Принцип измерения ультразвукового расходомера

Ультразвуковой расходомер жидкости, газа и пара

Ультразвуковой расходомер — это стандартный расходомер, основой работы которого является измерение скорости потока, а определение расхода потока движущейся среды в нем осуществляется с помощью акустических законов. Такие расходомеры могут быть использованы для измерения расхода потока сред, непроводящих электрический ток.

Измерение расхода жидкостей ультразвуковым расходомером SU7000

Для технологических процессов, где необходимо измерять расход воды или масла имеются бюджетные решения в сфере ультразвуковых расходомеров, например, расходомер ifm electronic SU7000 (Рисунок 4). Принцип действия данного прибора так же основан на принципе измерения времени прохождения сигнала между двумя преобразователями.

Рисунок 4. Расходомер ifm electronic SU7000

Практические применения ультразвуковых расходомеров

В настоящее время одними из самых важных ресурсов являются газ и нефть. Их добыча является сложным процессом со своими особенностями. Так добыча нефти является многостадийным процессом, а получаемые продукты могут иметь высокую температуру, вязкость, и даже застывать при нормальных условиях процесса. Применение ультразвуковых расходомеров в таких условиях является одним из лучших решений.

Типы ультразвуковых расходомеров

Устройство ультразвукового расходомера, основанного на измерении времени прохождения импульса, представлено на рисунке 1. Преобразователи А и В являются и источником, и приемником акустических волн. Сигнал идущий по потоку и против него обладает разным временем прохождения. Разность этого времени пропорционально скорости потока и расходу. Такой метод называется фазовым. Так же существуют частотный метод, основывающийся на измерении времени запаздывания ультразвуковых сигналов.

Рисунок 1. Устройство ультразвукового расходомера

Доплеровский расходомер

Эффект Доплера при ультразвуковом измерении расхода используется следующим образом: излучатель посылает волну с некоторой частотой f и скоростью v; волна отражается от частиц, пузырьков или маленьких вихрей в жидкости, скорость которых равна скорости всего потока; отраженная волна имеет частоту отличную от начальной частоты сигнала; разница этих частот пропорциональна разнице скоростей среды и волны; Зная скорость потока, далее можно рассчитать расход. Схематично принцип действия доплеровского расходомера представлен на рисунке 2.

Рисунок 2. Устройство доплеровского расходомера

Выбор ультразвукового расходомера

В современном мире ультразвук применяется во многих сферах, от бытовых устройств до сложных медицинских аппаратов. Одной из успешных областей применения ультразвуковых эффектов является измерение расхода в промышленности.

Сейчас в промышленности наблюдаются тенденции развития в области безопасности, улучшения качества продукции и постоянной оптимизации процессов. Поэтому измерение расхода становится все более важным. От расходомеров требуют точности, широких эксплуатационных характеристик и простоту применения. К сожалению, не все типы расходомеров могут обеспечить соблюдение всех требований. Одним из немногих типов расходомеров, способных решать сложные задачи измерения расхода, являются ультразвуковые (акустические) расходомеры.

Ультразвуковыми расходомерами являются устройства, принцип действия которых основан на измерении величин, изменяющихся при прохождении акустических колебаний сквозь измеряемую среду. Такие расходомеры могут быть фазовыми, частотными, а также основанными на эффекте Доплера.

Ультразвуковые расходомеры. Устройство, принцип действия, типы и виды ультразвуковых расходомеров.

Принцип действия ультразвуковых расходомеров основан на измерении зависящего от расхода того или иного акустического эффекта, возникающего при прохождении ультразвуковых колебаний через контролируемый поток жидкости или газа.

В последнее время используются две разновидности ультразвуковых расходомеров : расходомеры, основанные на перемещении ультразвуковых колебаний движущейся средой и доплеровский. Наибольшее распространение получила первая группа приборов. В таких расходомерах ультразвуковые колебания, создаваемые пьезоэлементами, направляются по потоку жидкости и против него. Разность времен прохождения ультразвуковыми импульсами расстояния между излучателем и приемником по потоку и против потока пропорциональна скорости потока, т.е. скорость ультразвука относительно стенок трубы зависит от скорости потока.

Основные трудности использования ультразвукового метода связаны с тем, что скорость ультразвука в среде зависит от физико-химических свойств последней: температуры, давления, и она значительно больше скорости среды, так что действительная скорость ультразвука в движущейся среде мало отличается от скорости в неподвижной среде. Разность времен прохождения равна 10 -6 . 10 -7 с даже при скоростях потока 10. 15 м/с, причем измерять нужно с погрешностью 10 -8 . 10 -9 с. Эти обстоятельства обусловливают необходимость применения сложных электронных схем в сочетании с микропроцессорной техникой, обеспечивающих компенсацию влияния перечисленных факторов.

Ультразвуковые расходомеры в последние годы получают все более широкое распространение благодаря следующим положительным чертам:

• значительному динамическому диапазону, достигающему 25—30;

• высокой точности измерения, составляющей ±(1;2) %;

• возможности измерения расхода неэлектропроводных сред (нефтепродукты), загрязненных сред, суспензий;

• широкому диапазону диаметров трубопроводов от 10 мм и выше без ограничений;

• отсутствию потери давления;

• широкому диапазону температур (от -220 до 600 °С) и давлений.

К недостаткам этого метода измерения расхода следует отнести:

• необходимость значительных длин линейных участков до и после преобразователя;

• влияние на показания пузырьков воздуха в потоке;

• необходимость контроля отложений в трубопроводе на его рабочем участке;

• сложность и высокая стоимость приборов, которая при прочих равных условиях в 3—4 раза превышает стоимость тахометрических и электромагнитных расходомеров;

• ограничения по минимальной скорости потока.

Все ультразвуковые расходомеры являются микропроцессорными, на выходе они имеют токовый и импульсный выходные сигналы, цифровой дисплей, интерфейсы RS-232, RS-485, цепь сигнализации, значение суммарного расхода архивируется вместе с указанием нештатных ситуаций. Многие приборы могут измерять расход реверсивного потока.

Рис. 1. Схемы ультразвуковых преобразователей расходомеров:

а — одноканального; б — с отражателями; в — двухканального

Расходомеры по конструктивному исполнению подразделяются на одно- и двухканальные. В одноканальной схеме (рис. 1, а) каждый пьезоэлемент работает попеременно в режиме излучателя и приемника, что обеспечивается системой переключателей. Для увеличения чувствительности ход луча в среде может быть увеличен применением рефлекторов (рис. 1, б). Чувствительность ультразвуковых преобразователей также растет с уменьшением угла между векторами скорости потока и ультразвука. В двухканальной схеме (рис. 1, в) каждый пьезоэлемент работает только в одном режиме — излучателя или приемника. Двухканальные схемы проще одноканальных (нет сложных схем переключения), но точность их меньше, вследствие возможной акустической асимметрии обоих каналов.

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 скорость потока усредненная по ходу луча не равна усредненной по диаметру трубы и соотношение между ними зависит от эпюры скоростей потока. Это обстоятельство является недостатком ультразвуковых расходомеров, определяющим наиболее существенную составляющую методической погрешности.

В ультразвуковых расходомерах SITRANS F фирмы Siemens, благодаря наличию отражателей, ход луча состоит из пяти отрезков, три из которых направлены по хордам, что обеспечивает сканирование профиля потока и измерение средней скорости потока в широком диапазоне измерения его скоростей. При максимальной скорости потока 10 м/с обеспечивается погрешность измерения расхода ±0,5 % в динамическом диапазоне 25 и ±1 % в диапазоне 100. В зависимости от типа местного сопротивления длина линейного участка трубопровода составляет (10. 40)D до преобразователя и 5D после него.

По методу определения времени прохождения импульса между излучателем и приемником ультразвуковые расходомеры подразделяются на времяимпульсные, частотные и фазовые.

В частотных расходомерах каждый последующий импульс посылается излучателем только после достижения предыдущим импульсом приемного пьезоэлемента.

Разность частот следования импульсов, определяемая дифференциальной схемой, 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 и параметров среды. Это является достоинством частотных расходомеров.

В фазовых расходомерах измеряется разность фаз ультразвуковых колебаний частотой, распространяющихся по потоку и против него. Недостаток этих расходомеров — зависимость показаний от изменения скорости звука.

В доплеровских ультразвуковых расходомерах используется отражение ультразвуковых колебаний движущимися частицами потока. Доплеровские расходомеры измеряют местную скорость звука. В трубах малого и среднего диаметров эти расходомеры могут измерять среднюю скорость по диаметру или части площади трубы. В трубах больших диаметров при наличии прямых участков достаточной длины отражатель должен находиться на расстоянии 0,12 D от стенки трубы, где скорость соответствует средней скорости потока. В противном случае необходима индивидуальная градуировка расходомера.

Рис. 2. Схема доплеровского преобразователя

Рис. 3. Структурная схема корреляционного доплеровского расходомера

Сигналы ультразвуковой частоты поступают от генераторов ГУЧ1, ГУЧ2 на акустические преобразователи АП1— АП4, сигналы которых вызывают, благодаря доплеровскому эффекту, вторичные колебания, которые накладываются на основные. Фазовые детекторы ФД1, ФД2 и корреляционный дискриминатор КД, управляемый микропроцессором, обеспечивают получение импульсного сигнала, пропорционального расходу. Эти сигналы могут суммироваться и выводиться на цифровой индикатор, подаваться на оконечный преобразователь ДРК-30П или тепловычислитель. Такие расходомеры могут устанавливаться в трубопроводах диаметром от 50 до 4000 мм при скорости среды от 0,1 до 10 м/с, предел относительной погрешности составляет ±1,5; 2%.

Ультразвуковыми расходомерами называют расходомеры, принцип работы которых основан в прохождении ультразвуковой волны через поток жидкости или газа. Ультразвуковые расходомеры работают в диапазоне частот от 20кГц до 1000 МГц.

Диапазон частот от 20кГц до 1000 МГц.

Для прохождения волны и её интерпретации необходимы приемник и передатчик, которые обладают пьезоэлектрическим эффектом. Таким эффектом обладают следующие материалы кварц, турмалин, тартрата калия, сульфата лития, титанат бария, цирконат титаната свинца. Помещая пьезоэлектрический кристалл в электрическое поле упругая деформация вызывает уменьшение или увеличение его длины в соответствии с величиной и направлением полярности поля.

Прикладывая напряжение, размеры пьезокерамических элементов изменяются. При механических воздействиях пьезокерамический элемент генерирует электрический ток. Поэтому пьезокерамические элементы используются в качестве излучателей и приемников сигнала, т.е. как приемопередатчики.

Принцип работы ультразвукового расходомера

Как понятно из названия, ультразвуковой расходомер в своей работе использует ультразвук, который не воспринимается человеческим ухом.

Звук возникает в результате вибраций, которые распространяются в виде волн. Для того, чтобы появился звук, необходимо учесть несколько моментов: источник, посылающий звуковые волны, воздушную или жидкую среду, в которой могут распространяться звуковые волны и объект, принимающий или улавливающий звуковые волны.

Количество звуковых волн, воспроизведенных вибрирующим объектом в течение некоторого заданного отрезка времени называется частотой звуковых волн. Чем быстрее вибрирует объект, тем больше будет посылаться звуковых волн, тем выше будет частота звука. И соответственно, чем медленнее происходит вибрирование, тем ниже частота.

Термином «ультразвук» называется звук с частотой выше уровня частоты, воспринимаемой человеческим ухом. Для того, чтобы определить скорость движения среды с помощью ультразвуковых расходомеров измеряют изменения ультразвуковых частот.

Если работает ультразвуковой расходомер, то источник, вибрируя, посылает ультразвуковые волны с некоторой заведомо известной частотой. Звуковые волны распространяются, двигаются в потоке среды до тех пор, пока они ни наталкиваются на пузырьки воздуха или на твердые частицы в потоке движущейся среды. Когда звуковые волны сталкиваются с воздушными пузырьками или твердыми частицами, они отталкиваются или отражаются от пузырька или частицы и двигаются в обратном направлении к принимающему устройству или приемнику.

Частица или пузырек в среде, находящейся в покое

При замере среды в покое у отраженных звуковых волн будет та же самая частота, что и у посланных источником звуковых волн. На рисунке выше изображен пузырек воздуха или твердая частица в среде, находящейся в покое. Пузырек или частица начинают вибрировать с частотой, посланных звуковых волн. Если среда находится в движении, уровень частоты отраженных звуковых волн, ультразвукового расходомера, сдвигается или изменяется по сравнению с уровнем частоты посланных звуковых волн. На рисунке ниже ряд звуковых волн «впереди» движущегося пузырька более уплотнен в своем последовательном чередовании, чем «позади» пузырька.

Пузырек воздуха в потоке движущейся среды

Волны позади пузырька вытянуты по своей конфигурации по причине наличия скорости движущегося потока. Сам пузырек тоже несколько деформирован по той же самой причине наличия скорости движущегося потока.

Поскольку пузырек движется по мере того, как он посылает обратно или отражает звуковые волны, то фактически он движется «догоняя» звуковые волны впереди него и удаляясь от волн позади него. Другими словами, пузырек начинает вибрировать с той же самой частотой, что и посланные источником звуковые волны, но в результате наличия скорости движущегося потока, который несет этот пузырек, уровень частоты отраженных волн сдвигается. Когда звуковые волны, скомпрессированные в процессе движения потока впереди пузырька, достигают приемника, частота их выше, чем частота звуковых волн, посланных источником, потому, что интенсивность попадания волн на приемник будет выше, чем интенсивность их попадания на приемник в условиях среды, находящейся в покое.

После того, как пройдет пузырек, на приемник ультразвукового расходомера попадают вытянутые по своей конфигурации волны. Частота этих волн ниже, чем частота звуковых волн, посланных передатчиком. Т.к. в последовательности этих волн отмечается расширение, для того, чтобы попасть на приемник этим вытянутым по своей конфигурации волнам понадобиться больше времени.

По мере увеличения скорости движения потока, увеличивается также и сдвиг по частоте. И наоборот, если скорость движения потока среды уменьшается, то уменьшается и сдвиг по частоте. Другими словами, каждому изменению скорости потока присущ соответствующий сдвиг по частоте. Для измерения скорости потока среды в ультразвуковых расходомерах используется эта взаимосвязь. Затем расходомер преобразует величину скорости потока в соответствующую величину расхода потока.

Сдвиг по частоте между переданными и принятыми звуковыми волнами — это один пример естественного феномена, известного по названием эффект Доплера. Он имеет место при условии наличия относительного движения между источником волны и приемником этой волны. В ультразвуковом расходомере движущиеся вместе с потоком среды пузырьки воздуха или твердые частицы становятся передатчиками волн, т.к. от них отражаются волны.

Измерение расхода нефтепродуктов акустическим расходомером Dynasonics TFXL

Например, для измерения расхода нефтепродуктов может быть использован ультразвуковой расходомер Dynasonics TFXL (Рисунок 3а). Погрешность в 1% позволяет производить высокоточные измерения, учитывая, что измеряемый продукт является дорогим, это важная особенность. Прибор работает со средой, температура которой может находится в диапазоне от −40°С до +176°С. Расходомер использует бесконтактны принцип измерения и позволяет производить монтаж снаружи трубопровода. Высокие эксплуатационные характеристики (температура окружающей среды от −40°С до +85°С) и специальные исполнения для опасных зон позволяют использовать прибор в неблагоприятных условиях.

Рисунок 3а. Расходомер Dynasonics TFXL

Рисунок 3б. Принцип измерения

Принцип работы данного прибора основан на перемещении акустических колебаний в среде. Используются 2 преобразователя, которые одновременно являются и передатчиками, и приемниками. Сигнал попеременно передается от преобразователя к преобразователю, сначала по потоку, затем против потока. По разности скоростей прохождения двух сигналов прибор определяет направление потока и его скорость, которая пропорциональна расходу. Прибор может выдать результат измерений по месту на ЖК-дисплее электронного блока, а также передать по стандартному аналоговому выходу 4-20 мA.

Принцип действия ультразвукового расходомера

Расходомеры StreamLux предназначены для измерения объёмного расхода и количества различных жидкостей в напорных и безнапорных трубопроводах, а также открытых каналах. Расходомеры работают по время-проходному (transit-time), допплеровскому методам измерения, а также измерения ультразвуком расстояния до поверхности потока в лотках и каналах.

Время-проходные ультразвуковые расходомеры серии SLS-700

Среда: Относительно чистые жидкости с наличием посторонних включений не более 10% по объему, в т.ч. напорные канализационные стоки.

Условия измерения: полностью заполненная труба. Давление не имеет значения.

Принцип действия – технология измерения времени прохождения ультразвуковой волны. Датчики накладные ультразвуковые. Они не блокируют поток воды, легко устанавливаются и демонтируются с помощью магнитов или хомутов.

Расходомер использует два накладных ультразвуковых датчика, которые работают одновременно как ультразвуковой передатчик и ультразвуковой приемник. Накладные ультразвуковые датчики крепятся к трубопроводу снаружи на определенном расстоянии друг от друга. Ультразвуковые датчики могут быть установлены V-образным способом, при котором ультразвук пересекает трубу дважды, W-образным способом, когда ультразвук пересекает трубу четыре раза или Z-образным способом, когда накладные ультразвуковые датчики монтируются на противоположных сторонах трубы и ультразвук пересекает трубопровод один раз. Выбор способа монтажа зависит от трубопровода и характеристик жидкости.

Расходомеры StreamLux работают по принципу поочередной передачи и приема частотно-модулированного всплеска звуковой энергии между двумя ультразвуковыми датчиками и измерения времени, за которое звуковой сигнал проходит между ними. Разница в измеренном времени прохождения сигнала прямо и точно определяет скорость жидкости в трубопроводе, как показано на рисунке:

Принцип действия ультразвуковых расходомеров

Метод основан на факте, что ультразвуковому сигналу, направленному против движения потока, для прохождения расстояния от излучателя до приемника требуется больше времени, чем сигналу, направленному по ходу движения потока.

Анимация для объяснения принципа определения расхода, основанного на зависимости от времени. Понимая, что определить время с помощью секундомеров невозможно для данного метода, так как временная разность находится в пределах нано или пикосекунд были реализованы следующие принципы интерпретации сигнала: – Фазные – Частотные – Время импульсные

Фазный принцип определения расхода

Фазовыми называют ультразвуковые расходомеры, основанные на зависимости фазовых сдвигов уз – колебаний, появляющихся на приемных пьезоэлементах. Данный принцип, также основан на разности времен прохождения этими колебаниями одного и того же расстояния по потоку движущейся жидкости или газа и против него. Частота и амплитуда импульсов совпадают в данных расходомерах. Но иногда в конструкциях применяются близкие частоты 6 МГц и 6.01 МГц. В фазовых расходомерах частота выбирается так, чтобы при максимальном расходе получить наибольшую разность фаз, которая может быть измерена фазометром

Сравнивания два сигнала, одинаковых по частоте и амплитуде получаем график, как на рисунке ниже. Из данного графика можно определить фазовый сдвиг одного сигнала относительно другого (Т), после чего определить время и соответственно поток.

2 Частотный принцип определения расхода

Суть их работы в следующем: синтезатор частоты подбирает такое значение частоты ультразвукового сигнала, чтобы по направлению потока укладывалось целое число волн ультразвуковых колебаний. Затем направление излучения реверсируется, и подбирается значение частоты, которое обеспечивает целое число волн против потока. Величина расхода в этом случае пропорциональна разности частот сигналов по потоку и против него. Частотные расходомеры в сравнении с импульсными и фазовыми более устойчивы к загрязнению измеряемой среды, так как прекращают измерение только тогда, когда достигнут результат, а не когда закончилось время импульса.

3 Время – импульсный принцип определения расхода

Для определения времени прохождения импульса по потоку, генератор подает импульс на пьезоэлемент П1, который посылает в жидкость затухающие колебания. В момент передачи звуковых колебаний включается зарядное устройство, которое начинает вырабатывать напряжение. В момент прихода сигнала на пьезоэлемент П2 зарядное устрйтсво отключается. Максимальное значение напряжение пропорционально времени прохождения ультразвуковой волны по потоку жидкости. Таким же образом за время прохода ультразвукового импульса против потока от П2 к П1 вырабатывается напряжение, пропорциональное времени. Разность напряжений измеряется устройством.

2 Ультразвуковые расходомеры с колебаниями, перпендикулярными движению.

Данные расходомеры отличаются от ранее рассмотренных тем, что в них не используются акустические колебания, направленные по потоку и против него. В данных расходомерах звуковые колебания направлены перпендикулярно потоку. При этом происходит измерение степени отклонения луча, зависящего от скорости и химического состава измеряемого вещества, направленного перпендикулярно потоку. При этом лишь один пьезоэлемент (И) излучает акустические колебания. Регистрируются эти колебания одним или двумя пьезоэлементами (П1, П2).

При скорости = 0 здесь выходной сигнал равен нулю, благодаря равенству акустической энергии, поступающей на пьезоэлементы П1 и П2, включенных навстречу друг другу. При движении жидкости правый приемный пьезоэлемент (П2) по сравнению с левым (П2) получает большее излучение . Рассматриваемые расходомеры просты по устройству. В данном методе точность измерения расхода ограничена малой чувствительностью самого метода.

Ультразвуковые расходомеры, основанные на эффекте Доплера

Метод Допплера использует эффект изменения частоты звука, отражающегося от движущихся частиц. Датчик расходомера излучает сигнал, направленный в поток жидкости. Этот сигнал отражается присутствующими в жидкости твёрдыми частицами или газовыми пузырьками. Частота отраженного сигнала отличается от исходной из-за движения жидкости (эффект Доплера). Контроллер расходомера измеряет сдвиг частоты и определяет значение скорости жидкости, которое используется для расчета расхода.

Отраженный от движущихся частиц УЗ сигнал, с помощью быстрого преобразования Фурье – БПФ (Fast Fourier Transform – FFT) трансформируется из временной области в частотную.

Поскольку спектр отраженного сигнала достаточно широк, то находится усредненная частота. Далее вычисляется разница частоты исходного сигнала (сигнала передатчика) и полученной усредненной частоты отраженных сигналов. Эта разница частот в дальнейшем используется для определения скорости движения потока и, затем, для вычисления расхода. По сравнению с другими ультразвуковыми расходомерами допплеровские имеют наименьшую точность ввиду того, что выходной сигнал представляет целый спектр частот, возникающих вследствие сдвига исходной частоты не одной частицей — отражателем, а рядом частиц, имеющих различные скорости. Поэтому относительная погрешность измерения расхода обычно не менее 2-3 %. Допплеровские ультразвуковые расходомеры находят все более широкое распространение. Они применяются главным образом для измерения расхода различных гидросмесей, в том числе пульп, суспензий и эмульсий, содержащих частицы, отличающиеся по плотности от окружающего вещества. Но и естественных неоднородностей (в том числе газовых пузырей), имеющихся в различных жидкостях, бывает достаточно для проявления эффекта Допплера. При их отсутствии рекомендуется вдувать в поток воздух или газ через трубку с отверстиями 0,25-0,5 мм на расстоянии перед преобразователем расхода. Расход вдуваемого газа составляет 0,005 0,1 % от расхода измеряемого вещества.

Применение

Ультразвуковой расходомер жидкости находит применение во многих отраслях промышленности, а также в научных исследованиях: – Нефтедобыча и переработка -Тепло и электрогенерация -Водоочистка -Коммунальное хозяйство -Противопожарные системы -Измерение скорости потоков подземных вод Экономичность и простота монтажа способствуют росту популярности ультразвуковых расходомеров. Они постепенно вытесняют механические счетчики за счет более высокой точности измерений и простоты обслуживания. Расходомеры с накладными датчиками используются для экспресс анализа потока без остановки технологического процесса. В настоящее время начинает прослеживаться тенденция к переходу от механических индивидуальных теплосчетчиков к ультразвуковым.

Преимущества и недостатки ультразвуковых расходомеров

Преимущества: + высочайшая точность + отсутствие вращающихся частей + широкий диапазон рабочих температур + Низкие потери давления + возможность измерения как жидких, так и газообразных продуктов + наличие врезных и накладных моделей + стабильность показаний + высокая надежность + Низкое потребление электричества, в результате чего производятся модели питаемые от батареек, повышенной емкости. Недостатки: – Высокие требования к однородности среды (чувствительность к наличию пузырьков воздуха в воде) – Зависимость измерения от температуры воды – подверженность электромагнитным помехам – Грамотная настройка расходомера для конкретной цели Решение проблемы : Для устранения Зависимость измерения от температуры воды в тело расходомера погружается термосопротивление, после обработки сигналов микропроцессором происходит коррекция потока по температуре. Для снижения зависимости от однородности среды используется поправка по методу Доплера. Для защиты от электромагнитных помех достаточно сделать выравнивание потенциалов между трубопроводами и расходомером. Данные принципы используется в расходомерах компании KAMSTRUP серии ULTRAFLOW® 54 (H), что делает данные расходомеры лидерами среди всех типов расходомеров для измерения тепла и холода.

Какого производителя выбрать

Мы очень долго писали данный материал, будем рады если Вы поставите лайк

Структурная схема ультразвукового расходомера.

2. ПЭП 1 и 2, работающие попеременно в режиме приемник-излучатель, связаны высокочастотным кабелем РК-50 с ЭБ, обеспечивающим посылку возбуждающих импульсов (рисунок) на пьезопреобразователь, работающий в режиме излучателя, и прием (усиление и детектирование) слабых сигналов от пьезопреобразователя, работающего в режиме приемника. (см.рисунок).

временная диаграмма ультразвуковых сигналов расходомера

При движении жидкости в трубопроводе происходит снос ультразвуковой волны, который приводит к изменению времени распространения ультразвукового сигнала (далее – УЗС): по потоку жидкости (от ПЭП 1 к ПЭП 2) время прохождения уменьшается, а против потока (от ПЭП 2 к ПЭП 1) – возрастает. Разность времен прохождения УЗС через жидкость по и против потока пропорциональна скорости потока V и, следовательно, объемному расходу F. По полученным сигналам с пьезопреобразователей рассчитываются: времена прохождения сигнала от ПЭП 1 до ПЭП 2, расход, накопленный объем жидкости, и значение частоты выходного сигнала, пропорционального расходу. Вычисленные таким образом параметры, пропорциональные расходу, объему и времени подаются на текстовый дисплей для отображения.

3. Принцип действия ультразвукового расходомера поясняется рисунком:

Скорость распространения ультразвукового сигнала от излучателя до приемника в жидкости, заполняющей трубопровод, представляет собой сумму скоростей ультразвука в неподвижной воде и скорости потока воды V в проекции на рассматриваемое направление. Время распространения ультразвукового импульса от ПЭП 1 к 2, t1, и от ПЭП 2 к 1, t2, зависит от скорости движения воды в соответствии с формулами:

формула времён ультразвукового расходомера:

где t1, t2 – время распространения ультразвукового импульса по потоку и против потока, с; Lд – расстояние между мембранами пьезопреобразователей, мм; Lа – длина активной части акустического канала, мм; С0 – скорость ультразвука в неподвижной воде, м/с; V – скорость движения жидкости в УПР, м/с; а – угол между осями трубопровода и датчиков ПЭП, градусы. В ультразвуковом расходомере используется метод прямого, высокоточного измерения времени распространения каждого УЗС от одного ПЭП к другому. Из формул (1) и (2) получаем:

формула скорости ультразвукового расходомера:

где dt – разность времен распространения УЗС по потоку и против потока. Из формулы (3), умножая среднюю скорость потока V на сечение трубопровода D, получаем значение расхода воды F, протекающего в месте установки пьезопреобразователей:

формула расхода ультразвукового расходомера:

где D – диаметр трубопровода на месте установки пьезопреобразователей, мм; К – коэффициент коррекции. Коэффициент коррекции К рассчитывается по “Методике поверки”, является программируемым параметром. Гидродинамический коэффициент представляет собой отношение средней скорости потока жидкости в трубопроводе к скорости потока жидкости v, усредненной вдоль ультразвукового луча. Он вычисляется на основе введенных значений шероховатости стенок трубопровода, вязкости контролируемой жидкости, внутреннего диаметра трубопровода, измеренного значения скорости потока. Изменение скорости распространения УЗС в рабочей жидкости, связанное с изменением температуры, давления и/или состава жидкости, ввиду неизменной длины акустического тракта, учитывается в приборе путем определения фактической скорости ультразвука, рассчитанной по формуле:

формула скорости ультразвука ультразвукового расходомера

Объем жидкости V за интервал времени Т определяется в соответствии с формулой:

формула накопленного объема ультразвукового расходомера:

4.Современный метод расчета расхода с использованием весовых коэффицентов: В ультразвуковом расходомере двухлучевого исполнения, построенного на базе двухканального измерителя, на один трубопровод (УПР) устанавливаются две пары ПЭП. При этом измерение расхода по каждому лучу ведется независимо, а измеренное значение расхода в трубопроводе вычисляется по формуле:

формула расхода двухлучевого ультразвукового расходомера:

где W1,W2 – весовые коэффициенты для каждой пары ПЭП (каждого луча); F1, F2 – расход, измеренный по лучу 1 и лучу 2 соответственно. В ультразвуковом расходомере трехлучевого исполнения, построенного на базе трехканального измерителя, на один трубопровод устанавливаются три пары датчиков. При этом измерение расхода по каждому лучу ведется независимо, а измеренное значение расхода в трубопроводе вычисляется по формуле:

формула расхода трехлучевого ультразвукового расходомера:

где W1,W2,W3 – весовые коэффициенты для каждой пары ПЭП (при размещении двух пар ПЭП по хордам и одной пары по центру в соответствии с инструкцией по монтажу). В ультразвуковом расходомере четырехлучевого исполнения, построенного на базе четырехканального измерителя, на один трубопровод устанавливаются четыре пары датчиков. При этом измерение расхода по каждому лучу ведется независимо, а измеренное значение расхода в трубопроводе вычисляется по формуле:

формула расхода четырехлучевого ультразвукового расходомера:

где W1,W4,W2,W3 – весовые коэффициенты для каждой пары ПЭП (при размещении ПЭА по хордам в соответствии с инструкцией по монтажу). Значение расхода определяется при выполнении условия: Fотс Fmax измерение расхода продолжается, но значение расхода становится равным верхнему значению диапазона Fmax.

Конструкция ультразвуковых расходомеров

Преобразователь ультразвукового расходомера состоит из отрезка трубы, на котором установлены пьезоэлемента. Диаметр пьезоэлемента находится в пределах 5-20 милиметров, а его толщина выбирается в зависимости от частоты. В частотных и время-импульсных расходомерах для повешения точности измерений используют частоты 5-20 Мгц.. Обычно в жидкостях применяются частоты ( 50 кГц – 2 МГц. В газовых средах необходимо уменьшать частоты до сотен и десятков Кгц, это вызвано сложностью создания в газах интенсивных акустических колебаний, особенно высокой частоты.

Преобразователи сферического излучения

Данные конструкции применяются в трубах малого диаметра. В качестве преобразователей используются кольцевые пьезопреобразователи, которые создают сферическое излучение. В схеме А , каждый из двух пьезоэлементов по очереди излучает и принимает акустические колебани

Преобразователи с отражателями

Преобразователи с отражателями. Одна из лучших схем для защиты пьезопрезобрателей от условий агрессивной среды и механических примесей в жидкости. В данном случае волна подается от передатчиков-излучателей и, отражаясь от стенок отражателя, попадает на приемник Конструкция 2 А применяется в расходомерах фирмы Kamstrup диаметром до 40 мм.

Схемы с угловым вводом направленных акустических колебаний.

На рисунках А,В,С показаны однолучевые конструкции расходомеров. На рисунке А,D, E трубопровод снабжается особыми впадинами – карманами, в глубине которых находятся пьезоэлементы. Данные конструкции применяются для чистых и неагрессивных сред, так как возможно засорение данных полостей. Также вследствие свободных полостей возможно появление вихрей, влияющих на показание расходомера. Конструкция В лишена данных недостатков, за счет заполнения данных полостей металлом или органическим стеклом. В конструкции С , пьезоэлементы находятся снаружи трубопровода. Они передают акустические колебания через металлические стенки трубы и измеряемому веществу. Чувствительность сигнала гораздо хуже, из-за паразитных сигналов и помех, вызванных прохождением колебаний по стенке трубы. Для увеличения точности используется схемы с двумя, черемя, восьми парами преобразователей-излучателей рисунок D, E .