बाहरी क्लैंप अल्ट्रासोनिक फ्लो मीटर सिमुलेशन अध्ययन: डिज़ाइन अनुकूलन, सटीकता में सुधार - ज्ञान

बाहरी क्लैंप अल्ट्रासोनिक फ्लो मीटर का सिमुलेशन अध्ययन

बाह्य का अनुकरण अध्ययनदबानाअल्ट्रासोनिक प्रवाह मीटरइसमें फ्लो मीटर के डिजाइन को अनुकूलित करने, माप सटीकता में सुधार करने या विभिन्न परिचालन स्थितियों के तहत इसके प्रदर्शन का मूल्यांकन करने के लिए इसके कार्य सिद्धांत और प्रदर्शन का मॉडलिंग और अनुकरण करना शामिल है।

संख्यात्मक सिमुलेशन मॉडलिंग

संख्यात्मक सिमुलेशन मॉडलिंग को द्रव प्रवाह और अल्ट्रासोनिक तरंग प्रसार के लिए गणितीय मॉडल स्थापित करने के लिए लागू किया जाता है, जिसमें द्रव गतिशीलता समीकरण और ध्वनिक समीकरण शामिल हैं। कम्प्यूटेशनल फ्लूइड डायनेमिक्स (सीएफडी) उपकरण का उपयोग द्रव प्रवाह को मॉडल करने के लिए किया जाता है। ये उपकरण अशांति, प्रवाह वेग वितरण आदि का अनुकरण कर सकते हैं और अल्ट्रासोनिक तरंग प्रसार के प्रभाव का विश्लेषण कर सकते हैं। सीएफडी के आधार पर, अल्ट्रासोनिक सिग्नल के प्रसार और प्रतिबिंब को अनुकरण करने के लिए ध्वनिक विश्लेषण किया जाता है। इसे पूरा करने के लिए ध्वनिक सिमुलेशन सॉफ़्टवेयर (जैसे COMSOL मल्टीफ़िज़िक्स में ध्वनिक मॉड्यूल) का उपयोग किया जा सकता है। विभिन्न परिस्थितियों में इसके प्रदर्शन को समझने के लिए अल्ट्रासोनिक सेंसर संरचना का परिमित तत्व विश्लेषण (एफईए) किया जाता है। एफईए माप परिणामों पर थर्मल विस्तार, कंपन आदि के प्रभावों का विश्लेषण करने में मदद करता है। अल्ट्रासोनिक ट्रांसमिशन पर इसके प्रभाव का मूल्यांकन करने के लिए सिमुलेशन में सेंसर और पाइपलाइन के बीच संपर्क पर विचार किया जाता है।

प्रयोगशाला सत्यापन और अनुकूलन

प्रयोगशाला में, वास्तविक प्रवाह माप के लिए एक प्रवाह परीक्षण बेंच का उपयोग किया जाता है, और सिमुलेशन मॉडल की सटीकता को सत्यापित करने के लिए परिणामों की तुलना सिमुलेशन परिणामों से की जाती है। भविष्यवाणी सटीकता में सुधार के लिए सिमुलेशन मॉडल के मापदंडों को प्रयोगात्मक परिणामों के आधार पर समायोजित किया जाता है। सिमुलेशन के माध्यम से, माप सटीकता और स्थिरता में सुधार के लिए सेंसर की स्थिति, स्थिरता डिजाइन और स्थापना विधि को अनुकूलित किया जाता है। उचित पालनअल्ट्रासोनिक फ्लो मीटर स्थापना दिशानिर्देशों पर क्लैंपइस अनुकूलन प्रक्रिया के दौरान यह महत्वपूर्ण है, क्योंकि गलत स्थापना माप की सटीकता को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित कर सकती है। प्रवाह मीटर के प्रदर्शन पर उनके प्रभाव का मूल्यांकन करने के लिए सिमुलेशन में विभिन्न दोष स्थितियों (जैसे बुलबुले, ठोस कण) का अनुकरण किया जाता है। प्रायोगिक प्रक्रिया के दौरान, तरल पदार्थ के भौतिक गुणों (जैसे तापमान और दबाव) पर विचार करने की आवश्यकता होती है, क्योंकि ये गुण अल्ट्रासोनिक तरंग प्रसार की गति को प्रभावित करते हैं। इसके अलावा, वास्तविक वातावरण में शोर और हस्तक्षेप अल्ट्रासोनिक सिग्नल की गुणवत्ता को प्रभावित कर सकता है, जिसके लिए सिमुलेशन और प्रयोगों के माध्यम से सिग्नल प्रोसेसिंग एल्गोरिदम के अनुकूलन की भी आवश्यकता होती है।

COMSOL मल्टीफ़िज़िक्स सिमुलेशन विश्लेषण

मॉडल निर्माण और सिमुलेशन विश्लेषण के लिए एक उदाहरण के रूप में COMSOL मल्टीफ़िज़िक्स 5.6 सॉफ़्टवेयर लेते हुए, सिमुलेशन अल्ट्रासोनिक तरंग प्रसार पर विभिन्न कोणों, पाइपलाइन सामग्री, पाइप व्यास, अल्ट्रासोनिक आवृत्तियों और स्थापना विधियों के प्रभाव का विश्लेषण कर सकता है। अल्ट्रासोनिक प्रवाह माप मॉडल का योजनाबद्ध आरेख चित्र 3.6 में दिखाया गया है। 3डी मॉडल समाधान की कम्प्यूटेशनल दक्षता में सुधार करने के लिए, हम आमतौर पर पूरे मॉडल का प्रतिनिधित्व करने के लिए चैनल के आधे हिस्से का अनुकरण करने के लिए समरूपता का उपयोग करते हैं। मॉडल निर्माण प्रक्रिया के दौरान, अल्ट्रासोनिक अपवर्तन कोण पर विभिन्न पाइपलाइन सामग्रियों के प्रभाव पर विचार किया जाना चाहिए, साथ ही विभिन्न पाइप व्यास के तहत स्थापित दो ट्रांसड्यूसर के लिए अलग-अलग क्षैतिज विस्थापन दूरी पर भी विचार किया जाना चाहिए।

Schematic Diagram of Ultrasonic Flow Measurement Model Construction

चित्र 3.6 अल्ट्रासोनिक प्रवाह मापन मॉडल निर्माण का योजनाबद्ध आरेख

ट्रांसड्यूसर स्थापना के तरीके

विभिन्न पाइप व्यास को मापने के लिए सामान्य आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए, अल्ट्रासोनिक प्रवाह माप में अल्ट्रासोनिक ट्रांसड्यूसर की विभिन्न कार्य आवृत्तियों और विभिन्न ट्रांसड्यूसर स्थापना विधियों का उपयोग किया जाना चाहिए।टाइप अल्ट्रासोनिक फ्लो मीटर पर क्लैंपइस संबंध में विशेष लाभ प्रदान करता है, क्योंकि यह पाइप काटने या प्रक्रिया बंद करने की आवश्यकता के बिना गैर-इनवेसिव इंस्टॉलेशन की अनुमति देता है। सामान्य स्थापना विधियों में V{{2}आकार, Z-आकार, N{{4}आकार, और W-आकार शामिल हैं। अल्ट्रासोनिक तरंग प्रसार संकेतों पर विभिन्न ट्रांसड्यूसर स्थापना विधियों के प्रभाव का अध्ययन करने के लिए, संबंधित अनुसंधान करना आवश्यक है। यह आलेख मुख्य रूप से प्रदर्शन के लिए एक उदाहरण के रूप में Z-आकार ट्रांसड्यूसर इंस्टॉलेशन विधि मॉडलिंग सिमुलेशन का उपयोग करता है।

असंतत गैलेरकिन विधि और ग्रिड प्रभाग

COMSOL मल्टीफ़िज़िक्स 5.6 में, "संवहन समीकरण, समय डोमेन स्पष्ट" इंटरफ़ेस मॉड्यूल का उपयोग किया जाता है, और डिफ़ॉल्ट रूप से, यह चतुर्थक कार्यों के साथ सूत्र का हिस्सा बनता है। तरंग समस्याओं को हल करने के लिए, डिसकंटिन्यूअस गैलेर्किन विधि एक कुशल विधि साबित हुई है। डिसकंटिन्यूअस गैलेर्किन विधि बड़े मॉडलों में ग्रिड विभाजन समस्या को सरल बनाती है, जिससे आधे तरंगदैर्घ्य आकार के साथ मुफ्त टेट्राहेड्रल ग्रिड का उपयोग करने की अनुमति मिलती है, और अंत में पूरे मॉडल को हल किया जाता है। वास्तविक ग्रिड डिवीजन में, हम आम तौर पर उचित स्थानिक रिज़ॉल्यूशन प्राप्त करने के लिए ग्रिड तत्व आकार को तरंग दैर्ध्य के आधे और तरंग दैर्ध्य के दो -तिहाई के बीच किसी भी मान पर सेट करते हैं। टाइम{{7}डोमेन स्पष्ट सॉल्वर का उपयोग करते समय, आंतरिक समय चरण आकार को COMSOL सॉफ़्टवेयर द्वारा कड़ाई से नियंत्रित किया जाता है, इसलिए मॉडल में सबसे छोटा ग्रिड तत्व समय चरण को नियंत्रित करता है। मुक्त टेट्राहेड्रल ग्रिड तत्वों को सेट करते समय, अधिकतम और न्यूनतम तत्व आकार को नियंत्रित किया जाना चाहिए। COMSOL मल्टीफ़िज़िक्स 5.6 में, "संवहन समीकरण" समय-डोमेन स्पष्ट इंटरफ़ेस के लिए, ग्रिड के शोधन स्तर और भौतिक गुणों के आधार पर आंतरिक समय चरण स्वचालित रूप से चुना जाता है। चित्र 3.7 Z आकार स्थापना विधि का उपयोग करके पृष्ठभूमि प्रवाह वेग और ध्वनिकी का अध्ययन करने के लिए ग्रिड विभाजन दिखाता है।

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

(ए) पृष्ठभूमि प्रवाह वेग (बी) ध्वनिकी

चित्र 3.7 अलग-अलग समय पर पृष्ठभूमि प्रवाह वेग और ध्वनिकी का अध्ययन करने के लिए ग्रिड डिवीजन

भौतिक क्षेत्र विन्यास

मॉडल के निर्माण के बाद, भौतिक फ़ील्ड सेट करने की आवश्यकता होती है। वास्तविक उपयोग के दौरान पाइपलाइन में तरल पदार्थ का अनुकरण करने के लिए पाइपलाइन में तरल डोमेन को लैमिनर या अशांत प्रवाह भौतिक क्षेत्र के रूप में सेट किया गया है; पाइपलाइन में तरल डोमेन, पाइपलाइन और पाइपलाइन के दोनों किनारों पर ट्रांसड्यूसर को अल्ट्रासोनिक तरंगों के प्रसार को अनुकरण करने के लिए "संवहन समीकरण, समय डोमेन स्पष्ट" भौतिक क्षेत्र के रूप में सेट किया गया है। "संवहन समीकरण, समय डोमेन स्पष्ट" भौतिक फ़ील्ड सेटअप में, गणना को छोटा करने के लिए पाइपलाइन के सिरों को प्रतिबाधा सीमाओं के रूप में परिभाषित किया गया है। लैमिनर या अशांत सिमुलेशन में, द्रव इनलेट बाईं ओर है, और द्रव आउटलेट दाईं ओर है। एपट्टा लगाओअल्ट्रासोनिक प्रवाह मीटरकॉन्फ़िगरेशन को पाइपलाइन के नीचे की तरफ स्थापित एक अल्ट्रासोनिक ट्रांसमीटर और ऊपर की तरफ स्थापित एक रिसीवर के साथ स्थापित किया जाता है। अल्ट्रासोनिक तरंगें उत्सर्जित करने के लिए ट्रांसमीटर सिरे पर एक सामान्य वेग लगाया जाता है।

द्रव अवस्था मॉडलिंग और विश्लेषण

अल्ट्रासोनिक प्रवाह माप सिमुलेशन के लिए COMSOL मल्टीफ़िज़िक्स 5.6 सॉफ़्टवेयर का उपयोग करते समय, पाइपलाइन में द्रव स्थिति को पहले मॉडल और विश्लेषण करने की आवश्यकता होती है। उदाहरण के तौर पर 15 मिमी के बाहरी व्यास और 0.75 मिमी की दीवार की मोटाई के साथ एक पीवीसी पाइप लेते हुए, लैमिनर और अशांत सिमुलेशन का प्रदर्शन किया गया। ये सिमुलेशन यह समझने के लिए आवश्यक हैं कि कैसेफ्लो मीटर पर अल्ट्रासोनिक पट्टाविभिन्न प्रवाह स्थितियों के तहत कार्य करता है। लैमिनर फ्लो सिमुलेशन भौतिक क्षेत्र सेटअप के लिए COMSOL मल्टीफिजिक्स 5.6 में "लैमिनर फ्लो" मॉड्यूल का उपयोग करता है, और अशांत प्रवाह सिमुलेशन "टर्बुलेंट फ्लो, के -ω" मॉड्यूल का उपयोग करता है। चित्र 3.8 लैमिनर और अशांत स्थितियों के तहत पृष्ठभूमि प्रवाह वेग की भयावहता को दर्शाता है।

चित्र 3.8 से, यह देखा जा सकता है कि लामिना प्रवाह स्थितियों के तहत, पाइपलाइन के प्रत्येक भाग में प्रवाह वेग लगभग एक समान है, जो पृष्ठभूमि द्रव के औसत प्रवाह वेग के करीब है। आरेख के अनुसार, पाइपलाइन के केंद्र में गहरा रंग उच्च प्रवाह वेग को इंगित करता है।

Magnitude of Background Flow Velocity Under Different Fluid States

(ए) लैमिनर फ्लो (बी) अशांत प्रवाह

चित्र 3.8 विभिन्न द्रव अवस्थाओं के अंतर्गत पृष्ठभूमि प्रवाह वेग का परिमाण

पृष्ठभूमि प्रवाह वेग विश्लेषण

पाइपलाइन के प्रत्येक भाग में प्रवाह वेग को अधिक स्पष्ट रूप से प्रदर्शित करने के लिए, पृष्ठभूमि प्रवाह वेग वक्र को प्लॉट करने के लिए पाइपलाइन के एक खंड का चयन किया गया था। चित्र 3.9 लैमिनर और अशांत प्रवाह स्थितियों के तहत पृष्ठभूमि प्रवाह वेग वक्र दिखाता है।

15 मिमी के बाहरी व्यास और 0.75 मिमी की दीवार की मोटाई वाले पीवीसी पाइप के लिए, सिमुलेशन विश्लेषण आयोजित किया गया था। "लैमिनर फ्लो" मॉड्यूल का उपयोग करके सिमुलेशन परिणाम चित्र 3.9(ए) में दिखाए गए हैं। यह देखा जा सकता है कि लामिना प्रवाह स्थिति में, प्रवाह वेग संक्रमण पाइप की सतह पर केवल 5 मिमी की सीमा के भीतर होता है, जबकि अन्य स्थानों पर प्रवाह वेग लगभग 10 मीटर/सेकेंड होता है, जो दर्शाता है कि पाइप घर्षण के कारण पाइप की दीवार के पास द्रव प्रवाह अंतराल का अनुभव करता है। इसके विपरीत, "टर्बुलेंट फ्लो, k-ω" मॉड्यूल का उपयोग करके सिमुलेशन परिणाम चित्र 3.9(बी) में दिखाए गए हैं। यह देखा जा सकता है कि 10 मीटर/सेकेंड की औसत प्रवाह वेग की स्थिति के तहत, पाइप की दीवार के पास प्रवाह वेग लगभग 4.5 मीटर/सेकेंड है, और पाइपलाइन के केंद्र में प्रवाह वेग लगभग 12.2 मीटर/सेकेंड तक पहुंच सकता है, प्रवाह वेग वितरण एक परवलयिक आकार बनाता है।

Laminar Flow