4. Ультразвуковые расходомеры

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

Основные трудности использования ультразвукового метода связаны с тем, что, во-первых, скорость звука в среде зависит от ее физико-химических свойств, температуры, давления и, во-вторых, она значительно больше скорости среды, так что действительная скорость ультразвука в движущейся среде мало отличается от скорости в среде неподвижной. Эти обстоятельства обусловливают необходимость применения специальных методов компенсации погрешностей, что сильно усложняет измерительные схемы.

Рис. 7. Ультразвуковой уровнемер с излучением, перпендикулярным потоку

Следует отметить также, что ультразвуковые расходомеры применяются главным образом для измерения расхода жидкостей из-за малой интенсивности ультразвуковой волны и большого коэффициента поглощения ультразвука в газах. Основными элементами преобразователей ультразвуковых расходомеров являются излучатели и приемники ультразвуковых колебаний. Ультразвуковые колебания, попадающие на приемник, вызывают его механическую деформацию в виде периодических сжатий и растяжений, которые преобразуются в переменное электрическое напряжение. Ультразвуковые расходомеры можно подразделить на две группы.

Рис. 8. Схемы преобразователей ультразвуковых расходомеров с излучением по потоку: а,— одноканальные; б,г — двухканальные

Расходомеры могут выполняться по одноканальной (рис. 8, а, в) или двухканальной (рис. 8, б, г) схеме. В одноканальной схеме каждый пьезоэлемент работает попеременно в режиме излучателя и в режиме приемника, что обеспечивается системой переключателей. В двухканальной схеме каждый пьезоэлемент работает только в одном определенном режиме. Очевидно, что двухканальные схемы проще одноканальных (нет сложных схем переключения), но точность их меньше, вследствие возможной акустической несимметрии обоих каналов.

К первой группе относятся расходомеры с излучением, перпендикулярным потоку (рис. 7): пьезоэлемент 1, возбуждаемый генератором 2, создает ультразвуковые колебания, направленные перпендикулярно оси трубы. По мере увеличения средней скорости потока ультразвуковой луч все более отклоняется по направлению скорости. Угол отклонения лучабудет определяться выражением 1

где с — скорость ультразвука в неподвижной среде.

Линейное отклонение луча у приемных пьезозлементов 3 и 4 . С увеличением количество энергии, поступающей на пьезоэлемент3, уменьшается, а поступающей на пьезоэлемент 4, растет и, таким образом, разностный сигнал, поступающий на вход - усилителя. 5, увеличивается. Расходомеры с такой схемой просты по устройству, но обладают ограниченной точностью из-за малого отклонения луча. Поэтому наибольшее распространение получили расходомеры второй группы, основанные на измерении скорости прохождения ультразвуковых импульсов между излучателем и приемником в направлении потока контролируемой среды и против него (расходомеры с излучением по потоку). При этомобычно векторы инаправлены под углом друг к другу, причем чем меньше, тем чувствительнее расходомер.

Для чистых сред пьезоэлементы могут устанавливаться в специальных карманах (рис. 8, а, б). Для загрязненных сред применение карманов не·желательно. В этом случае либо карманы заполняются твердым материалом — звукопроводом (рис. 8, в) либо применяются излучатели и приемники, не требующие нарушения целостности трубы (рис. 8, г). В последних двух схемах ультразвуковой луч преломляется на границах сред,что в ряде схем используется для компенсации влияния изменений температуры среды на показания.

Принцип действия расходомеров с излучением по потоку заключается в использовании разницы времени прохождения ультразвуковых импульсов по потоку и против него.

Действительно, если обозначить расстояние между излучателем и приемником через L и угол между векторами скоростей потока и ультразвукачерез, то время распространения импульса по потоку

I

где — скорость среды, усредненная по длине пути луча от излучателя до приемника.

Время прохождения импульса против потока

Следовательно, разность времен прохождения импульсов

(8)

Таким образом, показания ультразвуковых расходомеров зависят от скорости (потока , усредненной по ходу луча, а не по диаметру трубы, что является характерной особенностью расходомеров с излучением по потоку, в то же время для определения объемного расхода требуется измерение скорости, усредненной по диаметру трубы. Для трубопроводов круглого сечения даже для осесимметричных потоков и соотношение между ними зависит от эпюры скоростей потока. Это обстоятельство является недостатком ультразвуковых расходомеров, определяющим наиболее существенную составляющую методической погрешности.

В общем случае исвязаны отношением

.(9)

при установившемся турбулентном движении и осесимметричном потоке и зависит от числа Re, так как с изменением Re изменяется характер распределения скоростей. Это является причиной принципиальной нелинейности статических характеристик ультразвуковых расходомеров при их индивидуальной градуировке.

По методу определения Δτ ультразвуковые расходомеры подразделяются на время-импульсные, частотные и фазовые.

Во время-импульсных расходомерах периодически производится измерение разности Δτ времен прохождения очень коротких импульсов длительностью 0,1—0,2 мкс, по которой затем в соответствии с (8) и (9) определяется объемный расход Q₀.

Измеряемое время Δτ очень мало (—с) даже при максимальном расходе, причем измерять его необходимо с погрешностью—с. Это вызывает необходимость применения сложных электронных схем. Кроме того, показания таких расходомеров зависят от измененияс. Эти обстоятельства объясняют редкое применение таких расходомеров по сравнению с другими типами.

В частотных расходомерах каждый последующий импульс посылается излучателем только после достижения предыдущим импульсом приемного пьезоэлемента. Очевидно, что если время между импульсами равно τ, то частота следования их . Разность частот следования импульсов по потоку и против него определяется дифференциальной схемой и связана со скоростью и объемным расходом. Показания частотных расходомеров не зависят от скорости распространения ультразвука в неподвижной среде, а следовательно, и от физико-химических свойств среды. Это является важным достоинством частотных расходомеров.

В фазовых расходомерах измеряется разность фаз Δφ ультразвуковых колебаний частотой f, распространяющихся по потоку и против него. Недостатком этих расходомеров является зависимость показаний от изменения с.

Приведенное выше описание принципа действия ультразвуковых расходомеров выявляет основные их недостатки. Наиболее серьезным из них является зависимость показаний от профиля скоростей, который изменяется с изменением расхода. Погрешность увеличивается при искаженном профиле скоростей из-за наличия, например, вблизи преобразователя местных сопротивлений. Отсюда вытекаетнеобходимость прямых участков трубы до и после расходомеров.

Другим серьезным недостатком является влияние на показания прибора изменения физико-химических свойств контролируемой среды и ее температуры, влияющих на скорость ультразвука с.

Ультразвуковые расходомеры являются перспективными для многих отраслей промышленности в силу следующих достоинств:

1) возможности использования на трубопроводах различных диаметров (от 10 мм и выше);

2) возможности бесконтактного измерения расхода любых сред, в том числе и неэлектропроводных.

Основная погрешность ультразвуковых расходомеров без коррекции на скорость звука находится в пределах ±(24) %. Одноканальные расходомеры с коррекцией на скорость звука позволяют снизить эту погрешность до ±1 %. В отдельных разработках основная погрешность не превышает ±0,3 %.