22506

شبيه‌سازي عملكرد سنسور پيزوالكتريك و انتخاب شرايط بهينه‌ ساخت جهت استفاده در كنتور فراصوت گاز

دكتري

مهندسي فرايند

1399

1399/3/20

دكتر سيد حسن هاشم آبادي

دكتر جليل جمالي - دكتر حسن عزيزي مقدم

مهندسي شيمي، نفت و گاز

اندازه‌گيري دقيق جريان سيالات در همه صنايع، امري ضروري است. در ميان انواع جريان‌سنج‌ها، جريان‌سنج‌هاي فراصوت يكي از محبوب‌ترين و پركاربردترين انواع جريان‌سنج‌ها مي‌باشند. ساختار جريان‌سنج‌هاي فراصوت بنابر دقت مورد نياز شامل چندين جفت مبدل فراصوت مي‌باشد كه در چند مسير مجزاي آكوستيكي روبه‌روي يكديگر قرار دارند. موضوع اصلي اين پژوهش در رابطه با ساخت اين مبدل‌هاي فراصوت به همراه شبيه‌سازي آن‌ها براي كاربرد در جريان‌هاي گازي است. اين شبيه‌سازي‌ها بر پايه روش المان محدود صورت پذيرفت. به منظور ساخت مبدل‌هاي فراصوت از پيزوسراميك‌هاي نرم PZT-5H با فركانس مركزي kHz 200 استفاده شد و در نهايت نتايج آزمون امپدانس بر حسب فركانس آن‌ها با نتايج شبيه‌سازي‌ها مقايسه گرديد. به علاوه، جهت بررسي عملكرد مبدل‌هاي ساخته شده، تحت شرايط عملياتي مختلف دمايي، فشاري و طول مسير آكوستيكي مورد بررسي قرار گرفته و نتايج آزمون‌هاي عملي با شبيه‌سازي‌ها تحت همان شرايط عملياتي مقايسه گرديد. نتايج اين بخش نشان داد كه با تغيير mm 1 طول مسير آكوستيكي، K 1 دما و bar 1 فشار، تغيير mm 1 طول مسير آكوستيكي بيشترين تاثير را بر روي زمان انتقال موج و تغيير bar 1 فشار بيشترين تاثير را بر روي قدرت سيگنال دريافتي توسط مبدل گيرنده دارد. بررسي‌هاي مربوط به حالت با جريان توسط جريان‌سنج‌هاي درخط و برخط به صورت مجزا صورت پذيرفت. بدين منظور از هندسه جريان‌سنج تجاري الستر براي شبيه‌‌سازي جريان‌سنج درخط استفاده شد و انتقال موج بين دو مبدل فراصوت آن شبيه‌سازي شد. در اين مرحله مقادير ضريب اصلاح پروفايل جريان برحسب سرعت جريان متوسط ورودي به جريان‌سنج نيز بدست آمده و اعتبارسنجي نيز صورت پذيرفت. در مرحله شبيه‌سازي جريان‌سنج برخط، آزمون‌هاي سنجش سرعت جريان توسط مبدل‌هايي با فركانس مركزي MHz 1 صورت پذيرفته و نتايج آن با نتايج شبيه‌سازي نيمه‌ سه‌بعدي و نتايج مدل تحليلي، مقايسه گرديد. نتايج بدست‌ آمده انطباق بسيار مناسب نتايج سه روش بر يكديگر را نشان مي‌دهد. همچنين روش جديد معرفي شده به منظور شبيه‌سازي به صورت نيمه سه‌بعدي دقت بسيار مناسبتري‌ نسبت به شبيه‌سازي كاملا دوبعدي داشته، در حاليكه سرعت محاسبات تنها اندكي افزايش مي‌يابد. به علاوه، از اين روش مي‌توان براي شرايط خاص جرياني كه در اين حالات شبيه‌سازي كاملا دوبعدي ناتوان است، استفاده كرد.

1399/06/23

Simulation of Piezoelectric Transducer Performance and selection of Optimum Fabrication Conditions for Use in Ultrasonic Gas Meter

6/10/2021 12:00:00 AM

Accurate flow measurement is essential in all industries. Ultrasonic flow meters are one of the most popular and widely used types of flow meters among the types of flow meters. The inner structure of the ultrasonic flowmeters consists of several pairs of ultrasonic transducers facing each other in separate acoustic paths. The main topic of this research is the fabrication of gas ultrasonic transducers along with their simulation. These simulations are based on the finite element method. PZT-5H as soft piezo-ceramics with a central frequency of 200 kHz were used to fabricate the ultrasonic transducers. In addition, to evaluate the performance of the fabricated transducers, they were investigated under different operating conditions of temperature, pressure and acoustic path length and the results of the experimental tests were compared with simulations under the same operating conditions. The results of this section showed that with change of 1 mm along the acoustic path, 1 K in temperature and 1 bar in pressure, change of 1 mm along the acoustic path had the greatest effect on transit time and change of 1 bar in pressure had the greatest effect on received signal strength. Investigations on in-line and clamp-on flowmeters were done separately. For this purpose, the geometry of Elster commercial flowmeter was used to simulate the in-line flowmeter and simulate the wave transmission between its two ultrasonic transducers as a reflective acoustic path. The values of the flow profile correction factors were also calculated and validated according to the average input flow to the flowmeter. For the clamp-on flowmeter, the tests of flow velocity were performed by 1 MHz central frequency transducer and their results were compared with the results of a semi-3D simulation and the results of an analytical model. The results showed very good agreement the three methods. The new technique employed in this work, have better accuracy than a fully 2D simulation, while maintaining the computing time and costs approximately constant. In addition, the technique can be used for specific flow conditions such as near the pipe joints or swirling flows, where 2ِ techniques cannot be used or they have low accuracy.