1.6 Ультразвуковые расходомеры.

Ультразвуковой метод измерения расхода основан на зависимости скорости распространения ультразвука относительно трубы от скорости потока.

Главные сложности применения ультразвукового метода зак­лючаются в следующем:

1. скорость звука в среде зависит от ее физико-химических свойств, температуры, давления;

2. скорость звука значительно больше скорости потока, расход которого подлежит измерению;

2) скорость распространения ультразвукового сигнала в дви­жущейся среде весьма незначительно отличается от скорости в среде неподвижной.

Все это предопределяет применение специальных методов компен­сации погрешностей, что серьезно усложняет измерительные схемы

Необходимо подчеркнуть также, что в основном ультразвуковые рас­ходомеры применяются для измерения расходов жидких сред, так как в газовой среде коэффициент поглощения ультразвука велик, а интенсив­ность распространения ультразвуковой волны мала.

Основными элементами преобразователей ультразвуковых расходо­меров являются излучатели и приемники ультразвуковых колебаний. Уль­тразвуковые колебания, поступая на приемник, вызывают его механичес­кую деформацию, т.е. периодическое сжатие и растяжение.

В качестве излучателей и приемников колебаний используются раз­личные пьезоэлементы, изготавливаемые в основном из титаната бария — BaTiO₃, цирконата титаната свинца — PbZ₂O₂ и титаната свинца — РЬТiO₃, имеющих большой пьезомодуль d и высокую (1100-1500) диэлек­трическую проницаемость, в несколько сот раз большую, чем у кварца.

Рис. 1.11. Ультразвуковой расходомер с излучением, перпендикулярным оси потока

Ультразвуковые расходомеры подразделяются на две группы. К первой группе относятся расходомеры с направлением ультра­звукового излучения перпендикулярно оси потока (рис. 1.11).

Пьезоэлемент 1 (излучатель), возбуждаемый генератором 2, создает ультразвуковые колебания, направленные перпендикуляр но оси трубы (потока). По мере увеличения средней скорости потока V_c ультразвуковой луч все больше и больше отклоняется по направлению скорости движения среды, расход которой измеряется. Угол отклонения луча определяется выражением

,

где с — скорость распространения ультразвука в неподвижной среде.

Линейное отклонение луча на приемных элементах 3 и 4 (рис. 1.11)

По мере увеличения V_ср количество энергии, воспринимаемой пьезоэлементом 3, уменьшается, а на пьезоэлементе 4 увеличивается. Таким образом разностный сигнал, поступающий на вход усилителя 5, увеличи­вается.

Расходомеры описанного принципа достаточно просты в изготов­лении, но обладают ограниченной точностью из-за малого отклонения луча, генерируемого пьезоэлементом 1.

Наибольшее применение получили расходомеры второй группы, ос­нованные на измерении скорости прохождения ультразвуковых сигналов между излучателем и приемником в направлении движения потока конт­ролируемой среды и против него. Причем преимущественно векторы V_c и с направлены под углом друг к другу. В этом случае чем меньше а (рис. 1.12, а), тем чувствительнее и точнее расходомерное устройство.

Расходомеры исполняются по одноканальной (рис. 1.12, а, в) или двухканальной (рис. 1.12, б, г) схеме. При одноканальной схеме каждый пьезоэлемент всегда работает в одном определенном режиме. Вполне по­нятно, что двухканальные схемы проще и доступнее одноканальных (ис­ключена сложная система переключения), но точность их уменьшается из-за труднопреодолимой акустической несимметрии каналов.

При измерении расхода чистых сред пьезоэлементы устанавливаются в специальных карманах (рис. 1.12, а). В случае измерения расхода загряз­ненных потоков применение карманов исключается, так как по мере на­копления отложений характеристики расходомера будут меняться.

В таком случае либо карманы заполняются твердым материалом -ультразвукопроводом (рис. 1.12, в), либо используются излучатели и приемники, не требующие нарушения целостности трубы (рис.1.12,г )

Принцип действия расходомеров второй группы заключаете в точном определении разности времени прохождения ультразву­кового ипульса против и по потоку среды, расход которой конт­ролируется.

Если расстояние между излучателем и приемником равно L, α - угол между векторами скорости потока среды V_c и ультразвука с равен а, то время распространения сигнала по потоку

Рис. 1.12. Принципиальные схемы ультразвуковых расходомеров: а), в) одноканалъные; б), г) двухканалъные

где V_L — скорость среды, усредненная по длине пути луча ₀т излучателя до приемника.

При прохождении импульса против потока

Таким образом, разность времени прохождения импульсов

Следовательно, показания ультразвуковых расходомеров вто­рой группы напрямую зависят от усредненной по ходу луча скоро­сти потока V_L , а не по диаметру трубы, что является основопола­гающей особенностью двухканальных расходомеров.

Тем не менее при определении объемного расхода необходимо знание скорости потока, усредненной по диаметру трубопровода V_cp. Даже для трубопроводов круглого сечения и при осесимметричном потоке , а соотношение между ними очень сильно зависит от

эпюры скоростей потока, что является одним из основных недостатков ультразвуковых расходомеров, определяющих самую существенную составляющую методической погрешности.

Соотношение между V_L и V_cр. можно связать соотношением

, (1.24)

При установившемся турбулентном движении и строго осесим-метричном движении потока коэффициент к зависит только от чис­ла Re (Рейнольдса), так как именно с изменением числа Re существенно изменяется эпюра скоростей потока.

По методу измерения Δτ (разности времен прохождения сигнала против и по потоку) ультразвуковые расходомеры относят к время-импульсным, частотным и импульсным.

В время импульсных расходомерах периодически существляется измерение разности Δτ времен прохождения импульсов длительностью 0,1 -0,2 мкс по и против потока, по которой затем определяется объемный расход потока Go.

Измеряемое прибором время, т.е. разность времен прохождения сигнала, Δτ очень незначительно (₁₀^-6 _{– 10}^-7 с) даже при максимально

реализуемых расходах и в то же время измерить его необходимо с погрешностью не более 10^-8 - 10^-9 с, что приводит к применению сложных электронных схем. Кроме того, применение расходомеров данного типа требует очень точного знания скорости ультразвука в контролируемой среде, а также характера его изменения в зави­симости от температуры и давления в трубопроводе.

В частотных расходомерах каждый последующий импульс посы­лается излучателем только после достижения предыдущим импульсом приемного пьезоэлемента. Если время между импульсами t, то частота следования импульсов f = (1/t). Разность частот следования сигналов по потоку и против измеряется специальной дифференциальной схемой и напрямую связана со скоростью и объемным расходом среды. Важней­шим достоинством частотных расходомеров является независимость их показаний от скорости распространения ультразвукового сигнала в не­подвижной среде, а следовательно, и от физико-химических свойств потока (среды).

В фазовых расходомерах измерению подлежит разность фаз Δω уль­тразвуковых колебаний, проходящих по потоку и против него. Один из недостатков таких расходомеров — зависимость их показаний от изме­нения с (скорости ультразвука в неподвижной среде).

Приведенное краткое описание принципа действия ультразвуковых расходомеров демонстрирует одновременно их основные и наиболее су­щественные недостатки:

• наиболее существенным из них является сильная зависимость показаний расходомера от профиля скоростей в потоке, формирующегося и изменяющегося по мере изменения (увеличения или уменьшения) расхода;

• погрешность особенно сильно увеличивается при искаженном профиле скоростей вследствие наличия, например, вблизи первичного преобразователя местных сопротивлений;

• еще одним серьезным недостатком является значительное влияние на показания расходомера изменения физико-химических свойств контролируемой среды, ее температуры и давления, оказывающих влияние на скорость ультразвука с.

К достоинствам ультразвуковых расходомеров необходимо отнести:

• возможность использования на трубопроводах широкого диапазона диаметров (от 10 мм и выше);

• возможность бесконтактного измерения расходов любых сред, в том числе и неэлектропроводных

Основная погрешность ультразвуковых расходомеров (без кор­рекции на изменение скорости звука в среде по температуре и давлению) находится в пределах ±2+4%. Одноканальные расходомеры с коррекцией на скорость звука позволяют снизить погрешность до ±1%. В отдельных современных разработках основная погрешность может не превышать ±0,3%.