Ультразвуковой метод измерения расхода

Глава 16 – Ультразвуковые(аккустические) расходомеры

Автор:Кремлевский П.П
Источник: Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества веществ: Справочник: Кн. 2.- СПб .: Политехника, 2004. - 412 с.

Ультразвуковые расходомеры

Основой акустического метода измерения расхода являетсязависит от нее того или иного эффекта, возникающего при проходе акустических колебаний через поток жидкости. Почти все применяемые на практике акустические расходомеры работают в ультразвуковом диапазоне частот и поэтому называются ультразвуковыми.

Ультразвуковые расходомеры реализуют различные способы измерения. Наиболее часто на практике используют два способа измерения, отличаются взаимным пространственным расположением направлений вектора скорости жидкости и вектора распространения звуковой волны.

Первый способ основан на определении износа движущейся средой ультразвукового луча, направленного под прямым углом к вектору движения потока. По сути, измеряется уменьшение количества акустической энергии, попадающей на приемник с ростом скорости потока.

Недостатком данного способа является низкая чувствительность, поэтому чаще применяется разновидность этого способа, который заключается в том, что луч направляют под небольшим углом относительно диаметра трубы и принимают после многократного отражения от стенок трубы, как показано на рис. 1.4, а). Таким образом, достигается увеличение расстояния, которое проходит луч. Чувствительность такой конструкции выше, чем у основного вида способа, однако следует отметить, что показания существенно зависят от степени коррозии и загрязнения внутренних поверхностей трубы, отражающих луч. Кроме того, скорость звука в среде зависит от температуры жидкости, ее кинематической вязкости и степени загрязнения жидкости. Эта зависимость приводит к росту погрешности при изменении физико-химических свойств измеряемой жидкости.

Для исключения влияния зависимости скорости звука от различных факторов используют другой способ, в котором расход жидкости определяют по разнице скорости распространения звука в направлении потока и против него. Ультразвуковой луч при этом направляют под углом к направлению движения потока. На рис. 1.4, б) показана одноканальная, а на рис. 1.4, в), г) – двухканальные конструкции преобразователей расходомеров, которые реализуют указанный метод формирования и приема акустических колебаний

Если плоскости излучающих и принимающих акустических преобразователей расположены под некоторым углом θ к оси трубы, то звуковой луч проходит в измеряемой жидкости путь длиной L под углом α, равный α = 90° - θ. Обозначим через νL скорость потока, усредненную по длине L. Проекция скорости νL на направление L будет равняться νL cosα. Если акустические колебания направлены в сторону движения потока, то время τ1 прохождения ими расстояния L определяется выражением:

где с - скорость распространения акустических колебаний в неподвижной жидкости.

При обратном направлении акустических колебаний время τ₂ прохождения ими той же расстоянии определится выражением:

Вычитая (1.2) от (1.1), получим:

Учитывая, что , Получим:

В данном способе различают несколько разновидностей.

В время-импульсном методе измеряется разность времен Δτ прохождение коротких импульсов в направлении потока и против него пути длиной L. Эта разница связана со средней скоростью потока νL выражением (1.3). В этом методе остается зависимость от скорости ультразвука в среде, но существуют возможности компенсации этой зависимости, например, установкой дополнительной пары резонаторов.

В частотно-импульсном методе каждый импульс (или пачка импульсов), поступившем в приемника, возбуждает генерацию нового импульса. Измеряя частоту повторения импульсов по потоку и против него, вычисляют расход. Преимуществом данного метода является независимость характеристики от скорости звука.

Фазовый метод предусматривает измерение разности фаз сигнала по потоку и против него. Метод основан на том, что при изменении скорости потока сигнал приходит к приемнику с разной фазой. Действительно, если начальные фазы обоих звуковых колебаний, которые имеют период Т и частоту f, абсолютно одинаковые, получим:

Подставляя значения (1.3) в (1.4), получим выражение, определяющее зависимость между Δφ и средней скоростью потока νL на расстоянии L:

где ω = 2πf - круговая частота колебаний.

Существует еще одна разновидность ультразвуковых расходомеров - допплеровские расходомеры. Доплеровский метод основан на возникновении сдвига частот при отражении звукового луча от подвижной частицы или неоднородности потока, например, от газового пузырька. Недостатком метода является требование наличия таких неоднородностей.

Для реализации ультразвукового метода применяют несколько основных конструкций первичного преобразователя.

В моноблочной конструкции преобразователь представляет собой отрезок трубы с фланцами. Пьезопреобразователи смонтированы на трубе стационарно. Данный преобразователь калибруется на поверочной установке и поставляется полностью готовым к использованию.

В конструкции с врезанными пьезопреобразователи излучатель и приемник монтируются стационарно на существующем трубопроводе.

В конструкции с накладными пьезопреобразователи излучатель и приемник монтируются на существующем трубопроводе с помощью специальных прижимных устройств.

Из перечисленных конструкций маленькие погрешности измерения расхода в моноблочной конструкции. Худшие показатели погрешностей в конструкции с накладными пьезопреобразователи. К преимуществам последних двух конструкций можно отнести возможность измерения расхода в трубах больших диаметров (Более 1000 мм).