Ультразвуковые расходомеры (более 20 кГц)

Ультразвуковые расходомеры - это приборы основанные на измерении зависящего от расхода эффекта, возникающего при проходе акустических колебаний через поток жидкости или газа. Почти все применяемые на практике акустические расходомеры работают в ультразвуковом диапазоне частот и поэтому называются ультразвуковыми.

Ультразвуковой расходомер – это устройство, прямым назначением которого является измерение акустических эффектов, возникающих при движении вещества, расход которого необходимо измерить. Решение купить ультразвуковой расходомер будет идеальным, если требуется измерить объем или расход любых жидкостей, передающихся с помощью напорного трубопровода. Если необходим строгий контроль и учет таких показателей, как расход холодной или горячей воды, объем подачи различных нефтепродуктов, газа или отходов, лучшим вариантом будет заказать ультразвуковые расходомеры, которые помогут оперативно и просто контролировать данные параметры. Руководящий состав большинства современных предприятий сходится во мнении, что цена расходомера – маловажный показатель, когда речь идет об экономии в масштабах корпорации. Современный ультразвуковой расходомер – это прибор, который отличается простотой и надежностью в эксплуатации, а также высокой точностью, что делает его отличным решением по низкой цене. Они разделяются на расходомеры, основанные на перемещении акустических колебаний движущейся средой, и расходомеры, основанные на эффекте Доплера, появившиеся позже. Главное распространение получили расходомеры, основанные на измерении разности времен прохождения акустических колебаний по потоку и против него. Значительно реже встречаются ультразвуковые расходомеры, в которых акустические колебания направляются перпендикулярно к потоку и измеряется степень отклонения этих колебаний от первоначального направления. Ультразвуковые расходомеры, основанные на явлении Доплера, предназначены в основном для измерения местной скорости, но они находят также применение и для измерения расхода. Измерительные схемы у них более простые. Наряду с тремя указанными разновидностями ультразвуковых расходомеров имеются акустические расходомеры, получившие название длинноволновых, работающие в звуковом диапазоне частот акустических колебаний. Ультразвуковые расходомеры обычно служат для измерения объемного расхода, потому что эффекты, возникающие при прохождении акустических колебаний через поток жидкости или газа, связаны со скоростью последнего. Но путем добавления акустического преобразователя, реагирующего на плотность измеряемого вещества, можно осуществить и измерение массового расхода. Приведенная погрешность ультразвуковых расходомеров лежит в широких пределах от 0,1 до 2,5 %, но в среднем может быть оценена цифрами 0,5-1 %. Значительно чаще ультразвуковые расходомеры применяют для измерения расхода жидкости, а не газа, вследствие малого акустического сопротивления последнего и трудности получения в нем интенсивных звуковых колебаний. Ультразвуковые расходомеры пригодны для труб любого диаметра, начиная от 10 мм и более.

Существующие ультразвуковые расходомеры очень разнообразны как по устройству первичных преобразователей, так и по применяемым измерительным схемам. При измерении расхода чистых жидкостей обычно применяют высокие частоты (0,1-10 МГц) акустических колебаний. При измерении же загрязненных веществ частоты колебаний приходится существенно снижать вплоть до нескольких десятков килогерц во избежание рассеяния и поглощения акустических колебаний. Необходимо, чтобы длина волны была на порядок больше диаметра твердых частиц или воздушных пузырей. Низкие частоты применяют в ультразвуковых расходомерах газа. Излучатели и приемники акустических колебаний. Для ввода акустических колебаний в поток и для приема их на выходе из потока необходимы излучатели и приемники колебаний - главные элементы первичных преобразователей ультразвуковых расходомеров. При сжатии и растяжении в определенных направлениях некоторых кристаллов (пьезоэлементов) на их поверхностях образуются электрические заряды, и наоборот, если к этим поверхностям приложить разность электрических потенциалов, то пьезоэлемент растянется или сожмется в зависимости от того, на какой из поверхностей будет больше напряжение — обратный пьезоэффект. На последнем основана работа излучателей, преобразующих переменное электрическое напряжение в акустические (механические) колебания той же частоты. На прямомпьезоэффекте работают приемники, преобразующие акустические колебания в переменные электрические напряжения. Пьезоэлектрический эффект был обнаружен прежде всего у природного кварца. Но теперь в качестве излучателей и приемников акустических колебаний в ультразвуковых расходомерах применяют почти всюду лишь пьезокерамические материалы, главным образом титанат бария и цирконаттитаната свинца — твердый раствор цирконата и титаната, свинца, имеющие большой пьезомодуль и высокую диэлектрическую проницаемость, в несколько сот раз больше, чем у кварца. После специальной обработки поверхности излучателей и приемников их покрывают слоем металла (в большинстве случаев путем серебрения). К этому слою припаивают соединительные провода. Для получения интенсивных акустических колебаний надо работать на резонансной частоте пьезоэлемента. При чистых жидкостях целесообразно работать на высоких резонансных частотах и поэтому следует применять тонкие пьезокерамические пластины. Для веществ, содержащих механические примеси или газовые пузыри, когда необходима небольшая частота приходится применять пьезокерамику большой толщины или с двух сторон тонкой пьезокерамической пластины наклеивать толстые металлические накладки. Излучатели и приемники в большинстве случаев изготовляют в виде круглых дисков диаметром 10—20 мм, иногда менее. Принцип действия и разновидности ультразвуковых расходомеров с колебаниями, направленными по потоку и против него. В большинстве случаев плоскости излучающих и приемных пьезоэлементов расположены под некоторым углом к оси трубы. Прохождение ультразвука направленного по потоку и против него характеризуется значением скорости прохождения требуемого расстояния и время затраченное на его прохождение. Таким образом, разность времен прямо пропорциональна скорости. Имеется несколько способов измерения очень малого значения времени: фазовый, при котором измеряется разность фазовых сдвигов акустических колебаний, направляемых по потоку и против него (фазовые расходомеры); времяимпульсный метод, основанный на непосредственном измерении разности времени прохождения коротких импульсов по потоку и против него (времяимпульсные расходомеры); частотный метод, при котором измеряется разность частот повторения коротких импульсов или пакетов акустических колебаний, направляемых по потоку и против него (частотные расходомеры). Большое распространение получил последний метод и его разновидности.

По числу акустических каналов ультразвуковые расходомеры подразделяются на однолучевые или одноканальные, двулучевые или двухканальные и многолучевые или многоканальные. У первых имеются только два пьезоэлемента, каждый из которых по очереди выполняет функции излучения и приема. Их существенное достоинство — отсутствие пространственной асимметрии акустических каналов, зависящих от различия их геометрических размеров, а также различия температур и концентрации потока в них. Вторые имеют два излучателя и два приемника, образующих два независимых акустических канала, которые располагаются параллельно или перекрещиваются друг с другом. Многоканальные применяются при необходимости измерения расхода деформированных потоков или же для достижения повышенной точности, в частности, в случае применения ультразвукового расходомера в качестве образцового. 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). Здесь длины всех хорд равны, что упрощает обработку результатов измерения. В другом варианте (рис. 1, в) все четыре хорды параллельны, причем две из них находятся на расстоянии 0,309D/2, а две другие — на расстоянии 0,809D>/2 от диаметра.

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). Помимо этого, вследствие различия скоростей по сечению трубы путь ультразвукового луча отличается от прямолинейного. 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. Особенно это необходимо при недостаточной длине прямого участка и, следовательно, деформированном профиле скоростей. Если в трубопроводе имеются сопротивления, закручивающие поток, то перед соплом или конфузором следует поместить струе выпрямитель. 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.