3.8 Акустический (вихревой) ультразвуковой метод

А кустический метод основан на двух физических явлениях - генерации вихрей телом, введенным в поток, и модуляции частоты ультразвуковых колебаний вихревым потоком. Ультразвуковой расходомер (рис. 3.14), реализующий этот метод, состоит из тела плохообтекаемой формы, за которым образуется вихревая дорожка, контролируемая с помощью ультразвукового преобразователя, состоящего из ультразвукового датчика, работающего в непрерывном режиме. При этом на датчике, работающем в режиме приема, возникают электрические колебания, частота которых равна частоте срыва вихрей. Иногда в квартирах, эксплуатирующих водопровод, возникает звук при открывании неисправного крана. По мере его открытия высота тона звука возрастает, т.е. при слабо открытом кране, когда скорость вытекающей жидкости низкая - звук имеет низкую частоту. С открытием крана скорость вытекания жидкости растет, а, следовательно, растет и высота тона звука. В вихревом расходомере пьезоэлемент регистрирует число оторвавшихся вихрей в единицу времени. Чем больше число отрывов вихрей, тем выше скорость потока.

Акустические вихревые расходомеры (рис. 3.15), выпускаются для трубопроводов диаметром до 200 мм. Применение указанного метода измерения расхода для труб большего диаметра не эффективно.

Вихревые расходомеры чувствительны к механическим вибрациям, распределению скоростей в измеряемом потоке, содержанию в жидкости волокнистых включении и не пригоден при малых скоростях движения жидкости.

3.9 Метод, основанный на использовании эффекта доплера

Эффект Доплера - изменение частоты сигнала, отраженного от движущегося объекта. Если объект движется на нас, то частота отраженного сигнала растет и наоборот, при движении объекта от нас отраженный сигнал имеет пониженную частоту.

Сигнал известной частоты (обычно 0,5-2 МГц) распространяется в жидкой среде, отражается от движущихся в потоке твердых частиц, пузырьков воздуха. Чем больше инородных включений в жидкой среде, тем уже полоса частот информативного отраженного и принимаемого сигнала, что обеспечивает

более высокую точность измерения скорости движения инородных включений, причем скорость движения инородных включений может отличаться от скорости движения самой жидкой среды примерно на 1-1,5%.

Частота отраженного УЗ-сигнала сравнивается с частотой исходного синала (частотой излучателя), вычисляется разница этих частот, которая в дальнейшем используется для определения скорости потока и расхода жидкости.

Доплеровские УЗ-расходомеры применяются главным образом для измерения расхода многофазных потоков: пульп, суспензий и эмульсий. Доплеровские расходомеры изготовляются в основном в зарубежных странах.

3.10 Метрология при измерении расходов

В первую очередь потребителю важна точность измерений расхода. По сложившейся традиции для учетных операций в водоснабжении и теплоснабжении погрешность измерения расхода по объему прошедшей жидкости не должна превосходить ± 2%, при этом необходимо обеспечить как можно более широкий диапазон измерения расхода. Большинство производителей УЗР заявляют значения погрешностей 1-2%, и выбор прибора по данным параметрам, на первый взгляд, не представляет сложности. Следует только выяснить требуемую точность измерений и диапазон расходов, в котором она должна выполняться. Если диапазон расходов для счетчика задан неявно, например, указан диапазон скоростей или нижний предел измерений задан как доля с верхнего предела измерения, то с помощью несложных вычислений следует получить интересующие нас значения. Тем не менее, и здесь могут быть "подводные камни".

Во-первых, следует помнить, что указанная точность измерений выполняется только при соблюдении требований к длинам прямых участков трубопровода. Например, для однолучевых ультразвуковых расходомеров с расположением луча по диаметру, длина прямого участка может достигать 30-50 (диаметров условного прохода), что для пользователя часто является неприемлемым требованием. Многолучевые расходомеры, с расположением лучей по диаметру (в том числе и при использовании накладных датчиков), не изменяют положения, так как усреднение скорости в этом случае производится без учета ее "веса" (вклад скорости в расход, измеренный у стенки трубы больше, чем ее вклад в центре трубы). Поэтому УЗР с расположением лучей по диаметру имеют, помимо всего прочего, дополнительную погрешность за счет шероховатости стенок подводящего трубопровода. В двухлучевых УЗР с расположением лучей по хордам интегрирование профиля скоростей производится более точно, и длины прямых участков перед расходомером удается снизить до 7-10 . Еще меньшая длина прямых участков требуется для расходомеров с формирователем потока. Однако калибровка этих приборов должна производиться только проливным методом, и область их применения по максимальным расходам ограничена существующими расходомерными установками.

Во-вторых, если в документации на счетчик задается предел допускаемой основной погрешности, то обязательно следует обратить внимание на дополнительные

погрешности измерения (они должны быть указаны в технической документации). Затем рассчитать их значения, определив отклонения реальных условий эксплуатации от указанных нормальных условий, Например, для ультразвукового расходомера ИРВИКОН СВ-200 с формирователем потока погрешность измерения объема не превосходит 1% при длине прямого участка перед прибором не менее 10 . Если длина прямого участка сокращена до 5 , то к основной погрешности добавляется дополнительная погрешность 0,5%.

Ультразвуковые (как, впрочем, и электромагнитные) расходомеры имеют обычно высокое значение верхнего предела измерений (приблизительно соответствующее скорости 10 м/с). Поскольку на практике скорости в трубопроводах не превосходят 3 м/с, то на первый взгляд представляется целесообразным уменьшить сечение трубопровода на измерительном участке и за счет этого обеспечить требуемую точность измерений на малых расходах. Однако к данному решению следует подходить осторожно. Во-первых, на больших расходах скорость на "поджатом" участке возрастает в 4-9 раз, и при скорости 10 м/с, в соответствии с уравнением Бернулли, давление уменьшается на 0,05 МПа. При небольших давлениях на входе гидравлической системы это может приводить к выделению из воды пузырьков воздуха (или другого растворенного газа) и неправильной работе прибора. Во-вторых, на нижнем пределе измерения скорость воды в подводящем трубопроводе может быть недостаточной для обеспечения турбулентного течения. При поджатии (переходе к измерительному участку малого диаметра) развитие турбулентного потока происходит достаточно медленно - требуется длина участка до 50 . При меньших длинах прямого участка профиль скоростей в трубопроводе будет иметь существенные отличия от профиля развитого турбулентного потока, т.е. условия эксплуатации будут отличны от условий поверки, что и приведет к дополнительным погрешностям измерения.

Ультразвуковые расходомеры с автономным питанием имеют специфическую особенность, связанную с дискретизацией измерительной информации во времени. Для экономичного использования энергии электрических батарей измерение в этих приборах производится в течение короткого времени (1-10) с большим периодом повторения, достигающим у некоторых изготовителей 30 с и более. Такая дискретизация измеряемой величины не оказывает заметного влияния на результат измерения объема за большие промежутки времени (сутки и более), но приводит к неточностям усреднения результата измерения за короткое время. Если, например, пользователю важны точные часовые значения расхода, то необходимо у изготовителя получить сведения о периоде измерения и связанной с ним дополнительной погрешностью.