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

sekoittimissa • Viemärijärjestelmät• Kemialliset prosessit• Öljyteollisuus• Elintarviketeollisuus

Miten se toimii?

10/19/2010

4

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 …

Este: alhaisempi paikkaerotuskyky,pienempi nopeuserotuskyky … !

Aikaerotuskyky

prf

rep

FN

T

T keskimääräinen jakautuman mittausaikaNrep jakautumien mittausten lukumäärä (oletus = 32)Fprf pulssien toistotaajuus

Jokainen nopeusjakautuma mitataan monta kertaa ja keskiarvoistetaan

10/19/2010

13

UÄ-mittauksen lohkokaavio

Tran

sduc

ers

LAN Network

Storage

INTERFACE MEASURE

PC

Interface ControllerPC

DSP

AD

Analog

UÄ-mittauksen ohjelmistojen tehtävät

• Tiedon keräyksen & talletuksen hallinta• Tiedon muokkaaminen ja analysointi (RMS, vinous,

huipukkuus, histogrammit, risti-korrelaatio, auto-korrelaatio, tehospektri, vaihekeskiarvoittaminen ja muuta)

• Virtauksen kartoitus ja laskelmat• Tiedonsiirto muihin ohjelmiin

10/19/2010

14

UÄ-ohjelmisto

Ultraäänisäteen ominaisuudet

10/19/2010

15

Ultra-ääniaalto• Taajuus yleensä 100 kHz to 50 MHz• nesteissä – käsitellään pitkittäisaaltoja

- sarja tiivistyksiä• Perusaaaltoyhtälöt pätevät• Aallonpituus

= c / fAallonpituus [m]

c Äänen nopeus [m/s]f Ultra-äänen taajuus [Hz]

Akustinen impedanssi

• Akustiikan perustava aineominaisuus• Aineen tiheyden ja äänen nopeuden tulo• Ilmaistaan ‘Rayleigh’ (‘Ray’ or ‘Mray’)

yksikössä

Z = * cZ akustinen impedanssi [kg m-2 s-1]

materiaalin tiheys [kg/m3]c äänen nopeus [m/s]

10/19/2010

16

Taittuminen materiaalien rajapinnassa(Fresnel’s law)

MEDIUM 1

MEDIUM 2

1 1

2

incident wave reflected wave

refracted wave

(C1 < C2)

2

1

2

1

sinsin

cc

Kriittinen kulma

• Kriittisessä kulmassa tuleva aalto on kokonaan heijastunut (‘kokonaisheijastus’), mitään ei tule läpi

• Jos mittaat seinämän läpi niin tarkista aina kriittisen kulman arvo!

• kun 2 = 90° niin silloin vastaavaa 1kutsutaan ‘kriittiseksi kulmaksi’

2

111 sin

cc

10/19/2010

17

Energian absorpoituminen - ‘Beer’in laki’

• Akustisen aallon tunkeutuessa materiaan osa energiasta menetetään (sironta, absorptio)

• Vaimeneneminen on eksponentiaalista etäisyyden suhteen • Absorptiokerroin riippuu materiaalista, UÄ:n taajuudesta,

lämpötilasta…

)exp()( 0 zpzpP akustinen painep0 akustisen paineen

referenssi lähettimelläabsorbtiokerroin(myös ‘absorbtiviteetti’)

Lähettimet ja niiden ominaisuudet

10/19/2010

18

Mitä ultra-äänilähetin tekee?

• Laite joka kykenee muuttamaan sähköisen signaalin ultra-äänivärähtelyiksi (-aalloiksi)

• Se lähettää nämä aallot ympäristöönsä ‘aktiivisen pintansa läpi´

• Ja käänteisesti, lähetin toimii UÄ aaltojen vastaanottimena ja muuttaa ne sähköiseksi signaaliksi

Ultra-ääni lähettimen rakenne

Backing

Active ElementWear Plate

Electrodes

CasingBushing

Cable Impedance-matchingresistor

10/19/2010

19

Lähettimen kuva

Met-Flow lähetin 4 MHz

Lähettimen aikaansaama äänikenttä

10/19/2010

20

UÄ –säteen kuva

Lähikentän ulottuvuus

• Lähialueella äänikenttä on epäsäännöllinen• Lähialueella UNJ:n mittaus on vaikeaa• Älä käytä lähialuetta mittaukseen!

cfDN

40

2 N lähikentän pituus [m]D aktiivisen elementin halkaisija [m]f0 ultra-äänen perustaajuus [Hz]c äänen nopeus [m/s]

10/19/2010

21

Esimerkkejä lähialueen kentän pituudesta

Near Field length N [mm] in water (c = 1 480 m/s)Transducerdiameter D

[mm]f = 1 MHz = 1.48 mm

f = 2 MHz = 0.74 mm

f = 4 MHz = 0.37 mm

f = 8 MHz = 0.19 mm

1 0.17 0.35 0.7 1.4

2 0.7 1.4 2.7 5.4

4 2.7 5.4 10.8 21.6

5 4.2 8.4 16.9 33.8

8 10.8 21.6 43.2 86.5

10 16.9 33.8 67.6 135.1

20 67.6 135.1 270.3 540.5

Seinien lähialueet

• Seinien lähellä mittaukseen tulee virhettä• Partikkelien määrä vaikuttaa mittauksen

onnistumiseen

10/19/2010

22

UÄ-säteen hajaantuminen

• Tämä säteen hajaantuminen pätee vain kaukana lähettimestä

• Tärkein parametri on /D• Samalla lähettimen halkaisijalla, korkeilla

lähetystaajuuksilla on pienin hajaantuminen• Samalla lähetystaajuudella alhaisen lähetystaajuuden

lähettimillä on suurempi halkaisija

D51.0sin 1

0

0 hajaantumisen puolikulma(-6 dB vähenemiselle)UÄ:n aallonpituus

D lähettimen aktiivinen halkaisija

Esimerkkejä UÄ säteen hajaantumisestaFar Field beam divergence [ ] in water(c = 1 480 m/s, for -6 dB intensity drop)

Transducerdiameter D

[mm]f = 1 MHz = 1.48 mm

f = 2 MHz = 0.74 mm

f = 4 MHz = 0.37 mm

f = 8 MHz = 0.19 mm

1 49.0 22.2 10.9 5.4

2 22.2 10.9 5.4 2.7

4 10.9 5.4 2.7 1.4

5 8.7 4.3 2.2 1.08

8 5.4 2.7 1.4 0.68

10 4.3 2.2 1.08 0.54

20 2.2 1.1 0.54 0.27

10/19/2010

23

UNJ-lähettimeltä vaaditaan

• Hyvää sopeutuvuutta - kykyä lähettää lyhyitä pulsseja ja kykyä siirtyä lähettimestä vastaanottimeksi

• Hyvää tehokkuutta sähköisen signaalin muuttamisessa akustiseksi

• Hyvää mekaanisen symmetria-akselin ja säteen symmetria-akselin yhteensopivuutta

• Mekaanista robustisuutta • Pitkän ajan vedenkestävyyttä, elohopea, kemikaalit • Korkeiden lämpötilojen kestävyyttä

Siroavat partikkelit

10/19/2010

24

Sirontapartikkelien ominaisuudet

• UNJ mittaa ainoastaan partikkelien siroamaa säteilyä

• Jos ei ole partikkeleita, ei ole myöskään signaalia mittausta varten

• Useimmissa nesteissä on luonnostaan partikkeleita• Joskus on tarpeen lisätä partikkeleita• Partikkelien halkaisijan tulisi olla suurempia kuin

/4• Partikkeleillä tulisi olla sama ominaistiheys kuin

virtaavalla väliaineella, mutta eri akustinen impedanssi

Virtauskentän kartoitus

10/19/2010

25

Mittaus usealla lähettimellä

• Lähetin mittaa ainoastaan nopeusjakautuman projektion lähettimen aksiaalisuunnassa

• Täydellisen 2D mittauksen suorittamiseen yhdessä pisteessä tarvitaan vähintään kaksi lähetintä

• Useamman lähettimen avulla on mahdollista mitata täydellinen 2D virtauskenttä

• Lähettimet voidaan multipleksoida yhteen UNJ-prosessoriin reaaliajassa

Nopeusvektorin yhdistäminen ortogonaalisesti

10/19/2010

26

Lähettimen mittaushila

Nopeuksien tulosvektorikenttä

10/19/2010

27

Käytännön nopeuskentät

• Yritä virtauskentän kartoitusta vasta kun olet todella tutustunut UNJ mittaukseen

• Vaikka virtauskentän mittaus 3D:ssä on teoreettisesti mahdollista, se ei ole käytännöllistä

• Kahden minkä tahansa lähettimen risteyskohdassa on mahdollista mitata kaksi nopeuskomponettia

• Pienet kohtaamiskulmat aiheuttavat suuren mittausepävarmuuden

Esimerkkejä ultra-ääni-nopeusmittauksen sovellutuksista

10/19/2010

28

Joen uoman eroosion tutkimus

Vesiturbiinin sisään/ulostulo-virtaukset

10/19/2010

29

Nestemäisen suklaan virtausmittaukset

Jäteveden käsittelylaitoksen sedimentaatioaltaan mallin virtausmittaukset

10/19/2010

30

Maigraugen vesivoimalaitoksen mallikokeet

Käymistankin virtausmittaukset

10/19/2010

31

Vedenkäsittelylaitoksen altaat

Nestekaasusäiliöt