichli ultratovushli oqim o'lchagichni simulyatsiya qilish: dizaynni optimallashtirish, aniqlikni yaxshilash

Tashqi qisqichli ultratovushli oqim o'lchagichni simulyatsiya qilish

Tashqi simulyatsiyani o'rganishqisqich bilan mahkamlangultratovushli oqim o'lchagichdizaynni optimallashtirish, o'lchov aniqligini yaxshilash yoki turli ish sharoitlarida uning ish faoliyatini baholash uchun oqim o'lchagichning ish printsipi va ishlashini modellashtirish va simulyatsiya qilishni o'z ichiga oladi.

Raqamli simulyatsiya modellashtirish

Raqamli simulyatsiya modellash suyuqlik oqimi va ultratovush to'lqinining tarqalishi uchun matematik modellarni, shu jumladan suyuqlik dinamikasi tenglamalari va akustik tenglamalarni yaratish uchun qo'llaniladi. Suyuqlik oqimini modellashtirish uchun hisoblash suyuqliklar dinamikasi (CFD) vositalaridan foydalaniladi. Ushbu asboblar turbulentlik, oqim tezligi taqsimoti va boshqalarni simulyatsiya qilishi va ultratovush to'lqinlarining tarqalishi ta'sirini tahlil qilishi mumkin. CFD asosida ultratovush signalining tarqalishi va aks etishini simulyatsiya qilish uchun akustik tahlil amalga oshiriladi. Buni bajarish uchun akustik simulyatsiya dasturidan (masalan, COMSOL Multiphysics-dagi akustik modul) foydalanish mumkin. Ultrasonik sensor strukturasining chekli elementlar tahlili (FEA) turli sharoitlarda uning ishlashini tushunish uchun amalga oshiriladi. FEA termal kengayish, tebranish va hokazolarning o'lchov natijalariga ta'sirini tahlil qilishga yordam beradi. Sensor va quvur liniyasi o'rtasidagi aloqa uning ultratovush uzatishga ta'sirini baholash uchun simulyatsiyada ko'rib chiqiladi.

Laboratoriya tekshiruvi va optimallashtirish

Laboratoriyada oqimni haqiqiy o'lchash uchun oqim sinov dastgohi qo'llaniladi va natijalar simulyatsiya modelining to'g'riligini tekshirish uchun simulyatsiya natijalari bilan taqqoslanadi. Simulyatsiya modelining parametrlari prognozning aniqligini oshirish uchun eksperimental natijalar asosida o'rnatiladi. Simulyatsiya orqali sensorning joylashuvi, armatura dizayni va o'rnatish usuli o'lchov aniqligi va barqarorligini yaxshilash uchun optimallashtiriladi. To'g'ri rioya qilishultratovushli oqim o'lchagichni o'rnatish bo'yicha ko'rsatmalarga kelepçebu optimallashtirish jarayonida hal qiluvchi ahamiyatga ega, chunki noto'g'ri o'rnatish o'lchovlarning aniqligiga sezilarli ta'sir ko'rsatishi mumkin. Oqim o'lchagichning ishlashiga ta'sirini baholash uchun simulyatsiyada turli xil nosozlik holatlari (masalan, pufakchalar, qattiq zarralar) taqlid qilinadi. Eksperimental jarayon davomida suyuqlikning fizik xususiyatlarini (masalan, harorat va bosim) hisobga olish kerak, chunki bu xususiyatlar ultratovush to'lqinining tarqalish tezligiga ta'sir qiladi. Bundan tashqari, haqiqiy muhitdagi shovqin va shovqin ultratovush signalining sifatiga ta'sir qilishi mumkin, bu ham simulyatsiya va tajribalar orqali signalni qayta ishlash algoritmlarini optimallashtirishni talab qiladi.

COMSOL Multifizik simulyatsiya tahlili

Modelni qurish va simulyatsiya tahliliga misol sifatida COMSOL Multiphysics 5.6 dasturini olib, simulyatsiya turli burchaklar, quvur liniyasi materiallari, quvur diametrlari, ultratovush chastotalari va o'rnatish usullarining ultratovush to'lqinlarining tarqalishiga ta'sirini tahlil qilishi mumkin. Ultrasonik oqim o'lchash modelining sxematik diagrammasi 3.6-rasmda ko'rsatilgan. 3D model yechimining hisoblash samaradorligini oshirish uchun biz odatda simmetriyadan butun modelni ifodalash uchun kanalning yarmini simulyatsiya qilish uchun foydalanamiz. Modelni qurish jarayonida turli xil quvur liniyasi materiallarining ultratovush sinishi burchagiga ta'sirini, shuningdek, turli xil quvur diametrlari ostida o'rnatilgan ikkita transduser uchun turli gorizontal siljish masofalarini hisobga olish kerak.

Shakl 3.6 Ultrasonik oqim o'lchovi modelini qurish sxematik diagrammasi

Transduserni o'rnatish usullari

Turli xil quvur diametrlarini o'lchash uchun umumiy talablarni qondirish uchun ultratovush oqimini o'lchashda ultratovushli transduserlarning turli ish chastotalari va turli transduserlarni o'rnatish usullari qo'llanilishi kerak. Theultratovushli oqim o'lchagich turidagi qisqichbu borada alohida afzalliklarni taqdim etadi, chunki u quvurlarni kesish yoki jarayonni toʻxtatishni talab qilmasdan-invaziv boʻlmagan oʻrnatish imkonini beradi. Umumiy oʻrnatish usullari orasida V{2}}shakl, Z-shakl, N{4}}shakl va W-shakl mavjud. Turli transduserlarni o'rnatish usullarining ultratovush to'lqinlarining tarqalish signallariga ta'sirini o'rganish uchun tegishli tadqiqotlar o'tkazish kerak. Ushbu maqolada asosan Z-shakl o'zgartirgichni o'rnatish usulini modellashtirish simulyatsiyasi namuna sifatida qo'llaniladi.

Uzluksiz Galerkin usuli va panjara bo'limi

COMSOL Multiphysics 5.6 da "Convection Equation, Time Domain Explicit" interfeys moduli ishlatiladi va sukut bo'yicha u kvarts funktsiyalari bilan formulaning bir qismini tashkil qiladi. To'lqinli muammolarni hal qilish uchun Uzluksiz Galerkin usuli samarali usul ekanligi isbotlangan. Uzluksiz Galerkin usuli katta modellarda toʻrga boʻlinish masalasini soddalashtiradi, bu esa yarim toʻlqin uzunligi oʻlchamiga ega boʻlgan bepul tetraedral toʻrlardan foydalanishga imkon beradi va nihoyat butun modelni yechiladi. Haqiqiy tarmoq bo'linishida, odatda, tegishli fazoviy ruxsatni olish uchun biz to'r elementining o'lchamini to'lqin uzunligining yarmi va -to'lqin uzunligining uchdan ikki qismi orasidagi istalgan qiymatga o'rnatamiz. Vaqt{7}}domen aniq hal qiluvchidan foydalanganda, ichki vaqt qadami hajmi COMSOL dasturi tomonidan qat'iy nazorat qilinadi, shuning uchun modeldagi eng kichik tarmoq elementi vaqt qadamini boshqaradi. Erkin tetraedral panjara elementlarini o'rnatishda elementlarning maksimal va minimal o'lchamlarini nazorat qilish kerak. COMSOL Multiphysics 5.6 da "Konveksiya tenglamasi" vaqt-domenining aniq interfeysi uchun ichki vaqt qadami tarmoqning aniqlik darajasi va jismoniy xususiyatlaridan kelib chiqib avtomatik ravishda tanlanadi. 3.7-rasmda fon oqimi tezligi va akustikani Z-shaklini oʻrnatish usuli yordamida oʻrganish uchun tarmoq boʻlimi koʻrsatilgan.

(a) Fondagi oqim tezligi (b) Akustika

3.7-rasm Turli vaqtlarda fon oqimi tezligi va akustikani o'rganish uchun tarmoq bo'limi

Jismoniy maydon konfiguratsiyasi

Model tuzilgandan so'ng, jismoniy maydonlarni o'rnatish kerak. Haqiqiy foydalanish paytida quvur liniyasidagi suyuqlikni simulyatsiya qilish uchun quvur liniyasidagi suyuqlik domeni laminar yoki turbulent oqim jismoniy maydon sifatida o'rnatiladi; quvur liniyasidagi suyuqlik domeni, quvur liniyasi va quvur liniyasining har ikki tomonidagi transduserlar ultratovush to'lqinlarining tarqalishini taqlid qilish uchun "Konveksiya tenglamasi, vaqt maydoni aniq" jismoniy maydoni sifatida o'rnatiladi. "Convection Equation, Time Domain Explicit" jismoniy maydonini sozlashda quvur liniyasining uchlari hisoblashni qisqartirish uchun impedans chegaralari sifatida aniqlanadi. Laminar yoki turbulent simulyatsiyalarda suyuqlik kirish joyi chapda, suyuqlik chiqishi esa o'ngda. Abog'langultratovushli oqim o'lchagichkonfiguratsiya quvur liniyasining pastki tomoniga o'rnatilgan ultratovushli uzatuvchi va yuqori tomoniga o'rnatilgan qabul qilgich bilan o'rnatiladi. Ultrasonik to'lqinlarni chiqarish uchun transmitter uchida normal tezlik qo'llaniladi.

Suyuqlik holatini modellashtirish va tahlil qilish

Ultrasonik oqim o'lchash simulyatsiyasi uchun COMSOL Multiphysics 5.6 dasturidan foydalanilganda, avval quvur liniyasidagi suyuqlik holatini modellashtirish va tahlil qilish kerak. Misol tariqasida tashqi diametri 15 mm va devor qalinligi 0,75 mm bo'lgan PVX quvurini olib, laminar va turbulent simulyatsiyalar amalga oshirildi. Ushbu simulyatsiyalar qanday ekanligini tushunish uchun juda muhimdiroqim o'lchagichdagi ultratovushli tasmaturli oqim sharoitlarida ishlaydi. Laminar oqim simulyatsiyasi jismoniy maydonni sozlash uchun COMSOL Multiphysics 5.6 da "Laminar oqim" modulidan, turbulent oqim simulyatsiyasi esa "Turbulent oqim, k-ō" modulidan foydalanadi. 3.8-rasmda laminar va turbulent sharoitda fon oqimi tezligining kattaligi ko'rsatilgan.

3.8-rasmdan ko'rinib turibdiki, laminar oqim sharoitida quvur liniyasining har bir qismidagi oqim tezligi deyarli bir xil, fon suyuqligining o'rtacha oqim tezligiga yaqin. Diagrammaga ko'ra, quvur liniyasining markazidagi chuqurroq rang yuqori oqim tezligini ko'rsatadi.

(a) Laminar oqim (b) Turbulent oqim

3.8-rasm Turli suyuqlik holatlaridagi fon oqimi tezligining kattaligi

Oqim tezligini fonda tahlil qilish

Quvurning har bir qismida oqim tezligini aniqroq ko'rsatish uchun fon oqimi tezligi egri chizig'ini chizish uchun quvur liniyasining bir qismi tanlangan. 3.9-rasmda laminar va turbulent oqim sharoitida fon oqimi tezligi egri chiziqlari ko'rsatilgan.

Tashqi diametri 15 mm va devor qalinligi 0,75 mm bo'lgan PVX quvur uchun simulyatsiya tahlili o'tkazildi. "Laminar oqim" moduli yordamida simulyatsiya natijalari 3.9 (a)-rasmda ko'rsatilgan. Ko'rinib turibdiki, laminar oqim holatida oqim tezligining o'tishi quvur yuzasida faqat 5 mm diapazonda sodir bo'ladi, boshqa joylarda oqim tezligi taxminan 10 m / s ni tashkil qiladi, bu suyuqlik quvur devori yaqinida quvur ishqalanishi tufayli oqimning kechikishini ko'rsatadi. Aksincha, "Turbulent oqim, k-ō" moduli yordamida simulyatsiya natijalari 3.9(b)-rasmda ko'rsatilgan. Ko'rinib turibdiki, o'rtacha oqim tezligi 10 m / s bo'lgan sharoitda quvur devori yaqinidagi oqim tezligi taxminan 4,5 m / s ni tashkil qiladi va quvur liniyasining markazidagi oqim tezligi taxminan 12,2 m / s ga yetishi mumkin, oqim tezligi taqsimoti parabolik shaklni hosil qiladi.

(a) Laminar oqim 

(b) turbulent oqim

3.9-rasm Turli suyuqlik holatlari ostidagi fon oqimi tezligi egri chiziqlari