Ультразвуковые расходометры

01.06.2023

Работа ультразвуковых (акустических) расходомеров базируется на прохождении ультразвуковой волны (УЗВ) сквозь толщу жидкости или газа. Приборы данной категории функционируют в очень широком частотном диапазоне: от 0,02 до 1100 МГц.

Распространение и интерпретацию УЗВ обеспечивают и контролируют два взаимодействующих устройства – приемник и передатчик, обладающие пьезометрическими свойствами. Этот эффект достигается за счет использования таких материалов как кварц, турмалин, титанат бария, тартрат калия, цирконат-титанат свинца. При нахождении в электромагнитном поле пьезоэлектрический кристалл деформируется: его размеры увеличиваются или уменьшаются в зависимости от величины и направления поляризации электромагнитного поля. После механического воздействия пьезокерамические элементы генерируют электрический ток, благодаря чему они используются как совокупность излучателя и приемника ультразвуковых сигналов, то есть как приемопередатчики.

Конструктивные особенности приборов

Ультразвуковой расходомер представляет собой отрезок трубы с установленными на нем пьезоэлектрическими элементами диаметром от 5 до 25 мм. Чтобы повысить точность показаний частотных и время-импульсных приборов, диапазон частот ограничивают значениями в переделах 5-20 МГц. Для жидких сред обычно используют частоты в пределах 0,05-2 МГц, а для газов частоту понижают до нескольких сотен и даже десятков килогерц ввиду сложностей с созданием высокочастотных звуковых колебаний.

Преобразователи сферического излучения

В трубопроводных сетях небольшого диаметра широкое распространение нашли кольцевые преобразователи сферического излучения. На схеме А показаны два пьезоэлемента, каждый из которых попеременно посылает и принимает колебания в ультразвуковом диапазоне.

Преобразователи с отражателями

В схемах, где используются данные приборы, наилучшим образом реализуется их защита от воздействия агрессивных сред и присутствующих в жидкостях механических взвесей. Звуковая волна, излучаемая передатчиком, отражается от стен отражателя и улавливается приемником.

Схемы, реализующие угловой ввод направленных звуковых колебаний

На схемах A, B и C приводятся конструкции однолучевых расходомеров. На схемах A, D и E видно, что труба имеет впадины-карманы, в которых располагаются пьезометры. Подобные конструкции оптимально подходят для незасоренных сред. В противном случае возникает риск загрязнения полостей, что может привести к появлению вихрей и искажению показаний расходомера. В конструкции, приведенной на схеме B, этот риск сведен к минимуму благодаря заполнению полостей оргстеклом. В конструкции, приведенной на схеме C, пьезоэлементы расположены с внешней стороны трубы и направляют звуковые колебания в измеряемую среду сквозь ее стенки. В данном случае чувствительность сигнала падает из-за присутствия помех, возникающих при прохождении акустической волны сквозь стену трубы. Чтобы повысить достоверность измерений, применяются схемы с двумя, четырьмя и восемью парами излучателей-преобразователей, как показано на схемах D и E.

Принцип действия

По принципу действия ультразвуковые расходомеры подразделяются на три основные категории.

Расходомеры, определяющие расход по временному фактору

Основа метода заключается в том, что УЗВ, направленная по ходу потока, проходит расстояние от передатчика до приемника за меньшее время чем УЗВ, направленная в противоположном направлении, то есть против следования потока. Эта временная разница столь ничтожна (не более нескольких наносекунд), что измерить ее с помощью штатного секундомера невозможно. В связи с этим используют следующие методы интерпретации сигнала:

• фазовый;
• частотный;
• время-импульсный.

Соответственно, ультразвуковые расходомеры данной категории ранжируются по тому, какой из перечисленных методов лежит в основе их работы.

1. Расходомеры на основе фазового принципа определения расхода

К фазовым относятся ультразвуковые расходомеры, принцип работы которых основан на фазовых сдвигах ультразвуковых колебаний в принимающих пьезоэлементах. Иными словами, речь идет о разности времени прохождения звуковой волной одной и той же дистанции, но в различных направлениях: по ходу и против хода потока движущейся жидкости или газа. В фазовых приборах частота и амплитуда колебаний идентичны, хотя в некоторых моделях допускаются небольшие отклонения (например, 6 или 6,1 МГц). Частоту выбирают таким образом, чтобы при предельном расходе достигнуть наибольшей разности фаз, измеряемой фазометром.

На базе сравнения двух одинаковых по частоте и амплитуде сигналов строится график, показанный на рисунке ниже. По графику можно установить фазовый сдвиг сигналов (Т), время их прохождения и расход потока.

2. Расходомеры на базе частотного принципа определения расхода

Сущность работы этих приборов: синтезатор частоты выбирает частоту ультразвукового сигнала таким образом, чтобы на конкретном участке количество волн, идущих по направлению потока, составляло целое число. После этого синтезатор частоты меняет направление излучения на противоположное, посылая волны против течения потока. Далее действие повторяется по предыдущему алгоритму. Значение расхода рассчитывается исходя из того, что оно находится в пропорциональной зависимости от разности частот звуковых волн, идущих в противоположных направлениях. Частотные приборы по сравнению с фазовыми и время-импульсными аналогами лучше переносят загрязненность измеряемой среды, поскольку продолжают работу даже тогда, когда истекло время передачи импульса.

3. Расходомеры, в основе которых лежит время прохождения импульса

Работа время-импульсных приборов основана на определении времени прохождения сигнала поочередно в прямом и реверсивном направлении. Ультразвуковой импульс, передаваемый импульсным генератором, улавливается пьезоэлементом П1, который, в свою очередь, передает затухающие колебания в измеряемую среду. Во время этого процесса подключается зарядное устройство, создающее разность потенциалов. Когда импульс доходит до пьезоэлемента П2, зарядное устройство выключается. За период прохождения ультразвуковой волны от П2 до П1, т.е. против потока, выработка напряжения возобновляется. В обоих случаях величина напряжения пропорциональна времени прохождения сигнала. Расходная характеристика определяется прибором исходя из разности полученных напряжений.

Расходомеры, направляющие сигнал перпендикулярно движению потока

Данный тип приборов отличается от выше рассмотренных тем, что звуковые колебания направляются не вдоль, а поперек потока. В процессе работы измеряется угол отклонения луча, который зависит от скорости и физико-химических свойств измеряемой среды. В данном случае только один пьезоэлемент (И) генерирует ультразвуковые колебания, которые улавливаются пьезоэлементами П1 и П2 (одним или обоими одновременно). При нулевой скорости потока выходной сигнал также равен нулю, так как акустическая энергия, поступающая на П1 и П2, одинакова. Когда жидкость начинает двигаться, правый пьезоэлемент (П1) получает больше излучаемой энергии, чем левый (П2). Расходомеры данного типа имеют простое устройство и высокий уровень чувствительности, однако точность их показаний сильно зависит от состояния отражающей поверхности трубы.

Расходомеры, использующие эффект Допплера

Допплеровский эффект заключается в изменении частоты акустической волны, отражающейся от движущихся в потоке жидкости или газа мелких частиц и воздушных пузырьков. Частота сигнала исходного и отраженного сигнала разная, то есть происходит сдвиг по частоте. Сдвиг частот измеряет контроллер расходомера и на основании полученных данных определяет скорость потока. Расход рассчитывается путем умножения скорости на площадь живого сечения потока.

В сравнении с иными типами ультразвуковых расходомеров допплеровские приборы обладают наименьшей точностью измерений, часто превышающей 2%. Вызвано это тем обстоятельством, что в выходном сигнале содержится широкий спектр частот, что обусловлено отражением сигнала не от одной, а от множества частиц, движущихся с разными скоростями. Тем не менее, приборы, использующие допплеровский эффект получили широкое распространение там, где точность измерений не является критическим параметром. Их можно встретить на трубопроводах, транспортирующих гидравлические смеси: пульпы, суспензии, эмульсии, где содержится большое количество взвешенных твердых частиц разного калибра, а также газовых пузырьков. В чистую однородную жидкость для проявления допплеровского эффекта часто вдувают воздух или газ через тонкую трубку, которую помещают на некоторым расстоянии от расходомера.

Применение ультразвуковых расходомеров

Акустические расходомеры различных модификаций используются во многих отраслях народного хозяйства:

• нефтяная, нефтеперерабатывающая и нефтехимическая промышленность;
• энергетика и теплоснабжение;
• водоподготовка и водоочистка;
• жилищно-коммунальное хозяйство;
• системы пожаротушения;
• научные лабораторные исследования.

Популярность приборов данной категории обусловлена несложной конструкцией, простотой монтажа и технического обслуживания. Они постепенно внедряются в различные отрасли производства, вытесняя устаревшие, недостаточно точные механические счетчики. Особенно наглядно эта тенденция проявляется в сфере ЖКХ, где замена индивидуальных механических приборов учета на ультразвуковые идет опережающими темпами. Модели с накладными датчиками позволяют проводить экспресс-анализ потока жидкости или газа, не прерывая технологический процесс.

Достоинства и недостатки ультразвуковых расходомеров

К сильным сторонам акустических расходомеров относятся:

• надежность, долговечность и ремонтопригодность за счет отсутствия подвижных деталей;
• способность работать с широким диапазоном температур;
• способность производить измерения как в жидких, так и газообразных средах;
• стабильность показаний;
• малое энергопотребление, что позволяет разрабатывать и выпускать модели с питанием от батареек с повышенной энергоемкостью;
• большое разнообразие моделей, что способствует расширению области применения ультразвуковых расходомеров.

Как и любой измерительный прибор, акустический расходомер не лишен недостатков. Самыми существенными из них являются:

• недостаточно высокая точность (погрешность измерений достигает 2% и более);
• требовательность к однородности измеряемой среды (повышенная чувствительность к присутствию в воде и газе воздушных пузырьков);
• влияние температуры измеряемой среды на точность показаний;
• подверженность воздействию электромагнитных помех;
• необходимость грамотной настройки прибора под конкретную среду.

Чтобы устранить или хотя бы снизить зависимость точности измерений от температуры рабочей среды, в тело расходомера погружают терморезистор. Его сигнал обрабатывает микропроцессор, после чего происходит корректировка показаний прибора с учетом температурных колебаний.

Для уменьшения влияния неоднородности измеряемой среды применяется поправка по методу Доплера. Проблема электромагнитных помех решается путем выравнивания напряжения между расходомером и трубопроводом.