Акустические (ультразвуковые) расходомеры

Акустический метод измерения расхода жидкостей и газов основывается на том, что фактическая скорость распространения звуковой волны в среде, движущейся со скоростью W, определяется геометрической суммой собственной (местной) скорости звука с в этой среде и скорости W. Измерив тем или иным способом суммарную скорость, можно определить величину w при известном значении с. Практически все современные акустические расходомеры работают в ультразвуковом диапазоне частот, поэтому их обычно называют ультразвуковыми.

Основные трудности практического использования акустических методов измерения расхода связаны с тем, что скорость распространения звуковых колебаний несоизмеримо больше скоростей движения потоков контролируемых сред и очень сильно зависит от их физико-химических свойств. Отмеченные

обстоятельства обусловливают необходимость применения в составе ультразвуковых расходомеров достаточно сложных аппаратных средств. Главными достоинствами ультразвуковых расходомеров считаются возможность бесконтактного измерения объемного и массового расхода жидких и газообразных сред независимо от степени их электропроводности; достаточно высокая точность измерения (известны образцы, у которых основная приведенная относительная погрешность не превышает 0,3 %); отличные динамические качества (постоянная времени составляет десятые доли миллисекунды).

По принципу действия ультразвуковые расходомеры разделяются на приборы, основанные на использовании эффекта Доплера, и приборы, действие которых основывается на регистрации одного из эффектов, обусловленных смещением акустических волн потоками контролируемых сред.

Приборы первой разновидности имеют ряд принципиальных ограничений и поэтому в расходоизмерительной практике широкого применения не получили. Весьма широкое распространение в настоящее время имеют ультразвуковые расходомеры, основанные на измерении разности времен прохождения акустических волн по потоку и против него. Реже встречаются приборы, действие которых основывается на контроле степени смещения движущейся средой ультразвуковых лучей, направленных перпендикулярно потоку. Необходимо отметить, что большинство современных ультразвуковых расходомеров обеспечивают измерение расхода в объемных единицах. Однако при встраивании в их конструкцию акустических преобразователей плотности контролируемых сред они достаточно просто преобразуются в массовые расходомеры.

Существенным достоинством ультразвуковых расходомеров является возможность их применения для труб практически любого диаметра. Действующие их образцы очень разнообразны как по устройству первичных преобразовательных элементов, так и по применяемым измерительным схемам.

При измерении расходов чистых жидкостей обычно применяются акустические колебания порядка 0,1-10 МГц. При измерении загрязненных жидкостей частоту акустических колебаний существенно снижают (до уровня десятков кГц). Во избежание рассеивания и поглощения энергии колебаний твердыми частицами или воздушными пузырьками, присутствующими в контролируемых средах, необходимо, чтобы длины звуковых волн на порядок превышали размеры указанных включений. Пониженный уровень частоты ультразвуковых колебаний поддерживается также в расходомерах, предназначенных для работы с газообразными средами [25].

В качестве излучателей и приемников звуковых колебаний в акустических расходомерах применяются пьезоэлектрические преобразователи, построенные из материалов с высокими значениями пьезомодулей и диэлектрической проницаемости, работающие в режимах обратного и прямого пьезоэффектов. Наиболее подходящими для этих целей в настоящее время считаются титанат бария (ВаТЮз) или цирконат титаната свинца (твердый раствор цирконата PbZ203 и титаната РЬТи03). В большинстве случаев излучатели и приемники изготавливаются в виде круглых дисков диаметром 10-20 мм, покрытых слоем серебра и оборудованных соединительными проводами.

Наиболее интенсивные акустические колебания получаются при работе пьезоэлектрических преобразователей на резонансных частотах [25]:

где S - толщина пьезоэлемента; ^п*- скорость распространения звуковых колебаний в пьезоэлементе; Е - модуль Юнга; р - плотность материала пьезоэлемента. Как видно из (3.55), резонансная частота fp

обратно пропорциональна толщине пьезоэлемента S. Принимая во внимание, что скорость распространения акустических колебаний в пьезоэлементе

где X - длина акустической волны. И, сравнивая это выражение с выражением (3.55), для условия резонансного режима (когда f = fp)

получаем

Из выражения (3.56) следует, что при резонансном режиме работы пьезопреобразователя длина генерируемой им акустической волны X становится равной удвоенной его толщине. Если принять <5=1 мм, то для пьезоэлементов, изготовленных из кварца, титаната свинца и цирконата, резонанс наступает соответственно на частотах 2,85; 2,25 и 1,8 МГц.

В акустических расходомерах, основанных на измерении скорости прохождения ультразвуковых волн в направлении потоков контролируемых сред и против них, излучатели ультразвуковых

колебаний устанавливаются так, чтобы векторы среднерасходной

Схема одноканального ультразвукового преобразователя расхода с продольным направлением луча

Рис. 3.23. Схема одноканального ультразвукового преобразователя расхода с продольным направлением луча

скорости w и местной скорости звука с были параллельны (рис. 3.23) или направлены под углом а (не равным 180°) друг к другу (рис. 3.24). Схема этих методов предусматривает два варианта: с одним (рис. 3.24а,в) и двумя (рис. 3.246,г) акустическими каналами. В первом варианте каждый из двух пьезоэлементов в соответствии с установленным режимом

переключения поочередно работает в режиме излучателей и

приемников.

Схемы ультразвуковых преобразователей расхода с направлением лучей под углом в к направлению скорости W

Рис. 3.24. Схемы ультразвуковых преобразователей расхода с направлением лучей под углом в к направлению скорости W

По принципу получения сигнала о величине среднерасходной скорости (объемного расхода) методы, реализуемые в акустических расходомерах, подразделяются на времяимпульсный, частотноимпульсный и фазовый.

При реализации времяимпульсного метода измеряется разница во времени прохождения короткими акустическими импульсами фиксированного расстояния L от излучателя до приемника по направлению движения потока и против него.

Время движения импульса от излучателя до приемника: в направлении потока

против потока

Разность времен прохождения импульсом расстояния L при движении по потоку и против него

где т - коэффициент, учитывающий несовпадение среднерасходной скорости w со скоростью, осредняемой по длине акустического тракта; D - внутренний диаметр проточной части расходомера; q0 - объемный расход контролируемой среды. Если акустические колебания направлены вдоль оси потока, cosa =7.

Таким образом, измеряя Лт при известных значениях постоянных сомножителей (оцениваемых в процессе градуировки расходомера), по формуле (3.59) можно определить значение объемного расхода q0. Для обеспечения высокой точности определения величины q0 по данному методу акустические импульсы должны быть достаточно короткими по сравнению со временем прохождения ими расстояния L, для чего необходимо поддерживать частоту акустических колебаний на уровне порядка 5 МГц.

Главным недостатком данного метода является зависимость точности его реализации от изменения скорости с, чувствительной к непостоянству физических свойств контролируемых сред и температурному фактору.

При реализации частотно-импульсного метода измеряется разность частот повторения коротких импульсов или фиксированных пакетов акустических колебаний, проходящих расстояние L по потоку и против него. Непрерывное повторение процесса посылки импульсов или пакетов по потоку с частотой

и против потока с частотой

обеспечивается системой обратной связи, при которой каждый импульс, достигая приемного преобразователя, возбуждает посылку нового импульса. Разность частот, измеряемая дифференциальной схемой, служит мерой среднерасходной скорости или объемного расхода:

Преимущество данного метода перед предыдущим заключается в независимости характеристики (3.62) от скорости распространения ультразвуковых колебаний с.

Мерой среднерасходной скорости и объемного расхода при реализации фазового метода формирования выходного сигнала ультразвуковых расходомеров является фазовый сдвиг между акустическими колебаниями, пересекающими контролируемый поток по направлению движения и против него:

где Т - период; / - частота ультразвуковых колебаний; Ат - разность времен прохождения ультразвуковыми колебаниями расстояния L по направлению движения контролируемого потока и против него. Принимая во внимание выражение (3.59) для Ат, из (3.63) можно получить рабочую характеристику фазового расходомера в виде

Необходимо отметить что каждый из рассмотренных методов формирования информативных признаков ультразвуковых преобразователей расхода имеет свои достоинства и недостатки, свои специфические источники погрешностей, а также способы и средства их уменьшения.

Ультразвуковые расходомеры могут применяться для измерения расхода чистых или загрязненных жидкостей и газов вне зависимости от их электропроводности в трубопроводах практически любого диаметра, начиная приблизительно от 10 мм. Наиболее широкое распространение среди них в настоящее время получили так называемые частотные или частотно-импульсные приборы, действие которых, как уже отмечалось, основывается на измерении разности частот повторения коротких импульсов или пакетов акустических волн, направляемых по потоку и против него. По числу акустических каналов эти приборы бывают одно-, двух- и многоканальными.

Одноканальные схемы строятся на основе использования двух пьезоэлементов, каждый из которых поочередно работает в режимах приема и генерации акустических колебаний. Главным достоинством одноканальных схем считается отсутствие пространственной асимметрии акустических трактов.

Двухканальная схема усложняет устройство расходомера, но обеспечивает ему более высокие метрологические характеристики. Она предпологает зондирование контролируемого потока не по диаметральной плоскости, а по двум параллельным хордам, симметрично от нее удаленным (рис. 3.25а) [25].

Схема двухканалъиого ультразвукового расходомера

Рис. 3.25. Схема двухканалъиого ультразвукового расходомера

Еще более высокая точность расходомера и устойчивость его к деформациям кинематической структуры контролируемого потока в измерительном канале обеспечивает зондирование по четырем или пяти хордам (рис. 3.256,в). Имеются также варианты с зондированием потока газа по четырем хордам, расположенным крест-накрест в четырех параллельных плоскостях [25]. В нескольких вариантах может осуществляться зондирование также по пяти хордам.

Многоканальные акустические расходомеры являются наиболее точными и наиболее защищенными от воздействия целого ряда возмущающих факторов и по этой причине могут применяться в качестве образцовых средств измерения. Но они существенно сложнее большинства других разновидностей расходомеров этой группы и имеют, как правило, более высокую цену.

Основными источниками погрешностей акустических

расходомеров считаются:

  • - неправильное определение коэффициента т, учитывающего несовпадение среднерасходной скорости w со скоростью, осредняемой по длине акустического тракта L;
  • - отклонение реальной кинематической структуры контролируемого потока в проточном канале преобразователя от той, которая была при его градуировке;

неточное измерение площади поперечного сечения проточного канала или изменение его геометрических параметров D и L в результате загрязнения или деформации.

- неправильное измерение времен прохождения

зондирующими импульсами акустического тракта, обусловленное искажениями формы колебаний и их амплитуды под влиянием электрических или акустических шумов, неоднородностей или завихренности потоков контролируемых сред.

Однако воздействие указанных факторов может быть существенно ослаблено за счет строгого соблюдения правил установки и эксплуатации каждого конкретного типа расходомеров, выполнения их градуировки в условиях, максимально приближенных к рабочим, а также за счет применения современных алгоритмов самодиагностики и соответствующей реальным возмущениям автоматической коррекции значений выходных сигналов.

Далее в качестве примеров представлено два современных

Расходомер «Взлет МР»

Рис. 3.26. Расходомер «Взлет МР»

образца интеллектуальных акустических расходомеров с времяимпульсным и частотноимпульсным способами формирования первичных измерительных сигналов, выпускаемые отечественными и зарубежными фирмами.

На рис. 3.26 и 3.27 показаны внешний вид и функциональная структурная схема многолучевого расходомера «Взлет МР» фирмы ЗАО

«Взлет» (г. Санкт - Петербург), предназначенного для одно- и многоканальных измерений объемного расхода и объемов различных жидкостей.

Функциональная структурная схема ультразвукового расходомера «Взлет»

Рис. 3.27. Функциональная структурная схема ультразвукового расходомера «Взлет»

По принципу работы этот прибор относится к времяимпульсным акустическим расходомерам с попеременной работой пьезоэлектрических элементов в режиме генерации и приема акустических импульсов. Он состоит из двух конструктивно объединенных функциональных блоков - сенсорного и электронного. Сенсорный блок в зависимости от модификации расходомера может включать в себя от двух до восьми пьезоэлектрических преобразователей (сенсоров) и обеспечивать, таким образом, одно-, двух- или четырехлучевое зондирование контролируемых потоков. В электронный блок входят измерительный модуль, модуль цифровой обработки измерительной информации и хранения результатов измерения, комбинированный модуль универсального выхода и последовательных интерфейсов RS485, RS232, и Ethernet. Управление работой расходомера, а также индикация измерительной,

установочной, диагностической и архивной информации осуществляется с помощью клавиатуры графического жидкокристаллического индикатора (ЖКИ). Диаметр условного прохода сенсорного блока от 10 до 5000 мм. Относительная приведенная погрешность измерения для одноканального варианта

составляет ±(0,95+—) %, а для варианта многолучевого -

w

±(0,25+—)% [27].

w

Расходомер ультразвуковой UFM 3030 производства фирмы «Кроне - Автоматика», предназначенный для измерения объемного расхода и объемов жидкостей и сжиженных газов в трубопроводах с диаметрами условного прохода от 25 до 1600 мм, представлен на рис. 3.28 и 3.29.

Сенсорный блок расходомера UFM 3030 содержит три пары пьезоэлектрических преобразователей и осуществляет трехлучевое зондирование - по диаметральной плоскости и двум хордам. Удачное распределение зондирующих лучей в измерительном пространстве

Универсальный трех лучевой ультразвуковой расходомер

Рис. 3.28. Универсальный трех лучевой ультразвуковой расходомер

расходомера обеспечило значительную устойчивость его рабочей характеристики к деформациям кинематической структуры контролируемого потока. Три измерительных луча в комбинации с сенсорным блоком особой конструкции, специально разработанной электроникой с инновационными технологиями цифровой обработки первичных измерительных сигналов обеспечили этому прибору надежные и стабильные результаты измерений даже в весьма сложных условиях работы.

Функциональная структура расходомера UFM 3030

Рис. 3.29. Функциональная структура расходомера UFM 3030

Электронный блок (конвертор) расходомера UFM 3030 содержит четыре функциональных модуля (рис. 3.29):

модуль 1 генерирует ультразвуковые сигналы, контролирует работу сенсоров и управляет процессом высокоточного измерения времени прохождения сигналов с помощью микропроцессорной системы цифровой обработки;

модуль 2 принимает данные, прошедшие цифровую обработку, и обрабатывает их с помощью микроконтроллера jliP2 в соответствии с назначением, настройками прибора и параметрами сенсоров, установленными на заводе изготовителе;

модуль 3, гальванически развязанный от остальных модулей, формирует различные выходные (токовый и импульсный) и входные (дискретный и аналоговый) сигналы в единый общий вывод;

модуль 4 содержит высокоэффективный импульсный блок питания, обеспечивающий широкий диапазон входного напряжения (от 100 до 240 В).

Пределы допускаемой приведенной относительной погрешности расходомера в рабочем диапазоне от 0,9 до 11200 м3/ч могут составить ±0,5 %, если он поверяется на поверочной проливной установке, или 1 %, если поверка осуществляется на специальной установке, но имитационным способом.

Контрольные вопросы

  • 1. Что понимается под расходом? Перечислите основные средства измерения расхода жидких и газообразных сред.
  • 2. Расходомеры переменного перепада давления с сужающими устройствами. Принцип действия, достоинства, недостатки и области практического применения. Вывод уравнения зависимости расхода от перепада давления.
  • 3. Расходомеры переменного перепада давления с

напорными трубками. Устройства, принцип действия, достоинства и недостатки.

4. Расходомеры переменного перепада давления с

центробежными преобразователями. Устройство, принцип действия, достоинства и недостатки.

  • 5. Измерение расхода при сверхкритичном отношении давлений. Устройство, принцип действия, достоинства и недостатки.
  • 6. Массовые кориолисовы расходомеры. Устройство, принцип действия, достоинства и недостатки.
  • 7. Вихревые расходомеры. Устройство, принцип действия, достоинства и недостатки. Области практического применения.
  • 8. Основные способы детектирования вихрей: манометрический, вихреакустический, метод изгибных напряжений. Достоинства и недостатки.
  • 9. Электромагнитные расходомеры. Устройство, принцип

действия, достоинства, недостатки и области практического

применения.

  • 10. Электромагнитные расходомеры с постоянным и переменным магнитным полем. Достоинства, недостатки и способы устранения недостатков
  • 11. Сущность метода двухчастотной модуляции.
  • 12. Емкостные электромагнитные расходомеры, их достоинства и недостатки.
  • 13. Акустические (ультразвуковые) расходомеры. Устройство, принцип действия, достоинства, недостатки и области практического применения.
  • 14. Классификация акустических (ультразвуковых) расходомеров по принципу действия.
  • 15. Акустические расходомеры, основанные на измерении скорости прохождения ультразвуковых волн в направлении потоков контролируемых сред и против них.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >