Принцип действия ультразвукового расходомера
1. Электронный блок ультразвукового расходомера выполнен в влагозащищенном пластмассовом корпусе настенного исполнения. Электронная схема ультразвукового расходомера выполнена по принципу многоступенчатой гальванической развязки (>1000 В) всех функциональных элементов между собой. Такой принцип обеспечивает максимальную помехозащищенность и надежность прибора в реальных и жестких условиях эксплуатации. В электронной схеме прибора применены надежные источники питания со временем наработки не менее 500 000 часов.
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:
принцип действия ультразвукового расходомера
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:
Классификация ультразвуковых расходомеров
Ультразвуковыми расходомерами называют расходомеры, принцип действия которых заключается в измерении какого-либо физического эффекта (в зависимости от расхода) , создающего при прохождении акустических колебаний сквозь поток жидкости или газа. Большинство акустических расходомеров работают в ультразвуковом диапазоне частот.
Ультразвуковые расходомеры подразделяются на:
• расходомеры, работающие по принципу перемещения акустических колебаний движущейся средой
• расходомеры, работающие на принципе эффекта Допплера
Наибольшее применение получили ультразвуковые расходомеры, сконструированные на принципе измерения разности времени прохождения акустических колебаний по направлению потока и против потока измеряемого вещества. Ультразвуковые расходомеры, в которых акустические колебания проходят перпендикулярно к потоку и измеряется величина отклонения этих колебаний от первоначального направления встречаются редко. Ультразвуковые расходомеры работающие на явлении Допплера, используются для измерения местной скорости потока, реже для измерения расхода вещества и имеют более простые измерительные схемы.
Кроме вышеуказанных разновидностей ультразвуковых расходомеров, разработаны длинноволновые акустические расходомеры, работающие в звуковом диапазоне частот акустических колебаний.
Ультразвуковые расходомеры, как правило, используют для измерения объемного расхода вещества, но при добавлении в конструкцию расходомера реагирующего на плотность (датчик температуры, датчик давления) измеряемого вещества акустического преобразователя, возможно измерение массового расхода. Погрешность измерения ультразвуковых расходомеров находится пределах от 0,1 до 2,5 %. Чаще всего такие ультразвуковые расходомеры используют при измерении расхода жидкости, так как газы имеют низкое акустическое сопротивление и сложность получения интенсивных звуковых колебаний. Ультразвуковые расходомеры применяют для измерения расхода в трубах диаметром 10 мм и больше 2 м.
Ультразвуковые расходомеры отличаются по устройству первичных преобразователей и по используемым измерительным схемам. Высокие частоты акустических колебаний (0,1-10 МГц) используются для измерения расхода чистых жидкостей. Для измерения загрязненных сред частоты колебаний значительно уменьшают до нескольких десятков КГц, чтобы предотвратить поглощение и рассеяние акустических колебаний. Длина волны должна быть в разы больше диаметра воздушных пузырей или твердых частиц. Для измерения расхода газов используют низкие частоты.
РАЗНОВИДНОСТИ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ РАСХОДОМЕРОВ С КОЛЕБАНИЯМИ, НАПРАВЛЕННЫМИ ПО ПОТОКУ И ПРОТИВ НЕГО
Имеется несколько способов измерения очень малого значения, при котором измеряется разность фазовых сдвигов акустических колебаний, направляемых по потоку и против него (фазовые расходомеры);
-время импульсный метод, основанный на непосредственном измерении разности времени прохождения коротких импульсов по потоку и против него (времяи мпульсные расходомеры);
 |
 |
 |
 |
 |
|
 |
 |
 |
— частотный метод, при котором измеряется разность частот повторения коротких импульсов или пакетов акустических колебаний, направляемых по потоку и против него (частотные расходомеры).
По числу акустических каналов ультразвуковые расходомеры подразделяются на однолучевые или одноканальные, двухлучевые 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.
УСТРОЙСТВО ПЕРВИЧНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ РАСХОДА (УПР) УЛЬТРАЗВУКОВЫХ РАСХОДОМЕРОВ
Преобразователь ультразвукового расходомера состоит из отрезка трубы, на котором установлены два или четыре датчика с пьезоэлементами(ПЭП), дающие направленное излучение.
ИЗЛУЧАТЕЛИ И ПРИЕМНИКИ АКУСТИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ В УЛЬТРАЗВУКОВЫХ РАСХОДОМЕРАХ
Излучатели и приемники колебаний применяются для ввода акустических колебаний в поток и их приема на выходе из потока. Они являются главными составляющими первичных преобразователей ультразвуковых расходомеров. На поверхностях кристаллов (пьезоэлементов) при сжатии и растяжении образуются электрические заряды, если к поверхностям кристаллов приложить разность потенциалов, то пьезоэлемент сожмется или растянется в зависимости от разности величины напряжения между поверхностями обратный пьезоэффект. На явлении обратного пьезоэффекта строится работа излучателей, трансформирующих переменное электрическое напряжение в акустические (механические) колебания аналогичной частоты. На явлении прямого пьезоэффекта работают приемники, трансформирующие акустические колебания в переменные электрические напряжения.
В настоящее время в ультразвуковых расходомерах в качестве излучателей и приемников акустических колебаний используют пьезокерамические материалы (титанат бария, цирконат титаната свинца) с большим пьезомодулем и диэлектрической проницаемостью.
ФАЗОВЫЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ РАСХОДОМЕРЫ
Это ультразвуковые расходомеры, работающие по принципу зависимости фазовых сдвигов ультразвуковых колебаний, образующихся на приемных пьезоэлементах, от разности временного прохождения колебаниями одинакового расстояния по потоку движущейся жидкости или газа и против потока. В настоящее время существует несколько схем одно- и двухканальных фазовых расходомеров. В одноканальных вихревых расходомерах реализованы различные схемы переключения пьезоэлементов с излучения на прием (например, схемы с одновременной посылкой коротких ультразвуковых пакетов и одновременным переключением пьезоэлементов с излучения на прием; помощью мультивибратора; переключение с помощью особого генератора, создающего сигналы двух форм, один из которых включает генератор, а второй сигнал переключает пьезоэлементы на прием и т.д.). Одноканальные фазовые вихревые расходомеры не требуют переключения с излучения на прием, в них оба пьезоэлемента непрерывно излучают ультразвуковые колебания двух разных, но весьма близких частот ( например 6 МГц и 6,01 МГц). Фазовые расходомеры были наиболее распространены среди ультразвуковых, но в настоящее время распространение получили другие расходомеры, дающие более высокую точность измерения.
ЧАСТОТНЫЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ РАСХОДОМЕРЫ
Это ультразвуковые расходомеры, работающие на принципе зависимости разности частот повторяющихся коротких импульсов ультразвуковых колебаний от разности времен прохождения ультразвуковыми колебаниями одинакового пути по потоку жидкости (газа) и против потока. Частотные ультразвуковые расходомеры бывают частотно-пакетными (при измерении разности частот пакетов ультразвуковых колебаний, проходящих через газ или жидкость) и частотно-импульсными (при измерении разности проходящих через среду коротких импульсов). В частотно-импульсных ультразвуковых расходомерах генератор создает короткие импульсы, которые направляются с интервалами, равными времени прохождения ультразвука по направлению скорости потока и против направления скорости потока, к излучающим пьезоэлементам.
ВРЕМЯ ИМПУЛЬСНЫЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ РАСХОДОМЕРЫ
Это ультразвуковые расходомеры, измеряющие разность времен прохождения коротких импульсов направлении потока жидкости или газа и против потока на расстоянии L. Времяимпульсные ультразвуковые расходомеры в основном одноканальные и работают на импульсах 0,1-0,2 мкс, посылаемых поочередно или одновременно навстречу друг другу с частотой примерно 0,5 кГц. Такие ультразвуковые расходомеры предназначены для измерения объемного расхода. Чтобы определять массовый расход используют УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ РАСХОДОМЕРЫ С КОРРЕКЦИЕЙ НА ПЛОТНОСТЬ ИЗМЕРЯЕМОГО ВЕЩЕСТВА.
УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ РАСХОДОМЕРЫ С КОЛЕБАНИЯМИ, ПЕРПЕНДИКУЛЯРНЫМИ К ПОТОКУ
Это ультразвуковые расходомеры, в которых акустические колебания по направлению потока и против потока измеряемого вещества отсутствуют и ультразвуковой луч вместо этого посылается перпендикулярно движению потока жидкости или газа и вычисляется величина отклонения луча от перпендикулярного направления, зависящая от скорости и измеряемого вещества. Акустические колебания излучает один пьезоэлемент, а воспринимаются одним или двумя пьезоэлементами. Ультразвуковой расходомер с колебаниями, перпендикулярными к потоку обладает хорошим уровнем чувствительности, но точность измерения напрямую связана с состоянием отражающих поверхностей трубы.
ДОППЛЕРОВСКИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ РАСХОДОМЕРЫ
работают по принципу измерения, зависящего от расхода допплеровской разности частот, возникающих вследствие отражения акустических колебаний неоднородностями потока. Разность зависит от скорости частицы, отражающей акустические колебания и скорости с распространения этих колебаний. Вычисляемая разность частот служит для измерения скорости частицы отражателя, что равнозначно вычислению местной скорости потока.
Допплеровские ультразвуковые расходомеры обладают низкой точностью (2-3%) вследствие того, что выходной сигнал состоит из спектра разных частот, образующихся в результате сдвига исходной частоты большим количеством частиц, имеющих отличные скорости.
7 Достоинств ультразвуковых расходомеров
Данная публикация нацелена на определение и объяснение преимуществ ультразвуковых (УЗ) расходомеров жидкостей перед их конкурентами вихревого, тахометрического и электромагнитного типа.
В эпоху глобальной экономии к точности измерений расходуемых ресурсов предъявляются особые требования. И если с электросчетчиками все более или менее понятно, то с расходомерами воды, которые по сути своей являются и приборами учета тепла, что весьма важно, дело обстоит немного сложнее.
Устройство и принцип работы прибора
Свойства пьезокерамики, позволяющие ей изменять свои геометрические размеры при приложении к ней электрического потенциала (напряжения), а также обратный эффект, заключающийся в генерации напряжения во время механических воздействий, лежат в основе действия УЗ расходомеров.
На практике реализованы приборы, использующие для измерения доплеровское смещение частоты (эффект Доплера), а также транзитно-временной метод. Последний декларирует разницу во времени прохождения УЗ сигнала, в зависимости от направления его движения относительно направления потока жидкости. Более подробную информацию о методе УЗ измерения можно получить ЗДЕСЬ.
Конструктивно прибор представляет собой отрезок трубы, в котором смонтированы пьезокерамические приемопередатчики. К нему крепится блок электроники, считывающий информацию с датчиков, а также производящий все расчеты и вычисления.Применение микропроцессорных устройств необходимо, ввиду необходимости измерения временных характеристик двух фазо-, частотно- или время-импульсно модулированных сигналов. Эти величины могут достигать нано-, а, порой, пикосекунд.
Для учета выходной сигнал с прибора подается на промышленный счетчик расхода жидкости, MULTICAL, например. В зависимости от предполагаемой пропускной нагрузки трубопровода расходомеры могут иметь резьбовое или фланцевое крепление, что обеспечивает надежную установку аппарата на конкретный размер трубы. До 2,5 м3 применяется исключительно резьба, а свыше 10 м3 только фланец. При промежуточных значениях расхода может использоваться оба варианта крепления.
Достоинства УЗ расходомеров
1. Точность
Беспрецедентная точность измерений – главное преимущество приборов подобного типа по отношению с вихревыми и даже электромагнитными расходомерами. Паспортная погрешность не превышает 2%. На практике же она может снижаться до величины, менее 1%. Стоит отметить, что для достижения подобных результатов необходима тщательная настройка и калибровка прибора, требующая участия грамотного специалиста.
2. Минимальные потери давления
Минимальные потери давления на устройстве, даже при наличии отражателей. Исключение составляют случаи, когда расходомер специально используется, в том числе, для снижения давления. Такое также возможно.
3. Широкий диапазон измеряемых величин
Широкий диапазон измеряемых величин, лежащий в пределах от 0,01*Qном до 2*Qном (Qном – номинальный расход конкретного трубопровода). Причем погрешность измерений в таком широком диапазоне гарантировано не выйдет за пределы заявленной, а скорее всего будет значительно ниже.
4. Отсутствие движущихся механических частей
Отсутствием движущихся механических частей продиктована высокая надежность УЗ расходомеров. Кроме того, она увеличивается за счет применения пьезокерамики, менее подверженной влиянию загрязненной жидкости. Датчики, постоянно меняющие размеры нечувствительны к отложениям в трубопроводе. По статистике лишь 15% приборов не проходят поверку в третий раз, оставаясь работоспособными долгие годы. При таких показателях высокая стоимость УЗ расходомеров отходит на третий план.
5. Энергонезависимость
Расходомер запитывается от одной батареи увеличенного объема типа D. Экономичное и, что немаловажно, автономное питание устройств делает их независимыми от состояния электросети.
6. Не требователен к прямым участкам
При установке устройства, ULTRAFLOW, например, не требуется длинных прямых участков трубы до и после него. Достаточно расстояния равного двукратному диаметру трубы. Вихревые потоки не влияют на его работоспособность.
7. Высокая защищенность по ЭМС
При надлежащей установке специалистом датчики практически не подвержены влиянию электромагнитных помех, а также паразитных колебаний других диапазонов.
Недостатки УЗ расходомеров
Основным недостатком датчиков подобного типа является сложность установки и регулировки. Эти процедуры должен выполнять специалист с соответствующей квалификацией. Он же должен исправить и другой недостаток, потому что УЗ расходомеры весьма чувствительны к однородности рабочего тела. Для этого существуют методы, поправки Доплера, к примеру.
Недостатков у расходомеров УЗ типа немного и они с успехом могут быть ликвидированы на конкретном участке трубопровода грамотным сотрудником. Учитывая долговечность и точность, они окупят себя с лихвой. Если нужна высокая точность измерений, нужно лишь выбрать производителя. Наша компания Энотек сможет обеспечить и грамотную установку, и профессиональное обслуживание ультразвуковых расходомеров.
- Автор: eno-tek.ru
Мы очень долго писали данный материал, будем рады если Вы поставите лайк
Принцип работы ультразвукового расходомера
Пьезоэлектрические преобразователи (далее-ПЭП) ПЭП 1 и 2, работающие попеременно в режиме приемник-излучатель, связаны высокочастотным кабелем РК-50 с ЭБ, обеспечивающим посылку возбуждающих импульсов на пьезопреобразователь, работающий в режиме излучателя, и прием (усиление и детектирование) слабых сигналов от пьезопреобразователя, работающего в режиме приемника.
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 направлению и против направления потока пропорциональна скорости потока V и, следовательно, объемному расходу Q.
Временные диаграммы ультразвуковых сигналов ультразвукового расходомера
По полученным сигналам с пьезопреобразователей рассчитываются: время 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.
Принцип действия ультразвуковых расходомеров
Принцип действия ультразвуковых расходомеров
Схемы установления ПЭП в ультразвуковых расходомерах
В ультразвуковых расходомерах однолучевого исполнения на один трубопровод устанавливаются одна пара ПЭП.
Положение пар ПЭП для однолучевых ультразвуковых расходомеров
В ультразвуковых расходомерах двухлучевого исполнения на один трубопровод устанавливаются две пары ПЭП.
Положение пар ПЭП для двухлучевых ультразвуковых расходомеров
В ультразвуковых расходомерах трехлучевого исполнения на один трубопровод устанавливаются три пары ПЭП.
Положение пар ПЭП для трехлучевых ультразвуковых расходомеров
В ультразвуковых расходомерах четырехлучевого исполнения на один трубопровод устанавливаются четыре пары датчиков.
Положение пар ПЭП для четырехлучевых ультразвуковых расходомеров