19131

۱۹۱۳۱

شبيه سازي عملكرد سنسور پيزوالكتريك در كنتور التراسونيك مايع

كارشناسي ارشد

مدلسازي، شبيه سازي و كنترل فرآيندها

1396/12/21

دكتر سيد حسن هاشم آبادي

مهندسي شيمي، نفت و گاز

استفاده از جريان¬سنج¬هاي اولتراسونيك در حال گسترش بوده و اكثريت بر اين باورند كه اين نسل از تكنولوژي در هر كاربرد و هر محلي، از دقت بالايي برخوردار بوده و بر انواع ديگر جريان¬سنج¬هاي قديمي ارجحيت دارند. در همين راستا در پژوهش حاضر، عملكرد سنسور پيزوالكتريك در كنتور التراسونيك مايع به صورت عددي بررسي شده است. براي ابزارهاي اندازه¬گيري التراسونيك از هر نوع، ترانسديوسرهاي آكوستيكي معمولاً از مهم¬ترين قسمت¬هاي سيستم مي¬باشند، كه ممكن است به طور قابل ملاحظه¬اي دقت يا قابليت اجراي يك سيستم را تحت تأثير قرار دهند. كار كنوني از طريق نياز به افزايش فهم تئوري و ابزارهاي مدلسازي در ارتباط با شبيه¬سازي مبدل آغاز شده است، به ويژه مبدل¬هاي التراسونيك براي استفاده در فلومترهاي مايع التراسونيك زمان گذر. جهت بررسي تأثير پارامتر¬هاي مختلف بر عملكرد سنسور پيزوالكتريك در فلومتر التراسونيك، پژوهش به صورت عددي انجام شد. در پژوهش عددي، مدلسازي عملكرد سنسور پيزوالكتريك درون كنتور التراسونيك، به سه زير مدل تقسيم شد. قسمت¬هايي كه مبدل¬هاي پيزوالكتريك را مدل مي¬كنند از FEM (متداول) معمول استفاده مي¬كنند، در حالي¬كه انتشار موج اولتراسونيك توسط روش DG مدلسازي مي¬شود. نتايج حاصل از پژوهش عددي براي بررسي تأثير دماي سيالات (آب، نمونه¬هاي نفت خام سبك، سنگين و متوسط) بر روي عملكرد سنسور پيزوالكتريك بهينه، در تطابق با نتايج گزارش شده توسط ديگر پژوهشگران مي¬باشد. در ميان 6 نوع ماده پيزوالكتريك مورد استفاده قرار گرفته در اين پژوهش، پيزوالكتريك با ماده PZT-5H، به¬عنوان پيزوالكتريك بهينه انتخاب شد، دليل انتخاب اين پيزوالكتريك اين مي¬باشد كه ماكزيمم ولتاژ بيشتري نسبت به ساير پيزوالكتريك¬ها در چهار سيال گوناگون (آب، نمونه¬هاي نفت خام سبك، سنگين و متوسط) توليد مي¬كند. سرعت جريان آب شبيه¬سازي شده درون فلومتر توسط مدل k-ε استاندارد، قابل قبول مي¬باشد، زيرا خطاي ايجاد شده (69/5 %) در مقايسه با مقدار اصلي كم مي¬باشد. با بكارگيري 6 نوع ماده مختلف به عنوان لايه تطبيق¬گر امپدانس به صورت جداگانه، نتيجه¬اي كه حاصل شد اين بود كه لايه مچينگ امپدانس از نوع اپوكسي براي سنسور پيزوالكتريك درون آب و نفت خام سنگين مناسب مي¬باشد؛ زيرا 50 درصد قدرت سيگنال¬ها را درون سيالات مذكور افزايش مي¬دهد. همچنين استفاده از پلي¬استر به¬عنوان لايه تطبيق¬گر امپدانس براي مبدل پيزوالكتريك بهينه درون نمونه¬هاي نفت خام سبك و متوسط، به ميزان 60 درصد راندمان سيگنال¬هاي ايجاد شده توسط مبدل را افزايش مي¬دهد. واژه‌هاي كليدي: پيزوالكتريك، لايه تطبيق¬گر، سرعت صوت، كنتور التراسونيك، زمان¬ گذر (انتقال)

1397/04/06

Simulation of the Performance of Piezoelectric Transducer in Liquid Ultrasonic Flowmeter

6/27/2018 12:00:00 AM

The use of ultrasonic flow meters is expanding, and the majority believe that this kind of technology has high precision in every application and every local, and is superior to other types of current meters. In the present study, the piezoelectric sensor's performance in the liquid ultrasonic flow meter is numerically investigated. For implement of ultrasonic measurement of any type, acoustic transducers are usually the most important parts of the system, which can significantly affect the accuracy or functionality of a system. The current numerical work has begun through the need to increase the understanding of the theory and modeling tools in relation to the simulation of the transducer, in particular ultrasonic transducers for use in transit time ultrasonic liquid flowmeters. To investigate the effect of different parameters on piezoelectric sensor's performance in ultrasonic flowmeters, the research was carried out numerically. In numerical research, the piezoelectric transducers performance modeling in the ultrasonic flowmeter was divided into three sub-models. Parts that model piezoelectric transducers use conventional FEMs, while ultrasonic wave propagation is modeled by the DG method. The results of a numerical study to investigate the effect of fluids temperature (water, light, heavy, and medium crude oil samples) on the performance of optimal piezoelectric sensor in accordance with the results reported by other researchers. Among the 6 types of piezoelectric material used in this research, piezoelectric with PZT-5H material was selected as optimal piezoelectric. The reason for choosing this piezoelectric is that the maximum voltage is greater than other piezoelectrics in 4 types Various fluids (water, light, heavy, and medium crude oil samples). The flow rate of the simulated flow inside the flowmeter is acceptable by the standard k-ε model, since the error created (5.69%) is low compared to the original value. By applying 6 types of different materials as an impedance matching layer, the result was that an epoxy matching layer for piezoelectric sensors in water and heavy crude oil is appropriate because 50% of the power Increases the signals within the fluids. Also, the use of polyester as an impedance matching layer for an optimal piezoelectric transducer in light and medium crude oil samples increases the efficiency of the signal generated by the converter by 60%. Keywords: Piezoelectric, matching layer, speed of sound, Ultrasonic flowmeter, Transit time.