УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ РАСХОДОМЕРЫ

Для определения скоростей нестационарных потоков жидкостей и газов разработаны специальные ультразвуковые методы и соответствующая аппаратура. Определение скорости потока в данных системах производится по изменению параметров ультразвуковых колебаний. Принцип действия ультразвукового расходомера основан на том, что при распространении ультразвуковых колебаний в движущейся среде скорость ультразвука относительно неподвижной системы координат (стенок трубопровода) равна векторной сумме скорости ультразвука относительно среды и скорости самой среды относительно трубопровода. Поэтому если в трубопроводе установлены два пьезоэлектрических преобразователя, излучающих ультразвуковые колебания по направлению потока и против него, и соответственно два приемника ультразвука, расположенных на одинаковом расстоянии от излучателей, то при движении жидкости в трубопроводе сигналы в двух ультразвуковых каналах приходят к приемникам с акустической разностью хода, величина которой однозначно зависит от скорости жидкости.

Принцип действия ультразвуковых расходомеров может быть основан на измерении: 1) времени прохождения ультразвуковых колебаний по потоку и против него; 2) сдвига фаз между ультразвуковыми колебаниями, направляемыми по потоку и против него; 3) разности частот ультразвуковых колебаний, создаваемых автоколебательной схемой и направляемых одновременно по потоку и против него; 4) величины сноса потоком луча ультразвуковых колебаний.

Измерительные схемы ультразвуковых расходомеров первых трех типов могут быть классифицированы следующим образом:

1) двухканальные, в которых имеются два раздельных акустических канала и соответственно две пары пьезопреобразователей;

2) одноканальные, в которых имеются только два пьезопреобра-зователя, служащие попеременно излучателями и приемниками ультразвука.

По акустическим свойствам все конструкции датчиков можно разделить на два основных типа:

а) датчик без преломления, в котором угол между осью трубопровода и направлением распространения ультразвуковых колебаний в контролируемой жидкости не зависит от ее акустических свойств;

б) датчик с преломлением, в котором угол между осью трубопровода и направлением распространения ультразвуковых колебаний в контролируемой жидкости зависит от ее акустических свойств.

Оптимальный тип датчика для данного конкретного случая измерения расхода жидкости должен определяться условиями измерения и в особенности характеристиками измеряемого вещества.

В большинстве случаев при измерении расхода агрессивных жидкостей и пульп поверхность пьезоэлементов должна быть защищена от соприкосновения с контролируемой средой посредством звукопроводящих элементов, параметры которых должны учитываться при расчетах.

Необходимо отметить, что одноканальные схемы ультразвуковых расходомеров в принципе обеспечивают гораздо более высокую точность измерений, чем соответствующие двухканальные схемы.

Принцип действия

Принципиальная схема ультразвукового расходомера приведена на рис. 16. Звуковые колебания высокой частоты (20 кгц и выше), создаваемые электроакустическим излучателем (вибратором) И1 , проходят через поток измеряемой среды и регистрируются приемником П1 , отстоящим от излучателя на расстояние L.

Прибор регистрирует разность Dt времён распространения акустической волны по течению и против течения. На основе этой разницы определяется скорость потока.

Погрешность измерения расхода существующими ультразвуковыми расходомерами составляет величину порядка 2—5% от верхнего предела шкалы. Столь невысокая точность измерений объясняется: зависимостью показаний от профиля скоростей или числа Рейнольдса; изменением скорости распространения ультразвука в измеряемой среде при изменении ее давления, температуры, концентрации; влиянием реверберации (многократного отражения ультразвуковой волны); погрешностями, возникающими в электронной измерительно-преобразовательной схеме; погрешностями, вносимыми акустической ассиметрией условий прохождения ультразвуковой волны по движению потока и против него, и т. п.

Зависимость показаний ультразвуковых расходомеров от числа Рейнольдса объясняется тем, что они измеряют не среднюю скорость потока по сечению трубы, а среднюю скорость по линии ультразвукорого луча. Соотношение между этими скоростями является функцией числа Рейнольдса.

Кроме малой точности измерений, к недостаткам ультразвуковых расходомеров относят большую сложность их измерительной части и вредное влияние ультразвуковых колебаний на физико-химические свойства некоторых промышленных жидкостей и газов.

Основными достоинствами ультразвуковых расходомеров являются:

1) высокая надежность датчиков (излучателей и приемников ультразвуковых колебаний), представляющих собой круглые пластинки кварца или титаната бария, устанавливаемые снаружи трубопровода или защищенные от непосредственного контакта с измеряемой средой металлическим (пластмассовым) звукопроводом;

2) отсутствие элементов, выступающих внутрь трубопровода, что дает те же положительные эффекты, как и у электромагнитных расходомеров;

3) высокое быстродействие, позволяющее измерять пульсирующие расходы с частотой пульсаций до 10000 гц,

4) принципиальная возможность измерять расход, любых жидкостей и газов, в том числе и неэлектропроводных, что выгодно отличает данные приборы от электромагнитных.

В общем можно отметить, что ультразвуковые расходомеры более приемлемы для измерения высоких расходов]. При этом, чем меньше скорость потока по отношению к скорости распространения звука в контролируемой среде, тем, как правило, сложнее и точнее должна быть применяемая аппаратура.