Ультразвуковые измерители скорости и расхода

Среди бесконтактных методов измерения объемного расхода наиболее широко используются ультразвуковые измерители расхода и скорости. Эти преобразователи основаны на методе измерения скорости ультразвуковых колебаний в двигающейся среде, которая равна векторной сумме скорости среды и скорости звука в данной неподвижной среде, которая известна. Если ультразвуковые колебания распространяются в неподвижной среде со скоростью a, то в той же среде, движущейся со скоростью , они будут распространяться в направлении движения потока со скоростью , а против потока – со скоростью , где – угол между направлениями потока и ультразвукового излучения. Время прохождения ультразвукового излучения (импульса) от излучателя до приемника, расположенных друг от друга на расстоянии L, называемом базой, равно:

– в направлении, совпадающим с направлением потока вещества

; (17)

– в направлении, противоположном направлению потока вещества

. (18)

Существует несколько разновидностей ультразвукового метода измерения объемного расхода: времяимпульсный, частотно-импульс-ный доплеровский (рис. 6), фазовый (рис. 7) и метод на основе измерения интенсивности сноса (рис. 8) ультразвуковых колебаний (УЗК) движущимся потоком вещества. Ультразвуковые методы в основном применяются для измерения расхода жидких сред. Для уменьшения нестабильности скорости звука от изменения температуры, плотности, давления и других факторов используются двухканальные расходомеры, включенные по дифференциальной схеме.

Рис. 6. Структурная схема УЗ–расходомера с использованием эффекта Доплера: 1 – излучающий электроакустический излучатель; 2 – приемный акустоэлектронный преобразователь; 3 – диаграмма направленности электроакустического излучателя; 4 – генератор; 5 – усилитель; 6 – смеситель; 7 – фильтр низкой частоты;

8 – частотомер.

На основе фазового метода созданы устройства для измерения расхода природного газа в диапазоне с основной погрешностью измерения 0,4%. Всем ультразвуковым методам измерения расхода присуща методическая гидродинамическая погрешность, обусловленная отличием измеряемой этим методом скорости движения среды, осредненной по пути излучателя до приемника ультразвуковых колебаний, от скорости, осредненной по площади сечения трубопровода. Эта погрешность зависит от структуры потока, которая определяется рядом факторов, например, шероховатостью трубопровода, физико-химическими свойствами перемещающейся среды и др. Указанная погрешность может быть уменьшена либо соответствующим выбором размеров ультразвукового канала и трубопровода с учетом его шероховатости, либо введением соответствующих конструктивных элементов, обеспечивающих выравнивание эпюры скоростей на длине базового расстояния .

В последнее время ультразвуковые преобразователи нашли также применение и для непосредственного измерения массового расхода. Действительно, массовый расход контролируемой среды можно определить по формуле

(19)

где k – коэффициент пропорциональности, M – число Маха-Маевского (); r – плотность измеряемой среды.

Рис. 7. Фазовый расходомер: 1 – излучатель; 2 – приемник; 3 – генератор стандартных сигналов; 4 – фазометр; 5 – индикатор.

Следовательно, одним из возможных путей определения массового расхода является непрерывное измерение числа Маха и акустического сопротивления измеряемой среды с последующим умножением результатов измерений [34]. Измерение числа Маха может осуществляться несколькими способами: по сносу ультразвуковых колебаний, по величине доплеровского смещения частоты и др. В ультразвуковых расходомерах с частотным выходным сигналом удобно вычислять число Маха как произведение:

(20)

где – коэффициент пропорциональности.

Значение скорости звука определяется суммой выходных частот “ синхроколец” [2]

(21)

где – коэффициент пропорциональности.

Рис. 8. Ультразвуковой расходомер со сносом ультразвуковых колебаний: 1 – источник ультразвуковых колебаний; 2 – генератор; 3 –приемник ультразвуковых колебаний; 4 – дифференциальный преобразователь.

Во временных и фазовых схемах удобно использовать другой алгоритм вычисления:

(22)

где – коэффициент пропорциональности.

Для непосредственного измерения акустического сопротивления контролируемой среды можно использовать ячейку [34-36], выполненную из титановой гильзы с коническим дном, которая заглушена пьезоэлементом так, что между дном гильзы и поверхностью пьезоэлемента образуется волновод цилиндрической формы, а акустическая волна распространяется как по стенке гильзы, так и по волноводу. Часто энергия ультразвуковых колебаний отражается от свободного торца волновода и вновь воспринимается пьезоэлементом в виде "сухого импульса", амплитуда которого практически не зависит от внешних факторов и определяется отношением акустических сопротивлений титана и воздуха. Другая часть энергии зондирующего импульса распространяется в стенках гильзы и, достигая контролируемую среду, отражается и образует на пьезоэлементе “влажный” приемный импульс. Измеряя отношение амплитуд "сухого” и “влажного” импульсов, находят значение акустического сопротивления измеряемой среды.

Рис. 9. Ультразвуковой расходомер со сносом ультразвуковых колебаний: 1 – генератор; 2 – излучающий электроакустический преобразователь; 3 – приемный акустоэлектрический преобразователь; 4 – усилитель; 5 – детектор; 6 – индикатор; 7 – доплеровский пьезопреобразователь; 8 – генератор возбуждения импульсов; 9 – арифметическое устройство.

В схемах сноса ультразвуковых колебаний для измерения массового расхода необходимо учесть, что напряжение на излучающем пьезопреобразователе при его питании через индуктивность пропорционально акустическому сопротивлению среды. Производя перемножение измеряемого на излучателе напряжения и выходного напряжения схемы сравнения, получают сигнал, пропорциональный массовому расходу.

Рис. 10. Одноканальный импульсный расходомер: 1 – излучатели; 2 – генератор; 3 – усилитель-формирователь; 4 – управляемый клапан; 5 – измеритель временных интервалов.

Если в подобной схеме измерения использовать сужающее устройство, то возникает необходимость еще в одной вычислительной операции – извлечение квадратного корня из произведения двух сигналов. Действительно, сигнал плотномера , умноженный на дает , а выходной сигнал расходомера будет равен . К недостаткам массовых расходомеров подобных схем относятся: некоторая сложность средств вторичной обработки выходных сигналов, инерционность за счет времени обработки (для электромеханических вычислительных устройств) и инерционность плотномера, а также то, что датчики плотности rи объемного расхода часто расположены в различных сечениях трубопровода.