Расходомеры и счетчики – ЭлМетро – производитель контрольно-измерительного и метрологического оборудования

Погрешности расходомеров основанных на перемещении акустических колебаний.

Перечислим основные источники погрешностей: неправильный учет влияния профиля скорости; изменение скорости ультразвука в измеряемом веществе; паразитные акустические сигналы; асимметрия электронно-акустических каналов. Кроме этих источников, рассматриваемых далее, имеются еще погрешности, вносимые электронной схемой. Они зависят от характера схемы и должны оцениваться самостоятельно.

Неправильный учет профиля скоростей. Эта погрешность возникает от неравенства средней скорости потока измеряемого вещества средней скорости по пути перемещения акустических колебаний. Это неравенство учитывают поправочным коэффициентом, определить точное значение которого затруднительно.

В переходной же области от ламинарного к турбулентному режиму изменение поправочный коэффициент еще более значительно. Поэтому, если при градуировке прибора принято постоянное значение поправочного коэффициента, соответствующее среднему или другому значению расхода, то при иных расходах возникает дополнительная погрешность измерения.

При деформированных потоках истинное значение поправочного коэффициента особенно трудно определить. В этом случае следует применять преобразователи расхода, в которых акустические колебания направляются по четырем хордам (см. рис. 1), или же устанавливать сопло или конфузор, выпрямляющие эпюру скоростей.

Изменение скорости ультразвука. Скорость ультразвука с в жидкостях и газах зависит от плотности последних, которая изменяется с изменением температуры, давления и состава или содержания (концентрации) отдельных компонентов. Для жидкостей скорость практически зависит лишь от температуры и содержания.

Изменение скорости имеет существенное значение для фазовых и времяимпульсных расходомеров. У них погрешность измерения расхода от изменения с может легко достичь 2-4 % и более, так как при изменении скорости на 1 % погрешность возрастает на 2 %. У расходомеров с излучением, перпендикулярным к оси трубы, погрешность в два раза меньше. У частотных расходомеров изменение значения скорости очень мало сказывается на результатах измерения.

Устранить влияние изменения скорости на показания фазовых и времяимпульсных расходомеров, а также расходомеров с излучением, перпендикулярным к оси трубы, можно, применяя или соответствующие схемы коррекции, или же переходя на измерение массового расхода.

В первом случае вводится дополнительный акустический канал, перпендикулярный к оси трубы. Для фазовых расходомеров соответствующая схема дана на рис. 10. При измерении массового расхода вводится дополнительный пьезоэлемент, служащий для измерения акустического сопротивления среды, пропорционального сопротивления вещества (см. рис. 11 и 13).

В преобразователях с преломлением возможна частичная компенсация влияния с путем подбора материала эвукопровода и угла а его расположения Компенсация происходит потому, что температурное воздействие измерения показателя преломления на разность времен в фазовых и времяимпульсных расходомерах противонаправлено непосредственному воздействию на время изменения скорости.

Но при значительных изменениях температуры этот способ малоэффективен из-за нестабильности температурных коэффициентов. Несколько большие возможности данный способ имеет при установке пьезоэлементов снаружи трубы и применении жидкостных звукопроводов.

Паразитные акустические сигналы. Паразитные акустические сигналы могут иметь различное происхождение. При расположении пьезопреобразователей снаружи трубы часть акустической энергии отражается от поверхности раздела труба—жидкость и распространяется в виде акустических колебаний в стенке трубы.

При этом образуются как продольные, так и поперечные волны. Последние могут достичь приемного пьезоэлемента раньше акустических колебаний, проходящих через жидкость. Для исключения этого предлагается помещать пьезоэлементы с разных сторон фланцевого соединения, снабженного неметаллической прокладкой.

Изменение формы стенки трубы путем создания утолщений, выточек или отражателей также может препятствовать прохождению паразитных сигналов. Другой источник паразитных сигналов — возникновение реверберационной волны в результате отражений ультразвука от границ жидкости с звукопроводами или пьезоэлементами.

Основное значение имеет первый паразитный сигнал, приходящий на приемный пьезоэлемент после двукратного отражения сперва от приемного, а потом от излучающего элемента. Амплитуда и фаза реверберационной волны отличаются от амплитуды и фазы основной волны.

Приемный пьезоэлемент воспринимает результирующие колебания, имеющие свою амплитуду и фазу. В результате возникает сдвиг фазы особенно неприятный для фазовых расходомеров. В частотных расходомерах реверберационный импульс может исказить фронт основного импульса и преждевременно включить частотную схему.

Для исключения этого предложено сдвигать рабочие импульсы по отношению к отраженным с помощью электронной линии задержки. Кроме того, для борьбы с боковыми отражениями в трубах малого диаметра помогает футеровка внутренней поверхности трубы звукопоглощающим материалом (например, фторопластом).

Асимметрия электронно-акустических каналов. В двулучевых расходомерах неизбежна некоторая асимметрия акустических каналов, что может вызвать существенную погрешность измерения разности времен перемещения по направлению потока и против него.

Погрешность от геометрической асимметрии может быть компенсирована при нулевом расходе. Но при отклонении скоростей, при которых эта компенсация производилась, погрешность вновь возникнет, хотя и в значительно меньшей степени. Для уменьшения погрешности оба акустических канала располагают возможно ближе друг к другу.

В этом отношении схемы с каналами, расположенными параллельно (см. рис. 3, л), лучше схем с пересекающимися акустическими каналами (см. рис. 3, м). Наибольшая погрешность может возникнуть в схеме с тремя пьезоэлементами (см. рис. 3, б). При малых диаметрах трубы и низкочастотном, а следовательно, плохо направленном излучении, когда трудно применить преобразователь углового типа, приходится применять особые меры для поддержания равенства температур в обоих каналах.

Так, при измерении небольшого расхода каменноугольной смолы, содержащей твердые частицы и влагу, частота акустических колебаний была взята равной 0,1 МГц, а преобразователь расхода выполнен по схеме, показанной на рис. 194, г. Для выравнивания температуры в каналах, удаленных друг от друга, они просверлены в массивном металлическом блоке, покрытом теплоизоляцией.

Несмотря на все перечисленные меры, устранить полностью погрешность от асимметрии при двухканальных расходомерах нельзя. Это причина преимущественного применения в настоящее время одноканальных схем, особенно при необходимости точного измерения расхода.

Все, что было сказано о погрешностях, относится не только к времяимпульсным, но также и к фазовым и частотным расходомерам, причем в последних вследствие уже упоминавшихся паразитных реверберационных сигналов может возникнуть погрешность от асимметрии фронтов основных импульсов.

Влияние профиля скоростей.

Профиль скоростей оказывает существенное влияние на показания ультразвуковых расходомеров и их погрешность. Рассмотрим это влияние для наиболее распространенных расходомеров с угловым вводом акустических колебаний в одной точке. При этом ультразвуковой луч будет реагировать на скорость, усредненную по диаметру, которая всегда будет больше средней скорости, усредненной по площади сечения трубопровода.

Если акустические колебания посылать не в диаметральной плоскости, а в плоскости, проходящей через какую-либо из хорд. Действительно, по мере удаления хорды от диаметра скорость, усредненная по хорде, будет уменьшаться и при некотором расстоянии между диаметром и хордой, равном (0,5-0,54)

D/2, скорость в турбулентной зоне станет равной усредненной. Зондирование по хорде способствует повышению точности измерения расхода, особенно если оно производится по нескольким хордам, но при этом устройство ультразвукового расходомера усложняется.

Зондирование по нескольким хордам целесообразно прежде всего в образцовых установках, а также при измерении деформированных потоков, особенно в трубах большего диаметра, где трудно обеспечить достаточную длину прямого участка. Это дает снижение погрешности до 0,1 %, но зато здесь при ламинарном режиме погрешность возрастает до 3,5 %.

Большая точность получается при зондировании по четырем (рис. 1,б, в) или пяти хордам. Имеются несколько вариантов расположения четырех хорд. В одном из них две параллельные хорды расположены на расстоянии 0,5D/2 от горизонтального диаметра, а две параллельные другие на таком же расстоянии от вертикального диаметра (рис. 1, б).

Рисунок 1. Схемы расположения хорд для акустического зондирования в ультразвуковом расходомере.

Зондирование по пяти хордам может осуществляться в разных вариантах. Зондирование по пяти параллельным хордам, расположение которых выбрано по квадратурной формуле Гаусса.

Рисунок 2. Ультразвуковой расходомер с акустическим зондированием по трем пространственным хордам.

Зондирование может производиться последовательно по пяти хордам, отстоящим на расстоянии 0.5D/2 от центра трубы и расположенным не в одной плоскости, а в пространстве (рис. 2). Во фланцах 1 и 8 смонтированы два пьезоэлемента 3 и 6 и два отражателя 2 и 7.

Другие два отражателя 4 и 5 находятся на противоположных сторонах стенки трубы. Пьезоэлемент 3 утоплен для уменьшения влияния акустических помех. Проекции хорд, по которым проходят акустические каналы, на сечение, перпендикулярное к оси трубы, образуют равносторонний треугольник.

При последовательном зондировании упрощается схема обработки сигнала и устраняются реверберационные помехи, так как рабочие и отраженные сигналы разделены во времени. Многоканальные акустические расходомеры могут обеспечить высокую точность, не требуют экспериментальной градуировки и могут применяться в качестве образцовых, но они сложны и встречаются сравнительно редко.

Для обычных ультразвуковых расходомеров с зондированием в диаметральной плоскости необходима или экспериментальная градуировка, или же определение поправочного множителя с достаточной точностью. К сожалению, выполнить это не так просто.

На самом деле колебания распространяются в узком пространстве, ограниченном плоскостями, проходящими через две хорды, каждая из которых отстоит от диаметральной плоскости на расстоянии d/2 в ту и другую сторону (d — диаметр излучающего пьезоэлемента).

Для повышения точности ультразвукового расходомера перед преобразователем расхода можно установить сопло или сходящийся конус (конфузор), создающий на выходе весьма равномерный профиль скоростей, при котором множитель может быть принят равным единице.

При малых диаметрах труб гидродинамическую погрешность можно исключить, если изготовить преобразователь расхода с прямоугольным каналом и прямоугольными пьезоэлементами, создающими акустические колебания по всему поперечному сечению потока.

Доплеровские ультразвуковые расходомеры.

Доплеровские расходомеры основаны на измерении, зависящем от расхода допплеровской разности частот, возникающей при отражении акустических колебаний неоднородностями потока. Разность частот зависит от скорости частицы, отражающей акустические колебания и скорости распространения этих колебаний.

При симметричном расположении излучающего и приемного пьезоэлементов (рис. 15) относительно скорости или, что то же, оси трубы углы наклона равны друг другу.

Рисунок 15. Схема доплеровского преобразователя расхода (1,2 – излучающий и приемный пьезоэлемент)

Таким образом, измеряемая разность частот может служить для измерения скорости частицы отражателя, т. е. для измерения местной скорости потока. Это сближает допплеровские ультразвуковые расходомеры с другими расходомерами, основанными на измерении местной скорости.

Для их применения нужно знать соотношение между скоростью и частицы отражателя и средней скоростью поток. В одной работе рассмотрена возможность с помощью допплеровского метода измерить скорости в ряде точек диаметрального сечения потока, т. е. получить профиль скоростей.

Для этого излучатель посылает в поток акустические импульсы длительностью 0,1-1 мкс и частотой 15-23 кГц. Приемное устройство открывается лишь на мгновение через время задержки после посылки импульса. Измеряя время задержки, можно получить информацию о скорости частиц, находящихся в разных точках сечения потока.

При небольших диаметрах труб (менее 50-100 мм) встречаются доплеровские расходомеры, у которых длины излучающего и приемного пьезоэлементов равны внутреннему диаметру трубы. Они реагируют не на одну, а на несколько местных скоростей частиц, находящихся в диаметральной плоскости сечения трубы.

Пример такого прибора показан на рис. 16. Пьезоэлементы из титаната бария, длиной 20 мм, шириной 6-5 мм, частота излучения 5 МГц, допплеровский сдвиг частот порядка 15 кГц. Измеряемое вещество — однопроцентная суспензия бетонита, имеющая диаметры частиц не более 0,1 мм.

Для исключения неопределенности показаний в переходной зоне пьезоэлементы в средней части были экранированы. Благодаря этому отношение скоростей в ламинарной зоне резко возросло и практически стало таким же, как и у турбулентной зоны, и наклон градуировочной прямой стал одинаковым в обеих зонах.

Теперь в большинстве случаев пьезоэлементы у допплеровских расходомеров помещают снаружи трубы. Это особенно необходимо в случае измерения загрязненных и абразивных веществ, но при этом надо считаться с дополнительными погрешностями, обусловленными, в частности, преломлением луча в стенке трубы.

Рисунок 16. Схема доплеровского расходомера в труде малого диаметра (1,2 – излучающий и приемные пьезоэлементы; 3 – генератор колебаний частотой 5 МГц; 4 – фильтр выпрямитель; 5 – усилитель; 6 – измеритель доплеровского сдвига частот)

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.

Преобразователи ультразвуковых расходомеров.

Преобразователь ультразвукового расходомера состоит из отрезка трубы, на котором установлены два или четыре пьезоэлемента. За редким исключением применяют дисковые, дающие направленное излучение.

Если пьезоэлементы установлены снаружи трубы, то преломление луча происходит в ее стенках, но и при внутренней установке пьезоэлементов иногда считают целесообразным внутреннюю полость угловых карманов заполнять звукопроводами из металла или органического стекла, в которых также происходит преломление луча. Учитывать снос надо лишь в преобразователях, имеющих преломление луча, а влиянием скорости потока можно пренебречь.

Обычно диаметр пьезоэлементов берут в пределах 5-20 мм. а их толщину в зависимости от частоты. В частотных и времяимпульсных расходомерах выбирают высокую частоту 5-10 МГц, а иногда даже и 20 МГц, потому что увеличение способствует повышению точности измерения.

В фазовых расходомерах частота выбирается так, чтобы при максимальном расходе получить наибольшую разность фаз, которая может быть измерена фазометром. Обычно применяется частота от 50 кГц до 2 МГц. Это относится к жидкостям. В газовых же средах приходится снижать частоту до сотен и десятков килогерц из-за трудности создания в газах интенсивных акустических колебаний, особенно высокой частоты.

При малых диаметрах труб иногда применяют не дисковые, а кольцевые излучатели и приемники.

На рис. 3 показаны основные схемы преобразователей ультразвуковых расходомеров. В первых двух схемах (рис. 3, а, б) применяют кольцевые пьезопреобразователи, создающие не направленное, а сферическое излучение. Первая из этих схем (а) одноканальная, в которой каждый из двух пьезоэлементов по очереди излучает и принимает акустические колебания. Вторая схема (б) двухканальная, средний пьезоэлемент — излучающий, а два крайних — приемные.

Рисунок 3. Схемы преобразователей ультразвуковых расходомеров.

Преобразователи сферического излучения применяются лишь в трубах весьма малого диаметра, чтобы получить достаточную длину измерительного участка, которая при угловом вводе направленного излучения была бы при малых значениях диаметра очень мала. Получить большую длину можно и с дисковыми преобразователями, если излучение направлено вдоль оси трубы (рис. 3, в, г), если имеется многократное отражение волны от стенки трубы (рис. 3, ж), если применены отражатели (рис. 3, д) или специальные волноводы (рис. 3, е).

Последние особенно целесообразны при необходимости защиты пьезопреобразователя от агрессивной среды. Схема по рис. 3, г — двухканальная, остальные — одноканальные. Значительно чаще применяются схемы с угловым вводом направленных акустических колебаний. На рис.

3, ж-к показаны одноканальные, а на рис. 3, л,м — двухканальные схемы. В большинстве случаев (рис. 3. ж-и, л, м) трубопроводы снабжаются особыми впадинами – карманами, в глубине которых помещены пьезоэлементы. Полости карманов могут быть свободными (рис.

3, ж, з, л, м) или же заполнены звукопроводом из металла или органического стекла (рис. 3, и). В некоторых случаях (рис. 3, к) пьезоэлементы находятся снаружи трубопровода. Они передают акустические колебания через металлический, а иногда и жидкостный звукопровод стенки трубы и далее измеряемому веществу.

Преобразователи по схемам на рис. 3, и, к работают с преломлением звукового луча. Особая схема преобразователя с многократным отражением показана на рис. 3, ж. Для увеличения пути звуковой луч движется зигзагообразно, отражаясь от противоположных стенок канала. Такой преобразователь исследован при работе в небольших каналах квадратного и круглого сечении.

Преобразователи со свободными карманами во избежание их засорения применяют лишь для чистых и неагрессивных сред. Тем не менее, некоторые фирмы предусматривают подвод воды для очистки. Другой их недостаток — возможность появления вихреобразования и влияние на профиль скоростей.

Преобразователи с преломлением (рис. 3, и, к) лишены этих недостатков. Кроме того, они способствуют снижению реверберационной погрешности, так как предотвращают попадание на приемный элемент отраженных колебаний. Но при изменении температуры, давления и состава измеряемого вещества угол преломления и скорость звука в материале звукопровода будут изменяться.

Важное преимущество преобразователей с внешними пьезоэлементами (рис. 3, к) – это отсутствие контакта с измеряемым веществом и ненарушение целостности трубопровода. Однако в нем имеется повышенный уровень паразитных сигналов и помех, вызванных прохождением акустических колебаний по стенке трубы, и чувствительность его значительно хуже.

Пример простой конструкции узла пьезоэлемента преобразователя расхода газового бензина показан на рис. 4.

Рисунок 4. Преобразователь расходомера.

Внутри трубки 3, укрепленной на сетке 2, проходят проводники 4, из которых один соединен с центром дискового пьезоэлемента 7, а другой с помощью контактов 6 из фольги — с его краями. Все это залито эпоксидным компаундом 5 и защищено фторопластовой оболочкой 1. Многолетняя заводская эксплуатация подтвердила надежность работы данного узла.

Более сложным является устройство узла преобразователя с жидкостным звукопроводом, расположенным снаружи трубопровода. Такой преобразователь предназначен для труб, имеющих диаметр 150 мм, и служит для измерения расходов жидкости в пределах 20-200 м3/ч при давлении 0,6 МПа, он применен в расходомерам для малых труб.

Рисунок 5. Преобразователь с кольцевыми пьезоэлементами для труб малого диаметра.

Внутри изоляционной втулки находится дисковый пьезоэлемент диаметром 20 мм. Он прижимается к мембране из оргстекла. Далее акустические колебания передаются через компрессорное масло и стенку трубопровода измеряемому веществу. Масло залито в полость, образованную корпусом и площадкой, вышлифованной в стенке трубопровода.

Пример применения пьезоэлементов кольцевой формы для труб малого (менее 10 мм) диаметра (соответствующий схеме на рис. 3, б) показан на рис. 5. На нем приведены лишь две части измерительного участка трубопровода 2, соединенного накидными гайками 4 и снабженного штуцерами 1.

Кольцевые пьезоэлементы 7, к которым напряжение подается через контактные кольца 6, приклеены к трубе эпоксидной смолой. С обеих сторон каждого пьезоэлемента труба покрыта эпоксидной смолой с наполнителем 3. Это способствует ослаблению паразитных акустических колебаний, идущих по стенке трубы.

Принцип выбора и популярные модели

Ультразвуковой расходомер отличается не только производителем и конструктивными особенностями.

Приобретая расходомер, учитывают следующие особенности.

• Первое, на что обращают внимание, — это тип газа, на который рассчитан счетчик. В паспорте должна быть отметка, какой газ измеряет прибор. Не должно быть указано воздух, азот, природный газ и т.п. Все газы имеют разную плотность, поэтому выбирают прибор, откалиброванный на определенный вид газа, например, природный газ. Учитывают рабочее давление и температуру эксплуатации. Сами приборы способны работать в широком диапазоне температур, а вычислительные блоки могут эксплуатироваться только при положительной температуре;
• Способ монтажа. Существуют три способа.

1. Врезные расходомеры. Представляют собой отдельную секцию с установленным оборудованием.
2. Погружные, для монтажа не требуется вырезать части трубопровода. Достаточно небольшого отверстия в трубе, чтобы закрепить измерительную штангу.
3. Накладные, не требуют вносить изменения в магистраль. На трубу устанавливают датчики и закрепляют с помощью хомутов. Такой способ установки счетчика является оптимальным. Но стоимость оборудования гораздо выше врезных;

• От диаметра магистрали зависит, каким образом будет произведен монтаж оборудования. Это важный параметр. Диаметром определяется ориентировочный расход. Если он не будет соблюдаться, то получить достоверные данные не удастся.

Выбор газового счетчика осуществляется на основании всех этих параметров.

В торговой сети имеются многочисленные типы акустических расходомеров. Рассмотрим наиболее популярные модели:

• Малогабаритный ультразвуковой счетчик типа РСГБ-01. Выпускается в нескольких вариантах: G1,6, G2,5, G4. Предназначен для работы в сетях низкого давления. Диапазон рабочей температуры -10 — 50 0С. Эксплуатируется в вертикальном и горизонтальном положении. Для считывания показаний используется жидкокристаллический дисплей.

• SENSUS G6 — высокотехнологичный счетчик. Применяется для учета в жилых домах, административных зданиях, жилищно-коммунального хозяйства. Отличается высокой точностью измерения, погрешность 0,5%. Для считывания показаний имеется дисплей. Интегрируются в систему сбора данных АСКУГ между потребителем и поставщиком.

• Q.Sonik plus — предназначен для химической, газовой, пищевой промышленности.  Обеспечивает поддерживание аналогового и цифрового интерфейсов. Для интегрирования в системы АСУ ТП. Температура окружающей среды от -50 до 600С;

• GC868 – акустический счетчик. Учитывает расход большинства газов. Природного, сжатого, агрессивных, токсичных, спецгазов, пара и т.д. Комплектуется накладными преобразователями. Удобен в монтаже и эксплуатации;

• Ирга-РУ – промышленный счетчик. Работает в широком диапазоне давления. Высокая точность измерения 0,5%. Отсутствуют жесткие требования к прямым участкам. Отличается высоким быстродействием.

Полезная статья? Оцените и поделитесь с друзьями! 

Расходомеры и счетчики – элметро – производитель контрольно-измерительного и метрологического оборудования

Ультразвуковые расходомеры с коррекцией на скорость звука и плотность измеряемого вещества.

Рассмотренные ранее ультразвуковые расходомеры служат для измерения объемного расхода. Для измерения массового расхода надо иметь отдельный дополнительный пьезоэлемент, возбуждаемый на резонансной частоте, который посылает акустические колебания в измеряемое вещество.

Напряжение, снимаемое с него, пропорционально удельному акустическому сопротивлению вещества, если последнее много меньше сопротивления генератора. Умножая электрический сигнал, создаваемый этим пьезоэлементом, на сигнал, пропорциональный объемному расходу, получим на выходе сигнал, пропорциональный массовому расходу.

Для устранения погрешности от изменения скорости ультразвука с в измеряемом веществе в фазовых и времяимпульсных расходомерах применяют особые схемы коррекции. Для этой цели устанавливается дополнительная пара пьезоэлементов на противоположных концах диаметра трубопровода.

Время прохождения акустических колебаний между ними обратно пропорционально скорости. Соответствующий корректирующий измерительный сигнал пропорционален скорости. Он возводится в квадрат и на него делится основной сигнал расходомера. Очевидно, результирующий сигнал будет пропорционален скорости и не будет зависеть от скорости ультразвука. На рис.

10 дана схема подобного одноканального фазового расходомера. Программное устройство ПУ обеспечивает поочередную подачу от генератора Г электрических колебаний частотой 1/3 МГц и к пьезоэлементам П1 и П2 через коммутатор К. Принятые колебания от этих пьезоэлементов поступают через коммутатор К, приемное устройство П и преобразователь частоты Ч2, снижающий частоту до 1/3 кГц, в измеритель ИФ сдвига фазы между ними и исходными колебаниями, поступающими от генератора Г через преобразователь частоты Ч1.

Рисунок 10. Схема фазового одноканального расходомера с коррекцией на скорость звука.

Пьезоэлементы ПЗ и П4 имеют свой генератор-усилитель ГУ и вырабатывают сигнал, пропорциональный времени прохождения ультразвука между ними и, следовательно, пропорциональный скорости звука . В устройстве Ик происходит деление сигнала на квадрат сигнала и в измерительный прибор ИП поступает сигнал, пропорциональный скорости. Его относительная погрешность 1 %.

Имеются схемы с компенсацией влияния скорости ультразвука для времяимпульсных расходомеров.

Показания частотных расходомеров не зависят от значения скорости звука и поэтому здесь не требуется коррекции на скорость ультразвука. Но если частотный расходомер измеряет массовый расход, то необходим пьезоэлемент, работающий на резонансной частоте.

С его помощью образуется сигнал пропорциональный сопротивлению вещества, из которого надо исключить множитель скорости. Для этого в схему вводят блок сложения частот повторения импульсов или пакетов акустических колебаний по потоку и против него, имея в виду, что сумма частот пропорциональна скорости. Схема такого частотно-пакетного расходомера показана на рис. 11.

Рисунок 11. Схема частотно-пакетного массового расходомера.

Фазовые ультразвуковые расходомеры.

Фазовыми называют ультразвуковые расходомеры, основанные на зависимости фазовых сдвигов ультразвуковых колебаний, возникающих на приемных пьезоэлементах, от разности времен прохождения этими колебаниями одного и того же расстояния по потоку движущейся жидкости или газа и против него. Действительно, при условии, что начальные фазы обоих колебаний, имеющих период и частоту, совершенно одинаковы.

Было предложено и реализовано много схем одно- и двухканальных фазовых расходомеров. В одноканальных расходомерах большим разнообразием отличаются схемы переключения пьезоэлементов с излучения на прием, в частности, схемы с одновременной посылкой коротких ультразвуковых пакетов и одновременным переключением пьезоэлементов с излучения на прием.

Подобная схема применена в одноканальном расходомере, разработанным для измерения расхода суспензии полиэтилена в бензине в трубе диаметром 150 мм, Q = 180 м /ч, частота колебаний 1 МГц. Угол излучения 22°. Приведенная погрешность ±2 %. Пьезоэлементы расположены снаружи трубы (см. рис. 3, к).

Электронная схема расходомера включает в себя коммутирующее устройство; задающий генератор; два генератора амплитудно-модулированных колебаний, поступающих на пьезоэлементы; устройство регулировки фазы, состоящее из усилителя ограничителя, усилителя мощности, реверсивного двигателя, фазовращателя и фазорасщепителя; измерительный фазометр и фазометр синхронизации, из которых каждый состоит из катодного повторителя, селекторных усилителей, фазового детектора и схемы автоматической регулировки усиления.

В расходомере, разработанном для контроля нефти и нефтепродуктов, переключение пьезоэлементов с излучения на прием производится с помощью мультивибратора, управляющего модуляторами задающего генератора. Особый генератор создает синусоидальное напряжение низкой частоты, из которого в триггерном устройстве образуются прямоугольные импульсы. Задний фронт этих импульсов служит для включения мультивибратора.

В схеме расходомера, ультразвуковые колебания частотой 2,1 МГц в течение 500 мкс распространяются навстречу друг другу со сдвигом фазы на 180°, после чего мультивибратор переключает пьезоэлементы с режима излучения на режим приема. В другом зарубежном расходомере переключение производится особым генератором, создающим сигналы двух форм.

Один из сигналов включает генератор, возбуждающий колебания пьезоэлементов, второй сигнал переключает пьезоэлементы на прием. Принятые колебания после усиления преобразуются в импульсы прямоугольной формы. После прохода через детектор сдвига фаз ширина импульсов на выходе пропорциональна этому сдвигу.

Ввиду сложности большинства схем переключения пьезоэлементов с излучения на прием созданы фазовые одноканальные расходомеры, не требующие переключения. В таких расходомерах оба пьезоэлемента непрерывно излучают ультразвуковые колебания двух разных, но весьма близких частот, например 6 МГц и 6,01 МГц.

Рисунок 6. Схема фазового ультразвукового расходомера.

Более простые электронные схемы имеют двухканальные фазовые расходомеры. На рис. 6 показана схема предназначенного для измерения расхода жидкостей в трубах, имеющих D, равный 100 и 200 мм, и рассчитанного на Qmax, равный 30; 50; 100; 200 и 300 м3/ч. Частота 1 МГц, максимальная разность фаз (2-2,1) рад.

Погрешность расходомера 2,5 %. Генератор Г с помощью согласующих трансформаторов связав с пьезоэлементами И1 и И2. Ультразвуковые колебания, излучаемые последними, проходят через жидкостные волноводы 1, мембраны 3, герметично вмонтированные в стенки трубопровода 4, проходят через измеряемую жидкость 2 и затем через мембраны 5 и жидкостные волноводы 6 поступают на приемные пьезоэлементы П1 и П2.

Последние на выходе соединены с фазометрической схемой в составе фазорегулятора ФВ; двух одинаковых усилителей У1 и У2, управляемых узлами автоматической регулировки АРУ1 и АРУ2; фазового детектора ФД и измерительного прибора (потенциометра) РП. Фазорегулятор ФВ предназначен для регулировки начальной точки фазового детектора и корректировки нуля. Приведенная погрешность расходомера ±2,5 %.

Фазовые расходомеры были раньше самыми распространенными среди ультразвуковых, но в настоящее время преимущественное применение имеют другие расходомеры, с помощью которых можно получить более высокую точность измерения.

Частотные ультразвуковые расходомеры.

Частотными называются ультразвуковые расходомеры, основанные на зависимости разности частот повторения коротких импульсов или пакетов ультразвуковых колебаний от разности времен прохождения этими колебаниями одного и того же расстояния по потоку движущейся жидкости или газа и против него.

В зависимости от того, измеряются ли разности частот пакетов ультразвуковых колебаний или коротких импульсов, проходящих через жидкость или газ, расходомеры называются частотно-пакетными или частотно-импульсными. Принципиальная схема последнего с двумя акустическими каналами показана на рис. 7.

Генератор Г создает колебания высокой частоты (10 МГц), которые после прохода через модуляторы Ml и М2 поступают к пьезоэлементам И1 и И2. Как только первые электрические колебания, создаваемые пьезоэлементами П1 и П2, пройдя через усилители У1 и У2 и детекторы Д1 и Д2, достигнут модуляторов М1 и М2, последние, работающие в триггерном режиме, запирают проход колебаний от генератора Г к пьезоэлементам И1 и И2.

Рисунок 7. Частотно-пакетный двухканальный расходомер.

В частотно-импульсных расходомерах генератор вырабатывает не непрерывные колебания, а короткие импульсы. Последние поступают к излучающим пьезоэлементам с интервалами, равными времени прохождения ультразвука по и против скорости потока. У них частоты в два раза больше, чем у частотно-пакетных расходомеров.

Незначительная разность частот у частотных расходомеров — существенный недостаток, затрудняющий точное измерение.

Поэтому предложено несколько способов увеличения разности частот, реализованных в частотных расходомерах, построенных в большинстве случаев по одноканальной схеме. К числу этих способов относится выделение из частот гармоники и измерение разностной частоты, а также умножение разности k раз перед поступлением в измерительное устройство. Способы умножения разностной частоты могут быть различны.

Рисунок 8. Схема одноканального частотного расходомера.

На рис. 8 приведена схема, в которой измеряется разность частот двух управляемых генераторов, периоды которых с помощью автоматической подстройки частоты устанавливаются в к раз меньшими времени распространения ультразвуковых колебаний в направлении скорости потока и против нее.

Преобразователь расхода одноканальный имеет пьезоэлементы 1 и 2, к которым поочередно поступают импульсы: к первому от генератора 4 с периодом повторения Т1, а ко второму от генератора 8 с периодом повторения Т2. Время прохождения акустических импульсов в трубопроводе по потоку т1 и против него т2, в к раз больше периодов Т1, и Т2 соответственно.

Поэтому в потоке одновременно будет находиться к импульсов. При посылке акустических импульсов по потоку коммутатор 5 одновременно подключает пьезоэлемент 1 к генератору 4, в пьезоэлемент 2 к усилителю приемных сигналов 6. При обратной посылке импульсов генератор 8 подключается к пьезоэлементу 2, а усилитель 6 к пьезоэлементу 1.

С выхода усилителя 6 импульсы поступают на вход дискриминатора времени 10, на который одновременно через коммутатор 9 поступают импульсы от генератора 4 или 8, создающие опорное напряжение на дискриминаторе. Напряжение на выходе дискриминатора равно нулю, если импульсы от усилителя 6 поступают одновременно с импульсами от генераторов.

В противном случае на выходе дискриминатора возникнет напряжение, полярность которого зависит от того, опережают ли или отстают от опорных импульсы от усилителя 6. Это напряжение через коммутатор 11 подается через усилители к реверсивным двигателям 3 или 7, которые изменяют частоту импульсов генераторов 4 и 8 до тех пор пока напряжение на выходе дискриминатора станет равным нулю.

Другой путь умножения разностной частоты состоит в измерении разности частот двух генераторов высокой частоты, из которых у одного период колебаний пропорционален времени прохода акустических колебаний по направлению потока, а у другого — пропорционален времени прохода акустических колебаний против потока.

После прохода через делительное устройство через каждые 6 мс посылаются два импульса, разделенные временем. Первый импульс проходит по потоку (или против него) и после усиления поступает на схему сравнения, куда подается также второй импульс без прохода, через акустический тракт.

Если эти два импульса поступают не одновременно, то включается устройство, регулирующее частоту одного генератора, пока на схему сравнения не будут приходить оба импульса одновременно. А это будет тогда, когда период этих импульсов будет равны. Погрешность измерения расхода не превышает ±1 %.

В рассмотренных одноканальных частотно-импульсных расходомерах имеется поочередная коммутация импульсов, направленных по потоку и против него. Это требует точного измерения и запоминания частот автоциркуляции импульсов по потоку и против него с последующим измерением разности.

Этих недостатков лишены одноканальные расходомеры в которых одновременно автоциркулируют ультразвуковые сигналы по потоку и против него, которые совершенно безынерционны.

При этом исключаются большие погрешности, присущие способам запоминания частот автоциркуляций ультразвуковых сигналов по потоку и против него с последующим выделением сигнала разности частот автоциркуляций, выделения сигнала разностной частоты, основанном на подстройке частот генераторов, на реверсивном счете импульсов и др.

Кроме того, в расходомерах предусмотрено автоматическое возобновление их действия при нарушении работы схемы вследствие возникновения акустической непрозрачности вещества в трубе (появление газовой фазы, полный или частичный уход жидкости), расходомеры индицируют направление течения потока и измеряют расход в обоих направлениях течения потока.

Расходомер показал свою хорошую работоспособность в длительной заводской эксплуатации, приведенная погрешность расходомера не превышает ±0,5%. Расходомер разработанный для динамических измерений расхода топлива в авиационных двигателях, а также для измерения горючего в грузовых автомобилях.

Результаты испытаний показали, что измерения расходомером не изменялись при резком повороте потока под углом 90° на расстоянии одного диаметра условного прохода перед преобразователем в плоскости оси преобразователя и оси узлов пьезоэлементов, т. е. совершенно не требуются длины прямолинейных участков труб.

Переходная область течения в преобразователе находилась в начальном участке градуировочной характеристики расходомера. Резкого перегиба или излома характеристики в начальном участке не было, начальный участок градуировочной характеристики был таким же.

Выводы.

Из четырех рассмотренных разновидностей акустических расходомеров наибольшее применение получили приборы с ультразвуковыми колебаниями, направляемыми по потоку и против него. Ультразвуковые расходомеры со сносом применяются очень редко. Они значительно менее чувствительны, чем первые.

Из трех методов измерения разности времен прохождения ультразвуковых колебаний по потоку и против него наибольшее распространение получил частотно-импульсный метод с одноканальным преобразователем расхода. Он может обеспечить наибольшую точность измерения, а приведенная погрешность измерения может быть снижена до (0,5-1) %.

Созданы приборы с еще меньшей погрешностью, вплоть до ±(0,1 0,2) %, что позволяет применять такие приборы в качестве образцовых. Измерительные схемы двухканальных расходомеров проще, но точность их ниже. Фазовые расходомеры имеют преимущество перед частотными при необходимости измерения малых скоростей вплоть до 0,02 %, а также при измерении загрязненных сред.

При деформированном поле скоростей вследствие недостаточной длины прямого участка трубопровода может возникнуть большая дополнительная погрешность. Для устранения погрешности надо применять сопло или конфузор, выравнивающие профиль, или же преобразователь расхода, в котором акустические колебания направляются не в диаметральной плоскости, а по несколькими хордам.

Основная область применения ультразвуковых расходомеров — измерение расхода различных жидкостей. Особенно целесообразны они для измерения расхода неэлектропроводных и агрессивных жидкостей, а также нефтепродуктов.

Справочные данные:

Фазовые ультразвуковые расходомеры

Частотные ультразвуковые расходомеры

Времяимпульсные ультразвуковые расходомеры

Ультразвуковые расходомеры с коррекцией на скорость звука и плотность измеряемого вещества

Доплеровские ультразвуковые расходомеры

Используемая литература:

Кремлевский П. П. Расходомеры и счетчики количества веществ: Справочник: Кн. 2 / Под общ. ред. Е. А. Шорникова. — 5-е изд., перераб. и доп. — СПб.: Политехника, 2004. — 412 с