Pengukur aliran Doppler memanfaatkan efek Doppler, yang merupakan pergeseran frekuensi yang dihasilkan dari gelombang yang dipancarkan oleh atau dipantulkan oleh objek yang bergerak.
Sebuah realisasi umum dari efek Doppler adalah perubahan yang dirasakan dalam frekuensi laporan tanduk dari kendaraan yang bergerak: ketika kendaraan mendekati pendengar, nada tanduk tampaknya lebih tinggi dari biasanya; ketika kendaraan melewati pendengar dan mulai bergerak menjauh, nada klakson tiba-tiba “bergeser ke bawah” ke frekuensi yang lebih rendah.
Pada kenyataannya, frekuensi klakson tidak pernah berubah, tetapi kecepatan kendaraan yang mendekat relatif terhadap pendengar yang diam bertindak untuk “menekan” getaran sonik di udara. Ketika kendaraan bergerak menjauh, gelombang suara "melebar" dari perspektif pendengar.
Efek yang sama terjadi jika gelombang suara ditujukan pada objek yang bergerak, dan frekuensi gema dibandingkan dengan frekuensi yang ditransmisikan (insiden). Jika gelombang yang dipantulkan kembali dari gelembung yang bergerak menuju transduser ultrasonik, frekuensi yang dipantulkan akan lebih besar daripada frekuensi yang datang.
Jika aliran membalikkan arah dan gelombang yang dipantulkan kembali dari gelembung yang bergerak menjauh dari transduser, frekuensi yang dipantulkan akan kurang dari frekuensi kejadian.
Ini cocok dengan fenomena pitch tanduk kendaraan yang tampaknya meningkat ketika kendaraan mendekati pendengar dan tampaknya menurun ketika kendaraan menjauh dari pendengar.
Flowmeter Doppler memantulkan gelombang suara dari gelembung atau bahan partikulat dalam aliran aliran, mengukur pergeseran frekuensi dan menyimpulkan kecepatan fluida dari besarnya pergeseran itu.
Ultrasonic Flow Meter - Doppler Flow meter
Persyaratan untuk menjadi objek dalam aliran aliran yang cukup besar untuk mencerminkan batas gelombang suara Doppler ultrasonik meter aliran untuk aplikasi cair.
Cairan “kotor” seperti bubur dan air limbah, atau cairan yang membawa sejumlah besar gelembung gas (misalnya minuman berkarbonasi) adalah cairan kandidat yang baik untuk teknologi ini.
Adalah tidak realistis untuk mengharapkan bahwa aliran gas apa pun akan membawa tetesan cairan atau benda padat yang cukup besar untuk mencerminkan gema yang kuat, sehingga pengukur aliran Doppler tidak dapat digunakan untuk mengukur aliran gas.
Hubungan matematika antara kecepatan fluida (v) dan pergeseran frekuensi Doppler (Δf) adalah sebagai berikut, untuk kecepatan fluida jauh lebih kecil daripada kecepatan suara melalui cairan itu (v <>
Dimana,
Δf = Pergeseran frekuensi Doppler
v = Kecepatan fluida (sebenarnya, dari partikel yang memantulkan gelombang suara)
f = Frekuensi gelombang suara kejadian
θ = Sudut antara transduser dan garis tengah pipa
c = Kecepatan suara dalam cairan proses
Juga Lihat: Animasi Ultrasonik Flow meter
Perhatikan bagaimana efek Doppler menghasilkan pengukuran langsung kecepatan fluida dari setiap gema yang diterima oleh transduser.
Hal ini sangat kontras dengan pengukuran jarak berdasarkan lampu waktu mati (time domain reflectometry - di mana jumlah waktu antara pulsa insiden dan gema yang dikembalikan sebanding dengan jarak antara transduser dan permukaan pantulan)
seperti dalam penerapan pengukuran tingkat cairan ultrasonik. Dalam flowmeter Doppler, waktu tunda antara kejadian dan pulsa pantulan tidak relevan. Hanya pergeseran frekuensi antara insiden dan sinyal pantulan yang penting.
Pergeseran frekuensi ini juga berbanding lurus dengan kecepatan aliran, menjadikan Doppler ultrasonik flowmeter sebagai perangkat pengukuran linier.
Mengatur ulang persamaan pergeseran frekuensi Doppler untuk menyelesaikan kecepatan (sekali lagi, dengan asumsi v <>
Mengetahui bahwa laju aliran volumetrik sama dengan produk dari area pipa dan kecepatan rata-rata fluida (Q = Av), kita dapat menulis ulang persamaan untuk secara langsung menyelesaikan untuk laju aliran dihitung (Q):
Pertimbangan yang sangat penting untuk pengukuran aliran ultrasonik Doppler adalah kalibrasi flow meter bervariasi dengan kecepatan suara melalui cairan (c).
Ini mudah terlihat dengan adanya c dalam persamaan di atas: ketika c meningkat, Δf harus menurun secara proporsional untuk setiap laju aliran volumetrik tetap Q.
Karena flowmeter dirancang untuk secara langsung menginterpretasikan laju aliran dalam hal Δf, peningkatan c yang menyebabkan penurunan Δf dengan demikian akan mendaftar sebagai penurunan Q.
Ini berarti kecepatan suara untuk fluida harus diketahui secara tepat agar flowmeter ultrasonik Doppler dapat mengukur aliran secara akurat.
Kecepatan suara melalui cairan apa pun adalah fungsi dari kepadatan medium dan modulus curah (betapa mudahnya kompres):
Dimana,
c = kecepatan suara dalam suatu material (meter per detik)
B = Modulus massal (pascals, atau newton per meter persegi)
ρ = Massa massa cairan (kilogram per meter kubik)
Suhu mempengaruhi kerapatan cairan, dan komposisi (unsur kimia cairan) mempengaruhi modulus curah. Dengan demikian, suhu dan komposisi keduanya merupakan faktor yang mempengaruhi kalibrasi flowmeter ultrasonik Doppler.
Tekanan bukan masalah di sini, karena tekanan hanya memengaruhi kepadatan gas, dan kita sudah tahu flowmeters Doppler hanya berfungsi dengan cairan.
Mengikuti tema yang membutuhkan gelembung atau partikel dengan ukuran yang cukup, batasan lain dari pengukur aliran ultrasonik Doppler adalah ketidakmampuan mereka untuk mengukur laju aliran cairan yang terlalu bersih dan terlalu homogen. Dalam aplikasi semacam itu, pantulan gelombang suara akan terlalu lemah untuk dapat diukur dengan andal.
Demikian juga halnya ketika partikel padat memiliki kecepatan suara yang terlalu dekat dengan cairan, karena pantulan hanya terjadi ketika gelombang suara menemukan bahan dengan kecepatan suara yang sangat berbeda.
Flowmeters ultrasonik tipe Doppler tidak berguna dalam aplikasi di mana kita tidak bisa mendapatkan pantulan gelombang suara yang kuat.
Flowmeters waktu-transit, kadang-kadang disebut flowmeters kontra-propagasi, adalah alternatif dari flowmeters ultrasonik Doppler.
Flowmeter ultrasonik waktu transit menggunakan sepasang sensor yang berlawanan untuk mengukur perbedaan waktu antara pulsa suara yang bepergian dengan aliran fluida versus pulsa suara yang bergerak melawan aliran fluida.
Karena gerakan fluida cenderung membawa gelombang suara, pulsa suara yang ditransmisikan ke hilir akan membuat perjalanan lebih cepat daripada pulsa suara yang dikirim ke hulu:
Pengukur aliran waktu transit
Laju aliran volumetrik melalui flow-time transit-waktu adalah fungsi sederhana dari waktu propagasi hulu dan hilir:
Dimana,
Q = Laju aliran volumetrik yang dihitung
k = Konstan proporsionalitas
t up = Waktu untuk pulsa suara untuk melakukan perjalanan dari lokasi hilir ke lokasi hulu (hulu, melawan arus)
t down = Waktu untuk pulsa suara untuk melakukan perjalanan dari lokasi hulu ke lokasi hilir (hilir, dengan aliran)
Karakteristik yang menarik dari pengukuran kecepatan waktu transit adalah rasio perbedaan waktu transit dari produk waktu transit tetap konstan dengan perubahan kecepatan suara melalui fluida.
Jika Anda ingin membuktikan ini pada diri Anda sendiri, Anda dapat melakukannya dengan mengganti panjang jalur (L), kecepatan fluida (v), dan kecepatan suara (c) untuk waktu dalam rumus aliran. Gunakan tup = L / (c − v) dan tdown = L / (c + v) sebagai substitusi Anda, kemudian aljabar mengurangi rumus aliran sampai Anda menemukan bahwa semua ketentuan c dibatalkan. Hasil akhir Anda harus Q = 2kv / L.
Ketika persamaan ini dimasukkan ke dalam panjang jalur (L), kecepatan fluida (v), dan kecepatan suara (c), persamaan menyederhanakan menjadi Q = 2kv / L, membuktikan bahwa meter aliran waktu transit adalah linier seperti halnya Flowmeter Doppler, dengan keuntungan kebal terhadap perubahan kecepatan suara cairan.
Perubahan dalam modulus curah yang dihasilkan dari perubahan komposisi fluida, atau perubahan densitas yang dihasilkan dari variasi komposisi, suhu, atau tekanan karenanya memiliki sedikit pengaruh pada akurasi meter aliran waktu transit.
Tidak hanya flow-time ultrasonik flow meter kebal terhadap perubahan kecepatan suara, tetapi mereka juga dapat mengukur kecepatan sonik yang independen dari laju aliran.
Persamaan untuk menghitung kecepatan suara berdasarkan waktu propagasi hulu dan hilir adalah sebagai berikut:
Dimana,
c = Kecepatan suara yang dihitung dalam fluida
L = Panjang jalur
t up = Waktu untuk pulsa suara untuk melakukan perjalanan dari lokasi hilir ke lokasi hulu (hulu, melawan arus)
t down = Waktu untuk pulsa suara untuk melakukan perjalanan dari lokasi hulu ke lokasi hilir (hilir, dengan aliran)
Meskipun tidak diperlukan atau bahkan sangat relevan untuk tujuan langsung pengukuran aliran, kesimpulan kecepatan suara fluida ini tetap berguna sebagai alat diagnostik. Jika kecepatan suara sebenarnya untuk fluida diketahui baik dengan pengukuran laboratorium langsung sampel atau dengan analisis kimia sampel, kecepatan ini dapat dibandingkan dengan kecepatan suara meteran yang dilaporkan untuk memeriksa keakuratan waktu pengukuran absolut meter aliran itu. . Masalah-masalah tertentu dalam sensor atau dalam elektronik sensor dapat dideteksi dengan cara ini.
Suatu persyaratan untuk operasi yang andal dari flow meter ultrasonik waktu-transit adalah bahwa fluida proses bebas dari gelembung gas atau partikel padat yang dapat menghamburkan atau menghalangi gelombang suara.
Perhatikan bahwa ini adalah persyaratan yang berlawanan dari meter aliran ultrasonik Doppler, yang membutuhkan gelembung atau partikel untuk memantulkan gelombang suara.
Persyaratan yang berlawanan ini dengan rapi membedakan aplikasi yang cocok untuk meter aliran waktu transit dari aplikasi yang cocok untuk meter aliran Doppler, dan juga meningkatkan kemungkinan menggunakan meter aliran ultrasonik waktu transit pada aliran aliran gas serta pada aliran aliran cairan.
