Ультразвуковые расходомеры

Ультразвуковые расходомеры


Страницы:  1 Показано 1 - 10 (всего 10 позиций)

УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ (АКУСТИЧЕСКИЕ) РАСХОДОМЕРЫ 
Ультразвуковыми расходомерами называют расходомеры, принцип действия которых заключается в измерении какого-либо эффекта (в зависимости от расхода), создающего при прохождении акустических колебаний сквозь поток жидкости или газа. Большинство акустических расходомеров работают в ультразвуковом диапазоне. 
Ультразвуковые расходомеры подразделяются на: 
• расходомеры, работающие по принципу перемещения акустических колебаний движущейся средой 
• расходомеры, работающие на принципе эффекта Допплера 
Наибольшее применение получили расходомеры, сконструированные на принципе измерения разности времени прохождения акустических колебаний по направлению потока и против потока измеряемого вещества. Приборы, в которых акустические колебания проходят перпендикулярно к потоку и измеряется величина отклонения этих колебаний от первоначального направления встречаются редко. Приборы работающие на явлении Допплера, используются для измерения местной скорости потока, реже для измерения расхода вещества и имеют более простые измерительные схемы. 
Кроме вышеуказанных разновидностей рсходомеров, 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 измеряемого вещества акустического преобразователя, возможно измерение массового расхода. Погрешность измерения ультразвуковых расходомеров находится пределах от 0,1 до 2,5 %. Чаще всего такие 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. 
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. 

ИЗЛУЧАТЕЛИ И ПРИЕМНИКИ АКУСТИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ 
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. 
Первоначально пьезоэлектрический эффект был обнаружен у природного кварца. 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. 
Для измерения расхода чистых жидкостях следует использовать высокие резонансные частоты и использовать тонкие пьезокерамические пластины. Для измерения расхода веществ с механическими примесями или газовыми пузырями используют малую частоту и пьезокерамику большой толщины. Излучатели и приемники чаще всего делают в форме круглых дисков. 
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); времяимпульсный метод, основанный на непосредственном измерении разности времени прохождения коротких импульсов по потоку и против него (времяим-пульсные 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, 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 ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ РАСХОДОМЕРОВ 
Преобразователь ультразвукового расходомера состоит из отрезка трубы, на котором установлены два или четыре пьезоэлемента, иногда используют дисковые пьезоэлементы диаметром d и толщиной а, дающие направленное излучение. Степень этой направленности зависит от волнового параметра 
При небольших диаметрах труб используют кольцевые излучатели и приемники. 
На рисунке показаны основные схемы преобразователей ультразвуковых расходомеров. В схемах а и б используют кольцевые пьезопреобразователи, создающие сферическое излучение. Схема а- одноканальная, в ней каждый из двух пьезоэлементов излучает и принимает акустические колебания по очереди. Схема б- двухканальная, два крайних пьезоэлемента— приемные, средний пьезоэлемент — излучающий.

Преобразователи сферического излучения используют в трубах небольшого диаметра, чтобы получить необходимую длину измерительного участка. Получить большую длину участка трубы возможно с дисковыми преобразователями, если излучение направлено вдоль оси трубы (схема в, г); когда возникает многократное отражение волны от стенки трубы (схема ж), когда используют отражатели (схема д) или специальные волноводы (схема е). Специальные волноводы актуальны для защиты пьезопреобразователя от агрессивной среды. Схема г — двухканальная, остальные — одноканальные. На практике больше применяются схемы с угловым вводом направленных акустических колебаний. На схеме ж-к показаны одноканальные, а на схеме л, м — двухканальные схемы. Чаще всего (схема ж—и, л, м) в трубопроводах делают впадины — карманы, где размещаются пьезоэлементы. Иногда (схема к) пьезоэлементы располагают снаружи трубопровода. Акустические преобразователи передают колебания через металлический или жидкостный звукопровод стенки трубы и потом измеряемому веществу. Акустические преобразователи (схема и, к) работают с преломлением звукового луча. В преобразователе с многократным отражением (схема ж). для увеличения пути звуковой луч движется зигзагообразно, многократно отражаясь от противоположных стенок канала. 
Акустические преобразователи с карманами применяют для чистых и неагрессивных сред во избежание засорения, иногда используют подвод воды для очистки и применяют их для измерения загрязненных сред. Недостатком этих акустических преобразователей является проблема возможного возникновения вихреобразования и воздействие на профиль скоростей. 
В акустических преобразователях с преломлением (схема и, к) такие недостатки отсутствуют и они снижают реверберационную погрешность, так как исключают возможность попадания на приемный элемент отраженных колебаний. Но в случае изменения давления, температуры и состава измеряемого вещества меняется угол преломления и скорость звука в материале звукопровода. 
Существенным преимуществом акустических преобразователей вихревых расходомеров с внешними пьезоэлементами (схема к) является отсутствие контакта с измеряемым веществом и сохранение целостности трубопровода. Однако в трубопроводе появляется повышенный уровень помех и паразитных сигналов, обусловленных прохождением акустических колебаний по стенке трубы, и чувствительность таких расходомеров слабее. 

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 требуюют 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. У таких расходомеров частоты больше в два раза, относительно частотно-пакетных расходомеров. 
У частотных расходомеров разность частот пакетов небольшая, что затрудняет точное измерение. Для нивелирования этого недостатка и для увеличения разности частот пакетов, используемых в частотных расходомерах, в большинстве случаев применяют одноканальную схему. 
Один из вариантов умножения разности частот заключается в измерении разности частот двух генераторов высокой частоты. Период Т1 колебаний первого генератора ВЧ пропорционален времени прохождения акустических колебаний в направлении потока жидкости или газа, у второго генератора ВЧ время колебаний Т2 пропорционально времени прохождения акустических колебаний в направлении обратном потоку жидкости или газа. 

При прохождении жидкости или газа по делительному устройству с интервалом 6мс направляются два импульса, один из которых идет по направлению потока (или против него) и поступает после усиления на схему сравнения, второй импульс также направляется на схему сравнения без прохода через акустический тракт. Когда оба импульса поступают в разное время, запускается устройство регулировки частоты одного из генераторов для выравнивания времени прохождения к схеме сравнения обоих импульсов. 

ВРЕМЯИМПУЛЬСНЫЕ 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 СКОРОСТЬ ЗВУКА И ПЛОТНОСТЬ ИЗМЕРЯЕМОГО ВЕЩЕСТВА, в которых устанавливается дополнительный возбуждаемый на резонансной частоте пьезоэлемент, направляющий акустические колебания в измеряемое вещество. Снимаемое с него напряжение, прямо пропорционально удельному акустическому сопротивлению ве-щества, при условии, что сопротивление вещества значительно меньше сопротивления генератора. Умножение электрического сигнала от пьезоэлемента, на пропорциональный объемному расходу сигнал, дает в итоге сигнал, прямо пропорциональный массовому расходу. 
В времяимпульсных и фазовых расходомерах используют схемы коррекции, предотвращающие погрешности изменения скорости ультразвука в измеряемом веществе путем установки на противоположных концах диаметра трубопровода дополнительной пары пьезоэлементов. Время прохождения акустических колебаний между пьезоэлементами обратно пропорционально скорости. 

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. 
Причины возникновения погрешностей у ультразвуковых расходомеров: 
• неточный учет воздействия профиля скорости 
• асимметрия электронно-акустических каналов 
• варьирующая скорость ультразвука в веществе 
• паразитные акустические сигналы 
• погрешности, вносимые электронной схемой 
Неточный учет профиля скоростей возникает вследствие неравенства средней скорости потока, и средней скорости перемещения акустических колебаний. 
Скорость ультразвука зависит от плотности жидкости и газа, меняющихся с изменением давления, температуры, состава, концентрации компонентов измеряемых веществ. Это воздействие на точность фазовых, времяимпульсных расходомеров и расходомеров с излучением, перпендикулярным к оси трубы устраняется использованием схем коррекции или переходом на измерение массового расхода. 
Паразитные акустические сигналы образуются вследствие размещения пьезопреобразователей на трубе, появление реверберационной волны вследствие отражений ультразвука от границ звукопроводов (пьезоэлементов) и жидкости. 
Асимметрия электронно-акустических каналов неизбежна в двухлучевых акустических расходомерах и создает ощутимую погрешность вычисления разности времен перемещения сигналов по направлению потока и против потока. 

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.

Новости