Преобразователей скорости расхода вещества

В основе работы ультразвуковых преобразователей (УЗП) скорости и расхода вещества положены три базовых процесса:

– активное воздействие УЗК на вещество, приводящее к изменениям его физико-химических свойств;

– передача и обработка сигналов с помощью УЗК;

– получение информации с помощью УЗК.

Интенсивность УЗК в УЗ преобразователях расхода находится в пределах 0,1-1,0 Вт/см² в частотном диапазоне 20-150 кГц.

Явления кавитации и дегазации жидкостей при воздействии УЗК или других факторов могут быть использованы для создания контрольных меток в измеряемой среде. В качестве источника возмущений жидкостей используется кавитационный УЗ излучатель. Кавитационные полости образуются в фазах разряжения УЗ импульса, они заполнены паровоздушной смесью и обладают ограниченной акустической прозрачностью. Эти цели способствуют также проходящий одновременно процесс дегазации жидкости.

Созданная кавитационная метка переносится потоком жидкости и фиксируется в конце мерного участка. Прохождение контрольной меткой мерного участка сопровождается модуляцией УЗК, регистрируемой приемным преобразователем. Регистратором прохождения метки служит акустопара (принимающий и излучающий) электроакустической пары (ЭАП), работающий в непрерывном режиме. Оси ЭАП располагаются перпендикулярно вектору средней скорости потока. Измерение расхода в описанном устройстве сводится к измерению времени между моментом возбуждения кавитационного излучения и началом модуляций УЗ колебаний на приемном преобразователе.

Размеры кавитационной области и паровоздушных полостей определяются с одной стороны требуемой глубиной модуляции УЗК, а с другой – гидродинамической пассивностью метки.

К преимуществам УЗК метки относятся возможность практически мгновенного ее введения (задержка не превышает десятков микросекунд) в измеряемую среду, а также простота ее формирования в заданной точке сечения трубопровода.

Существует метод измерения скорости на основе наличия в потоках вещества турбулентных пульсаций. В таких УЗ преобразователях приемник УЗП представляет пассивное устройство, воспринимающее изменения акустического давления p_ак у его поверхности, которое обусловлено турбулентными пульсациями в потоке.

Электрический шум (шумовой сигнал) на выходе УЗП имеет постоянную составляющую, знак которой зависит от направления, а величина – от скорости (расхода) потока вещества.

На принципе «шумового адаптера» реализуются регистраторы наличия потока, от которых не требуется высокой точности измерения, а также сигнализаторы расхода. Известны регистраторы морских течений серий 560-SSD и 561-SSDX, созданные фирмой Oceaniagrahy international, погрешность ±w%.

На рис. 5 показана структурная схема УЗП расхода и скорости вещества, реализованного на эффекте Доплера. Работа этого преобразователя происходит следующим образом. Электроакустический излучатель (ЭАИ) – 1, возбуждаемый генератором 2 синусоидальных напряжений формирует УЗ колебания с частотой f ₀, которое, взаимодействуя с потоком измеряемой среды (ПИС), рассеивается на ее неоднородностях, которыми могут служить пузырьки нерастворенного газа, механические включения и даже турбулентные возмущения ПИС.

Перемещающиеся вместе с ПИС рассеиватели можно рассматривать как вторичные источники УЗК с частотой

. (23)

Вторичные УЗК, возникающие в области 3 (рис. 6), достигают акустоэлектрического приемника (АЭП)-2 и воспринимаются с частотой

. (24)

Доплеровский сдвиг (или центральная частота доплеровского спектра) определяется разностью

. (25)

Если учесть, что объемный расход G_V через измерительный канал круглого сечения D связан со средней скоростью потока в облучаемой области соотношением, то выражение для определения скорости будет иметь вид

, (26)

где m – коэффициент, учитывающий несовпадение V _ср ПИС со скоростью рассеивателя (скорость локального фрагмента ПИС, облучаемый ЭАП).

А выражение (25) примет вид

. (27)

В практических схемах доплеровских УЗ-преобразователях расхода существенное влияние на результат измерения оказывает «размытие» доплеровского сдвига из-за расхождения диаграммы направленности (ДН) УЗК на величину Da. Вследствие этого возникает различие проекций скорости УЗК (вторичных источников) на границах облученной области ПИС, выходной сигнал будет содержать спектр частот от до .

Ширина доплеровского спектра будет вычисляться по формуле

. (28)

После преобразования получим

. (29)

Отсюда следует, что ширина f _d пропорциональна угловой ширине диаграммы направленности.

Увеличение диапазона выходной частоты УЗ генератора за счет "размытия" спектра требует расширения полосы прозрачности ФНЧ, что в результате приводит к ухудшению помехоустойчивости.

К методическим погрешностям доплеровских УЗП расхода и скорости, в первую очередь, относятся:

– сильная зависимость результатов измерений от изменений скорости УЗК;

– неравномерность рассеивателей в облучаемом объеме измеряемого потока вещества;

– нарушение условия гидродинамической пассивности рассеивателей (т.е. совпадения скорости рассеивателей со скоростью ПИС) приводит к существенной случайной погрешности;

– малый КПД преобразования (т.е. отношения энергии отраженных УЗК к возбужденной) требует больших мощностей возбуждения;

– чувствительность УЗ-преобразователей расхода и скорости к обрастанию внутренних поверхностей трубопровода фракциями ПИС, выпадающими в осадок;

– сильная зависимость показаний УЗ-преобразователей расхода и скорости доплеровского типа от характера профиля скоростей, т.к. этот тип УЗ-преобразователей относится к измерительным преобразователями с пространственным осреднением

(т.е. к интегрирующим преобразователям).

На рис. 8 показан вариант УЗ-преобразователя расхода и скорости, основанный на регистрации сноса УЗК. Работа этого УЗ-преобразователя расхода и скорости происходит следующим образом. С появлением ПИС скорость звука c и осредненная по длине ультразвукового луча скорость потока V геометрически суммируются и направление распространения ультразвукового луча (УЗЛ) отклоняются от начального на угол q, величина которого определяется соотношением

. (30)

Для увеличения чувствительности этого типа УЗ-преобразователя расхода и скорости увеличивают длину УЗЛ в пределах его взаимодействия с измеряемой средой. Это достигается путем использования эффекта многократного отражения УЗК от внутренней поверхности измерительного участка трубопровода, прежде чем они попадут на приемник УЗК. В этом случае снос луча у лицевой поверхности приемного преобразователя выражается формулой

, (31)

где D – внутренний диаметр трубопровода; N – число отражений УЗК.

Отношение изменения интенсивностей УЗК на приемных пьезоэлементах D I к начальной интенсивности I ₀ в неподвижной среде можно считать пропорциональным отношению сноса к средней ширине УЗ луча на приемном преобразователе, т.е.

. (32)

Область применения УЗ-преобразователя расхода и скорости: металлургия; нефтехимия; пищевая промышленность.

Достоинства УЗ–преобразователя расхода и скорости:

– отсутствие потерь давления на первичном преобразователе;

– высокое быстродействие (возможность измерения пульсирующего потока с высокой частотой f пульсации);

– возможность работать с жидкостью любой вязкости;

– возможность работать на криогенных и неэлектрических жидкостях.

Недостатки УЗ-преобразователя расхода и скорости:

– зависимость скорости УЗК от физико-химических свойств жидкости;

– зависимость результата измерений от V _ср (осреднение скорости по длине акустического луча, а не по сечению трубы);

– скорость УЗК много больше скорости измеряемой среды (на 2-3 порядка), что обуславливает малое изменение информативного сигнала;

– наличие значительного коэффициента скорости УЗК a_с=(2-5) (м/с)/°С.

Функция преобразования УЗ-преобразователя расхода

и скорости обеспечивается путем:

– реализации заданного алгоритма функционирования УЗ генератора, а также посредством возбуждения излучения и приема УЗК;

– усиление электрического сигнала приемника УЗП;

– наглядное представление информации о расходе.

Функциональные схемы некоторых вариантов