Ультразвуковой расходомер – это устройство, прямым назначением которого является измерение акустических эффектов, возникающих при движении вещества, расход которого необходимо измерить. Решение купить ультразвуковой расходомер будет идеальным, если требуется измерить объем или расход любых жидкостей, передающихся с помощью напорного трубопровода. Если необходим строгий контроль и учет таких показателей, как расход холодной или горячей воды, объем подачи различных нефтепродуктов, газа или отходов, лучшим вариантом будет заказать ультразвуковые расходомеры, которые помогут оперативно и просто контролировать данные параметры.
Руководящий состав большинства современных предприятий сходится во мнении, что цена расходомера – маловажный показатель, когда речь идет об экономии в масштабах корпорации. Современный ультразвуковой расходомер – это прибор, который отличается простотой и надежностью в эксплуатации, а также высокой точностью, что делает его отличным решением по низкой цене.
Они разделяются на расходомеры, основанные на перемещении акустических колебаний движущейся средой, и расходомеры, основанные на эффекте Доплера, появившиеся позже. Главное распространение получили расходомеры, основанные на измерении разности времен прохождения акустических колебаний по потоку и против него. Значительно реже встречаются ультразвуковые расходомеры, в которых акустические колебания направляются перпендикулярно к потоку и измеряется степень отклонения этих колебаний от первоначального направления. Ультразвуковые расходомеры, основанные на явлении Доплера, предназначены в основном для измерения местной скорости, но они находят также применение и для измерения расхода. Измерительные схемы у них более простые.
Наряду с тремя указанными разновидностями ультразвуковых расходомеров имеются акустические расходомеры, получившие название длинноволновых, работающие в звуковом диапазоне частот акустических колебаний.
Ультразвуковые расходомеры обычно служат для измерения объемного расхода, потому что эффекты, возникающие при прохождении акустических колебаний через поток жидкости или газа, связаны со скоростью последнего. Но путем добавления акустического преобразователя, реагирующего на плотность измеряемого вещества, можно осуществить и измерение массового расхода. Приведенная погрешность ультразвуковых расходомеров лежит в широких пределах от 0.1 до 2.5 %, но в среднем может быть оценена цифрами 0.5-1 %. Значительно чаще ультразвуковые расходомеры применяют для измерения расхода жидкости, а не газа, вследствие малого акустического сопротивления последнего и трудности получения в нем интенсивных звуковых колебаний. Ультразвуковые расходомеры пригодны для труб любого диаметра, начиная от 10 мм и более.
Существующие ультразвуковые расходомеры очень разнообразны как по устройству первичных преобразователей, так и по применяемым измерительным схемам. При измерении расхода чистых жидкостей обычно применяют высокие частоты (0.1-10 МГц) акустических колебаний. При измерении же загрязненных веществ частоты колебаний приходится существенно снижать вплоть до нескольких десятков килогерц во избежание рассеяния и поглощения акустических колебаний. Необходимо, чтобы длина волны была на порядок больше диаметра твердых частиц или воздушных пузырей. Низкие частоты применяют в ультразвуковых расходомерах газа.
Для ввода акустических колебаний в поток и для приема их на выходе из потока необходимы излучатели и приемники колебаний - главные элементы первичных преобразователей ультразвуковых расходомеров. При сжатии и растяжении в определенных направлениях некоторых кристаллов (пьезоэлементов) на их поверхностях образуются электрические заряды, и наоборот, если к этим поверхностям приложить разность электрических потенциалов, то пьезоэлемент растянется или сожмется в зависимости от того, на какой из поверхностей будет больше напряжение — обратный пьезоэффект. На последнем основана работа излучателей, преобразующих переменное электрическое напряжение в акустические (механические) колебания той же частоты. На прямом пьезоэффекте работают приемники, преобразующие акустические колебания в переменные электрические напряжения.
Пьезоэлектрический эффект был обнаружен прежде всего у природного кварца. Но теперь в качестве излучателей и приемников акустических колебаний в ультразвуковых расходомерах применяют почти всюду лишь пьезокерамические материалы, главным образом титанат бария и цирконат титаната свинца — твердый раствор цирконата и титаната, свинца, имеющие большой пьезомодуль и высокую диэлектрическую проницаемость, в несколько сот раз больше, чем у кварца. После специальной обработки поверхности излучателей и приемников их покрывают слоем металла (в большинстве случаев путем серебрения). К этому слою припаивают соединительные провода.
Для получения интенсивных акустических колебаний надо работать на резонансной частоте пьезоэлемента. При чистых жидкостях целесообразно работать на высоких резонансных частотах и поэтому следует применять тонкие пьезокерамические пластины. Для веществ, содержащих механические примеси или газовые пузыри, когда необходима небольшая частота приходится применять пьезокерамику большой толщины или с двух сторон тонкой пьезокерамической пластины наклеивать толстые металлические накладки. Излучатели и приемники в большинстве случаев изготовляют в виде круглых дисков диаметром 10—20 мм, иногда менее.
В большинстве случаев плоскости излучающих и приемных пьезоэлементов расположены под некоторым углом к оси трубы. Прохождение ультразвука направленного по потоку и против него характеризуется значением скорости прохождения требуемого расстояния и время затраченное на его прохождение. Таким образом, разность времен прямо пропорциональна скорости.
Имеется несколько способов измерения очень малого значения времени: фазовый, 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 (времяимпульсные 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, двулучевые 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.
Профиль скоростей оказывает существенное влияние на показания ультразвуковых расходомеров и их погрешность. Рассмотрим это влияние для наиболее распространенных расходомеров с угловым вводом акустических колебаний в одной точке. При этом ультразвуковой луч будет реагировать на скорость, усредненную по диаметру, которая всегда будет больше средней скорости, усредненной по площади сечения трубопровода. Если акустические колебания посылать не в диаметральной плоскости, а в плоскости, проходящей через какую-либо из хорд. Действительно, по мере удаления хорды от диаметра скорость, усредненная по хорде, будет уменьшаться и при некотором расстоянии между диаметром и хордой, равном $(0.5-0.54)·D/2$, скорость в турбулентной зоне станет равной усредненной. Зондирование по хорде способствует повышению точности измерения расхода, особенно если оно производится по нескольким хордам, но при этом устройство ультразвукового расходомера усложняется. Зондирование по нескольким хордам целесообразно прежде всего в образцовых установках, а также при измерении деформированных потоков, особенно в трубах большего диаметра, где трудно обеспечить достаточную длину прямого участка. Это дает снижение погрешности до 0.1 %, но зато здесь при ламинарном режиме погрешность возрастает до 3.5 %. Большая точность получается при зондировании по четырем или пяти хордам. Имеются несколько вариантов расположения четырех хорд. В одном из них две параллельные хорды расположены на расстоянии $0.5·D/2$ от горизонтального диаметра, а две параллельные другие на таком же расстоянии от вертикального диаметра. Здесь длины всех хорд равны, что упрощает обработку результатов измерения. В другом варианте все четыре хорды параллельны, причем две из них находятся на расстоянии $0.309·D/2$, а две другие — на расстоянии $0.809·D/2$ от диаметра.
Зондирование по пяти хордам может осуществляться в разных вариантах. Зондирование по пяти параллельным хордам, расположение которых выбрано по квадратурной формуле Гаусса.
Зондирование может производиться последовательно по пяти хордам, отстоящим на расстоянии $0.5·D/2$ от центра трубы и расположенным не в одной плоскости, а в пространстве. Во фланцах 1 и 8 смонтированы два пьезоэлемента 3 и 6 и два отражателя 2 и 7. Другие два отражателя 4 и 5 находятся на противоположных сторонах стенки трубы. Пьезоэлемент 3 утоплен для уменьшения влияния акустических помех. Проекции хорд, по которым проходят акустические каналы, на сечение, перпендикулярное к оси трубы, образуют равносторонний треугольник. При последовательном зондировании упрощается схема обработки сигнала и устраняются реверберационные помехи, так как рабочие и отраженные сигналы разделены во времени. Многоканальные акустические расходомеры могут обеспечить высокую точность, не требуют экспериментальной градуировки и могут применяться в качестве образцовых, но они сложны и встречаются сравнительно редко.
Для обычных ультразвуковых расходомеров с зондированием в диаметральной плоскости необходима или экспериментальная градуировка, или же определение поправочного множителя с достаточной точностью. К сожалению, выполнить это не так просто.
На самом деле колебания распространяются в узком пространстве, ограниченном плоскостями, проходящими через две хорды, каждая из которых отстоит от диаметральной плоскости на расстоянии $d/2$ в ту и другую сторону ($d$ — диаметр излучающего пьезоэлемента). Помимо этого, вследствие различия скоростей по сечению трубы путь ультразвукового луча отличается от прямолинейного.
Для повышения точности ультразвукового расходомера перед преобразователем расхода можно установить сопло или сходящийся конус (конфузор), создающий на выходе весьма равномерный профиль скоростей, при котором множитель может быть принят равным единице. Особенно это необходимо при недостаточной длине прямого участка и, следовательно, деформированном профиле скоростей. Если в трубопроводе имеются сопротивления, закручивающие поток, то перед соплом или конфузором следует поместить струе выпрямитель.
При малых диаметрах труб гидродинамическую погрешность можно исключить, если изготовить преобразователь расхода с прямоугольным каналом и прямоугольными пьезоэлементами, создающими акустические колебания по всему поперечному сечению потока.
Преобразователь ультразвукового расходомера состоит из отрезка трубы, на котором установлены два или четыре пьезоэлемента. За редким исключением применяют дисковые, дающие направленное излучение.
Если пьезоэлементы установлены снаружи трубы, то преломление луча происходит в ее стенках, но и при внутренней установке пьезоэлементов иногда считают целесообразным внутреннюю полость угловых карманов заполнять звукопроводами из металла или органического стекла, в которых также происходит преломление луча. Учитывать снос надо лишь в преобразователях, имеющих преломление луча, а влиянием скорости потока можно пренебречь.
Обычно диаметр пьезоэлементов берут в пределах 5-20 мм. а их толщину в зависимости от частоты. В частотных и времяимпульсных расходомерах выбирают высокую частоту 5-10 МГц, а иногда даже и 20 МГц, потому что увеличение способствует повышению точности измерения. В фазовых расходомерах частота выбирается так, чтобы при максимальном расходе получить наибольшую разность фаз, которая может быть измерена фазометром. Обычно применяется частота от 50 кГц до 2 МГц. Это относится к жидкостям. В газовых же средах приходится снижать частоту до сотен и десятков килогерц из-за трудности создания в газах интенсивных акустических колебаний, особенно высокой частоты.
При малых диаметрах труб иногда применяют не дисковые, а кольцевые излучатели и приемники.
На рисунке ниже показаны основные схемы преобразователей ультразвуковых расходомеров. В первых двух схемах применяют кольцевые пьезопреобразователи, создающие не направленное, а сферическое излучение. Первая из этих схем (а) одноканальная, в которой каждый из двух пьезоэлементов по очереди излучает и принимает акустические колебания. Вторая схема (б) двухканальная, средний пьезоэлемент — излучающий, а два крайних — приемные.
Преобразователи сферического излучения применяются лишь в трубах весьма малого диаметра, чтобы получить достаточную длину измерительного участка, которая при угловом вводе направленного излучения была бы при малых значениях диаметра очень мала. Получить большую длину можно и с дисковыми преобразователями, если излучение направлено вдоль оси трубы (в, г), если имеется многократное отражение волны от стенки трубы (ж), если применены отражатели (д) или специальные волноводы (е). Последние особенно целесообразны при необходимости защиты пьезопреобразователя от агрессивной среды. Схема по рисунке выше, г — двухканальная, остальные — одноканальные. Значительно чаще применяются схемы с угловым вводом направленных акустических колебаний. На рисунке выше, ж-к показаны одноканальные, а на рисунке выше, л,м — двухканальные схемы. В большинстве случаев (ж-и, л, м) трубопроводы снабжаются особыми впадинами - карманами, в глубине которых помещены пьезоэлементы. Полости карманов могут быть свободными (ж, з, л, м) или же заполнены звукопроводом из металла или органического стекла (и). В некоторых случаях (к) пьезоэлементы находятся снаружи трубопровода. Они передают акустические колебания через металлический, а иногда и жидкостный звукопровод стенки трубы и далее измеряемому веществу. Преобразователи по схемам на рисунке выше, и, к работают с преломлением звукового луча. Особая схема преобразователя с многократным отражением показана на рисунке выше, ж. Для увеличения пути звуковой луч движется зигзагообразно, отражаясь от противоположных стенок канала. Такой преобразователь исследован при работе в небольших каналах квадратного и круглого сечении.
Преобразователи со свободными карманами во избежание их засорения применяют лишь для чистых и неагрессивных сред. Тем не менее, некоторые фирмы предусматривают подвод воды для очистки. Другой их недостаток — возможность появления вихреобразования и влияние на профиль скоростей.
Преобразователи с преломлением (и, к) лишены этих недостатков. Кроме того, они способствуют снижению реверберационной погрешности, так как предотвращают попадание на приемный элемент отраженных колебаний. Но при изменении температуры, давления и состава измеряемого вещества угол преломления и скорость звука в материале звукопровода будут изменяться.
Важное преимущество преобразователей с внешними пьезоэлементами (к) - это отсутствие контакта с измеряемым веществом и ненарушение целостности трубопровода. Однако в нем имеется повышенный уровень паразитных сигналов и помех, вызванных прохождением акустических колебаний по стенке трубы, и чувствительность его значительно хуже.
Пример простой конструкции узла пьезоэлемента преобразователя расхода газового бензина показан на рисунке ниже.
Внутри трубки 3, укрепленной на сетке 2, проходят проводники 4, из которых один соединен с центром дискового пьезоэлемента 7, а другой с помощью контактов 6 из фольги — с его краями. Все это залито эпоксидным компаундом 5 и защищено фторопластовой оболочкой 1. Многолетняя заводская эксплуатация подтвердила надежность работы данного узла.
Более сложным является устройство узла преобразователя с жидкостным звукопроводом, расположенным снаружи трубопровода. Такой преобразователь предназначен для труб, имеющих диаметр 150 мм, и служит для измерения расходов жидкости в пределах 20-200 м3/ч при давлении 0.6 МПа, он применен в расходомерам для малых труб.
Внутри изоляционной втулки находится дисковый пьезоэлемент диаметром 20 мм. Он прижимается к мембране из оргстекла. Далее акустические колебания передаются через компрессорное масло и стенку трубопровода измеряемому веществу. Масло залито в полость, образованную корпусом и площадкой, вышлифованной в стенке трубопровода.
Пример применения пьезоэлементов кольцевой формы для труб малого (менее 10 мм) диаметра показан на рисунке выше. На нем приведены лишь две части измерительного участка трубопровода 2, соединенного накидными гайками 4 и снабженного штуцерами 1. Кольцевые пьезоэлементы 7, к которым напряжение подается через контактные кольца 6, приклеены к трубе эпоксидной смолой. С обеих сторон каждого пьезоэлемента труба покрыта эпоксидной смолой с наполнителем 3. Это способствует ослаблению паразитных акустических колебаний, идущих по стенке трубы. Этой же цели служат фторопластовые прокладки 6 и резкие изменения сечений стенки в местах соединений. Конструкция рассчитана на давление до 50 МПа.
Фазовыми называют ультразвуковые расходомеры, основанные на зависимости фазовых сдвигов ультразвуковых колебаний, возникающих на приемных пьезоэлементах, от разности времен прохождения этими колебаниями одного и того же расстояния по потоку движущейся жидкости или газа и против него. Действительно, при условии, что начальные фазы обоих колебаний, имеющих период и частоту, совершенно одинаковы.
Было предложено и реализовано много схем одно- и двухканальных фазовых расходомеров. В одноканальных расходомерах большим разнообразием отличаются схемы переключения пьезоэлементов с излучения на прием, в частности, схемы с одновременной посылкой коротких ультразвуковых пакетов и одновременным переключением пьезоэлементов с излучения на прием. Подобная схема применена в одноканальном расходомере, разработанным для измерения расхода суспензии полиэтилена в бензине в трубе диаметром 150 мм, Q = 180 м /ч, частота колебаний 1 МГц. Угол излучения 22°. Приведенная погрешность ±2 %. Пьезоэлементы расположены снаружи трубы (к). Электронная схема расходомера включает в себя коммутирующее устройство; задающий генератор; два генератора амплитудно-модулированных колебаний, поступающих на пьезоэлементы; устройство регулировки фазы, состоящее из усилителя ограничителя, усилителя мощности, реверсивного двигателя, фазовращателя и фазорасщепителя; измерительный фазометр и фазометр синхронизации, из которых каждый состоит из катодного повторителя, селекторных усилителей, фазового детектора и схемы автоматической регулировки усиления.
В расходомере, разработанном для контроля нефти и нефтепродуктов, переключение пьезоэлементов с излучения на прием производится с помощью мультивибратора, управляющего модуляторами задающего генератора. Особый генератор создает синусоидальное напряжение низкой частоты, из которого в триггерном устройстве образуются прямоугольные импульсы. Задний фронт этих импульсов служит для включения мультивибратора.
В схеме расходомера, ультразвуковые колебания частотой 2.1 МГц в течение 500 мкс распространяются навстречу друг другу со сдвигом фазы на 180°, после чего мультивибратор переключает пьезоэлементы с режима излучения на режим приема. В другом зарубежном расходомере переключение производится особым генератором, создающим сигналы двух форм. Один из сигналов включает генератор, возбуждающий колебания пьезоэлементов, второй сигнал переключает пьезоэлементы на прием. Принятые колебания после усиления преобразуются в импульсы прямоугольной формы. После прохода через детектор сдвига фаз ширина импульсов на выходе пропорциональна этому сдвигу. На выходе после выпрямления имеем напряжение постоянного тока, пропорциональное расходу. Частота колебаний 4.2 МГц, частота переключения пьезоэлементов 4.35 кГц. Угол наклона пьезоэлементов 300. Диаметр трубы 100 мм.
Ввиду сложности большинства схем переключения пьезоэлементов с излучения на прием созданы фазовые одноканальные расходомеры, не требующие переключения. В таких расходомерах оба пьезоэлемента непрерывно излучают ультразвуковые колебания двух разных, но весьма близких частот, например 6 МГц и 6.01 МГц.
Более простые электронные схемы имеют двухканальные фазовые расходомеры. На рисунке выше показана схема предназначенного для измерения расхода жидкостей в трубах, имеющих $D$, равный 100 и 200 мм, и рассчитанного на $Q_{max}$, равный 30; 50; 100; 200 и 300 м3/ч. Частота 1 МГц, максимальная разность фаз (2-2.1) рад. Погрешность расходомера +2.5 %. Генератор Г с помощью согласующих трансформаторов связав с пьезоэлементами И1 и И2. Ультразвуковые колебания, излучаемые последними, проходят через жидкостные волноводы 1, мембраны 3, герметично вмонтированные в стенки трубопровода 4, проходят через измеряемую жидкость 2 и затем через мембраны 5 и жидкостные волноводы 6 поступают на приемные пьезоэлементы П1 и П2. Последние на выходе соединены с фазометрической схемой в составе фазорегулятора ФВ; двух одинаковых усилителей У1 и У2, управляемых узлами автоматической регулировки АРУ1 и АРУ2; фазового детектора ФД и измерительного прибора (потенциометра) РП. Фазорегулятор ФВ предназначен для регулировки начальной точки фазового детектора и корректировки нуля. Приведенная погрешность расходомера ±2.5 %.
Фазовые расходомеры были раньше самыми распространенными среди ультразвуковых, но в настоящее время преимущественное применение имеют другие расходомеры, с помощью которых можно получить более высокую точность измерения.
Частотными называются ультразвуковые расходомеры, основанные на зависимости разности частот повторения коротких импульсов или пакетов ультразвуковых колебаний от разности времен прохождения этими колебаниями одного и того же расстояния по потоку движущейся жидкости или газа и против него.
В зависимости от того, измеряются ли разности частот пакетов ультразвуковых колебаний или коротких импульсов, проходящих через жидкость или газ, расходомеры называются частотно-пакетными или частотно-импульсными. Принципиальная схема последнего с двумя акустическими каналами показана на рис. 7. Генератор Г создает колебания высокой частоты (10 МГц), которые после прохода через модуляторы Ml и М2 поступают к пьезоэлементам И1 и И2. Как только первые электрические колебания, создаваемые пьезоэлементами П1 и П2, пройдя через усилители У1 и У2 и детекторы Д1 и Д2, достигнут модуляторов М1 и М2, последние, работающие в триггерном режиме, запирают проход колебаний от генератора Г к пьезоэлементам И1 и И2. Модуляторы открываются вновь, когда последние колебания достигнут их. Прибор, подключенный к смесительному каскаду См, будет измерять разность частот.
В частотно-импульсных расходомерах генератор вырабатывает не непрерывные колебания, а короткие импульсы. Последние поступают к излучающим пьезоэлементам с интервалами, равными времени прохождения ультразвука по и против скорости потока. У них частоты в два раза больше, чем у частотно-пакетных расходомеров.
Незначительная разность частот у частотных расходомеров — существенный недостаток, затрудняющий точное измерение.
Поэтому предложено несколько способов увеличения разности частот, реализованных в частотных расходомерах, построенных в большинстве случаев по одноканальной схеме. К числу этих способов относится выделение из частот гармоники и измерение разностной частоты, а также умножение разности $k$ раз перед поступлением в измерительное устройство. Способы умножения разностной частоты могут быть различны.
На рисунке выше приведена схема, в которой измеряется разность частот двух управляемых генераторов, периоды которых с помощью автоматической подстройки частоты устанавливаются в к раз меньшими времени распространения ультразвуковых колебаний в направлении скорости потока и против нее. Преобразователь расхода одноканальный имеет пьезоэлементы 1 и 2, к которым поочередно поступают импульсы: к первому от генератора 4 с периодом повторения Т1, а ко второму от генератора 8 с периодом повторения Т2. Время прохождения акустических импульсов в трубопроводе по потоку т1 и против него т2, в к раз больше периодов Т1, и Т2 соответственно. Поэтому в потоке одновременно будет находиться к импульсов. При посылке акустических импульсов по потоку коммутатор 5 одновременно подключает пьезоэлемент 1 к генератору 4, в пьезоэлемент 2 к усилителю приемных сигналов 6. При обратной посылке импульсов генератор 8 подключается к пьезоэлементу 2, а усилитель 6 к пьезоэлементу 1. С выхода усилителя 6 импульсы поступают на вход дискриминатора времени 10, на который одновременно через коммутатор 9 поступают импульсы от генератора 4 или 8, создающие опорное напряжение на дискриминаторе. Напряжение на выходе дискриминатора равно нулю, если импульсы от усилителя 6 поступают одновременно с импульсами от генераторов. В противном случае на выходе дискриминатора возникнет напряжение, полярность которого зависит от того, опережают ли или отстают от опорных импульсы от усилителя 6. Это напряжение через коммутатор 11 подается через усилители к реверсивным двигателям 3 или 7, которые изменяют частоту импульсов генераторов 4 и 8 до тех пор пока напряжение на выходе дискриминатора станет равным нулю. Разность частот импульсов, вырабатываемых генераторами 4 и 8, измеряется частотомером 12. Расходомеры, аналогичные рассмотренному, иногда называют частотно-временными.
Другой путь умножения разностной частоты состоит в измерении разности частот двух генераторов высокой частоты, из которых у одного период колебаний пропорционален времени прохода акустических колебаний по направлению потока, а у другого — пропорционален времени прохода акустических колебаний против потока. После прохода через делительное устройство через каждые 6 мс посылаются два импульса, разделенные временем. Первый импульс проходит по потоку (или против него) и после усиления поступает на схему сравнения, куда подается также второй импульс без прохода, через акустический тракт. Если эти два импульса поступают не одновременно, то включается устройство, регулирующее частоту одного генератора, пока на схему сравнения не будут приходить оба импульса одновременно. А это будет тогда, когда период этих импульсов будет равны. Погрешность измерения расхода не превышает ±1 %.
В рассмотренных одноканальных частотно-импульсных расходомерах имеется поочередная коммутация импульсов, направленных по потоку и против него. Это требует точного измерения и запоминания частот автоциркуляции импульсов по потоку и против него с последующим измерением разности. Кроме того, неодновременное зондирование по потоку и против него может дать погрешность из-за изменения гидродинамических свойств потока.
Этих недостатков лишены одноканальные расходомеры в которых одновременно автоциркулируют ультразвуковые сигналы по потоку и против него, которые совершенно безынерционны.
При этом исключаются большие погрешности, присущие способам запоминания частот автоциркуляций ультразвуковых сигналов по потоку и против него с последующим выделением сигнала разности частот автоциркуляций, выделения сигнала разностной частоты, основанном на подстройке частот генераторов, на реверсивном счете импульсов и др. Кроме того, в расходомерах предусмотрено автоматическое возобновление их действия при нарушении работы схемы вследствие возникновения акустической непрозрачности вещества в трубе (появление газовой фазы, полный или частичный уход жидкости), расходомеры индицируют направление течения потока и измеряют расход в обоих направлениях течения потока. Расходомер показал свою хорошую работоспособность в длительной заводской эксплуатации, приведенная погрешность расходомера не превышает ±0.5%. Расходомер разработанный для динамических измерений расхода топлива в авиационных двигателях, а также для измерения горючего в грузовых автомобилях. Результаты испытаний показали, что измерения расходомером не изменялись при резком повороте потока под углом 90° на расстоянии одного диаметра условного прохода перед преобразователем в плоскости оси преобразователя и оси узлов пьезоэлементов, т. е. совершенно не требуются длины прямолинейных участков труб. Переходная область течения в преобразователе находилась в начальном участке градуировочной характеристики расходомера. Резкого перегиба или излома характеристики в начальном участке не было, начальный участок градуировочной характеристики был таким же. Прибор имеет очень высокую сходимость измерений. В разных точках диапазона измерений при установившемся потоке повторялись все четыре цифры результатов двух или трех последовательно проводимых измерений.
Времяимпульсными называются ультразвуковые расходомеры, в которых измеряется разность времен перемещения коротких импульсов по направлению потока и против него на длине пути.
Времяимпульсные расходомеры в большинстве случаев одноканальные и работают на очень коротких импульсах длительностью 0,1-0,2 мкс, посылаемых навстречу друг другу поочередно или одновременно с частотой, например, 0.5 кГц.
На рисунке выше приведена упрощенная схема одного времяимпульсного расходомера. Генератор Г создает импульсы, имеющие амплитуду 700 В, длительность 0.2 мкс и частоту следования 800 Гц, которые с помощью вибраторов В1 и В2, работающих с частотой 400 Гц, подаются поочередно к пьезоэлементам П1 и П2. Последние посылают в жидкость быстро затухающие ультразвуковые импульсы, а вибраторы В1 и В2 включают зарядные устройства ЗУ1 или ЗУ2. От генератора Г одновременно поступает импульс к пьезоэлементу П1 и импульс к триггеру ЗУ2. устанавливая его в активное состояние проводимости. При этом включается устройство С2, вырабатывающее пилообразное напряжение в течение времени, прохождения ультразвука через измеряемое вещество. Максимальное значение этого напряжения пропорционально времени. В момент прихода ультразвукового импульса к пьезоэлементу П2 устройство С2 отключается. Таким же образом за время прохода ультразвукового импульса против потока от П2 к П1 устройство C1 вырабатывает напряжение, пропорциональное времени. Разность напряжений измеряется устройством ИУ. Такой цикл повторяется 400 раз в секунду. Общая погрешность измерения расхода равна ±0.5 %.
В одном отечественном времяимпульсном расходомере для повышения динамических характеристик и устранения возможности появления погрешности от асимметрии на оба пьезоэлемента одновременно подаются короткие импульсы, возбуждающие ультразвуковые колебания, движущиеся навстречу друг другу. После достижения ими противоположных пьезоэлементов в последних образуются электрические импульсы, которые вместе с импульсами от генератора проходят через усилители и формирователи, после чего поступают в устройство, вырабатывающее напряжение, пропорциональное времени.
Рассмотренные ранее ультразвуковые расходомеры служат для измерения объемного расхода. Для измерения массового расхода надо иметь отдельный дополнительный пьезоэлемент, возбуждаемый на резонансной частоте, который посылает акустические колебания в измеряемое вещество. Напряжение, снимаемое с него, пропорционально удельному акустическому сопротивлению вещества, если последнее много меньше сопротивления генератора. Умножая электрический сигнал, создаваемый этим пьезоэлементом, на сигнал, пропорциональный объемному расходу, получим на выходе сигнал, пропорциональный массовому расходу.
Для устранения погрешности от изменения скорости ультразвука с в измеряемом веществе в фазовых и времяимпульсных расходомерах применяют особые схемы коррекции. Для этой цели устанавливается дополнительная пара пьезоэлементов на противоположных концах диаметра трубопровода. Время прохождения акустических колебаний между ними обратно пропорционально скорости. Соответствующий корректирующий измерительный сигнал пропорционален скорости. Он возводится в квадрат и на него делится основной сигнал расходомера. Очевидно, результирующий сигнал будет пропорционален скорости и не будет зависеть от скорости ультразвука. На рисунке ниже дана схема подобного одноканального фазового расходомера. Программное устройство ПУ обеспечивает поочередную подачу от генератора Г электрических колебаний частотой 1/3 МГц и к пьезоэлементам П1 и П2 через коммутатор К. Принятые колебания от этих пьезоэлементов поступают через коммутатор К, приемное устройство П и преобразователь частоты Ч2, снижающий частоту до 1/3 кГц, в измеритель ИФ сдвига фазы между ними и исходными колебаниями, поступающими от генератора Г через преобразователь частоты Ч1. Устройство И измеряет разность сдвига фаз, пропорциональную разности времен, прохождения ультразвука по потоку и против него, и вырабатывает сигнал, пропорциональный скорости.
Пьезоэлементы ПЗ и П4 имеют свой генератор-усилитель ГУ и вырабатывают сигнал, пропорциональный времени прохождения ультразвука между ними и, следовательно, пропорциональный скорости звука . В устройстве Ик происходит деление сигнала на квадрат сигнала и в измерительный прибор ИП поступает сигнал, пропорциональный скорости. Его относительная погрешность 1 %.
Имеются схемы с компенсацией влияния скорости ультразвука для времяимпульсных расходомеров.
Показания частотных расходомеров не зависят от значения скорости звука и поэтому здесь не требуется коррекции на скорость ультразвука. Но если частотный расходомер измеряет массовый расход, то необходим пьезоэлемент, работающий на резонансной частоте. С его помощью образуется сигнал пропорциональный сопротивлению вещества, из которого надо исключить множитель скорости. Для этого в схему вводят блок сложения частот повторения импульсов или пакетов акустических колебаний по потоку и против него, имея в виду, что сумма частот пропорциональна скорости. Схема такого частотно-пакетного расходомера показана на рисунке ниже.
Ультразвуковые расходомеры с колебаниями, перпендикулярными движению.
Данные ультразвуковые расходомеры существенно отличаются от ранее рассмотренных тем, что здесь отсутствуют акустические колебания, направляемые по потоку и против него. Вместо этого ультразвуковой луч направляется перпендикулярно к движению потока и измеряется степень отклонения луча от перпендикулярного направления, зависящая от скорости и измеряемого вещества. Излучает акустические колебания лишь один пьезоэлемент. Воспринимаются эти колебания одним или двумя пьезоэлементами.
При одном приемном элементе (а) количество акустической энергии, поступающей на него, будет уменьшаться с ростом скорости, и выходной сигнал усилителя будет падать. В одной работе указывается, что сигнал становится равным нулю при скорости = 15 м/с (диаметр пьезоэлементов 20 мм, частота 10 МГц). При двух приемных пьезоэлементах 3 и 5 (б), расположенных симметрично относительно излучателя 2, выходной сигнал дифференциального усилителя 4 возрастает с ростом скорости . При скорости = 0 здесь выходной сигнал равен нулю благодаря равенству акустической энергии, поступающей на пьезоэлементы 3 и 5. включенные навстречу друг другу. Рассматриваемые расходомеры просты по устройству. Схема с дифференциальным включением пьезоэлементов лучше. Она улучшает стабильность показаний, нарушаемую в схеме с одним приемным пьезоэлементом. изменением коэффициента поглощения под влиянием случайных причин. Тем не менее точность измерения расхода ограничена малой чувствительностью самого метода.
В связи с этим предложены расходомеры с многочисленным отражением акустических колебаний от стенок трубы. Колебания направляются не перпендикулярно к оси трубы, а образуют небольшой угол с ним. Путь ультразвукового луча при скорости = 0 изображен сплошной линией. В этом случае оба приемных пьезоэлемента получают одинаковое количество акустической энергии, и сигнал на выходе дифференциального усилителя УД отсутствует. Путь луча при появлении скорости v показан штриховой линией. Чем больше скорость тем большее количество энергии получает левый приемный пьезоэлемент по сравнению с правым и тем больший сигнал будет на выходе усилителя УД. От генератора Г сигналы поступают на излучатель 3 и коммутатор К. Вспомогательный пьезоэлемент, возбуждаемый на резонансной частоте, дает сигнал, пропорциональный акустическому сопротивлению измеряемого вещества. Этот сигнал через схему и детектор коррекции ДК поступает в вычислительное устройство ВУ. Здесь он умножается на основной сигнал, пропорциональный скорости поступающий из усилителя УД через детектор Д. Результирующий сигнал, пропорциональный скорости, т. е. массовому расходу, измеряется прибором МП. Чувствительность такого расходомера достаточно высокая, но его показания зависят от состояния (коррозии и загрязнения) отражающих поверхностей трубы.
Ультразвуковой метод находит применение не только для измерения расходов жидкости и газов, движущихся в трубопроводах, но также для измерения скоростей и расходов этих веществ в открытых каналах и реках, в шахтных выработках и метеорологических установках. Кроме того, имеются разработки переносных расходомеров, предназначенных для установки снаружи трубопровода.
Переносные преобразователи расхода. На основании 6 укреплены две обоймы 1 и 2 из оргстекла, уменьшающего паразитные внутренние отражения. В каждой обойме установлены два пьезоэлемента 3 и 4 (схема двухканальная) из керамики ЦТС-19 под углом 45° к оси трубы, работающие на частоте 2.5 МГц. Пружины 5 прижимают обе камеры к трубопроводу, причем нижняя может перемещаться вдоль оси последнего по направляющей 7 с помощью ходового винта. Переносной преобразователь предназначен для измерения расходов жидкости от 1 до 150 л/мин в трубах малого диаметра (6-25 мм). Расходомер работает по фазовой схеме. Принятые сигналы при напряжении генератора 10 В равны 50-60 мВ при стальной трубе и 130-150 мВ при трубе из алюминиевого сплава. Напряжение помех при стальной трубе не более 1.5 мВ, а при алюминиевой — не более 5 мВ.
Расходомеры для открытых каналов и рек. С помощью пьезоэлементов, укрепленных на стержнях и устанавливаемых у противоположных боковых стенок канала, можно измерять средние скорости на любой глубине канала и по ним вычислять объемный расход Приведенная погрешность была не более ±0.5 %.
Измерение расхода воздуха в шахтах. Два пьезоэлемента, установленные на одной стенке шахтной выработки, направляют акустические излучения небольшой частоты (16-17 кГц) в противоположные стороны. Приемные пьезоэлементы расположены на другой стенке на больших (5-6 м) расстояниях от излучателей магнитострикционного типа.
Измерение скорости воздуха в метеорологических установках. Акустические методы измерения скорости воздуха все шире внедряются в метеорологическую практику. Разрабатываются специальные конструкции преобразователей, предназначенные для применения в метеорологических установках. В одной из них пьезокерамическое радиально поляризованное кольцо создает ненаправленное излучение в плоскости, перпендикулярной к оси симметрии.
Доплеровские расходомеры основаны на измерении, зависящем от расхода допплеровской разности частот, возникающей при отражении акустических колебаний неоднородностями потока. Разность частот зависит от скорости частицы, отражающей акустические колебания и скорости распространения этих колебаний.
При симметричном расположении излучающего и приемного пьезоэлементов относительно скорости или, что то же, оси трубы углы наклона равны друг другу.
Таким образом, измеряемая разность частот может служить для измерения скорости частицы отражателя, т. е. для измерения местной скорости потока. Это сближает допплеровские ультразвуковые расходомеры с другими расходомерами, основанными на измерении местной скорости. Для их применения нужно знать соотношение между скоростью и частицы отражателя и средней скоростью поток. В одной работе рассмотрена возможность с помощью допплеровского метода измерить скорости в ряде точек диаметрального сечения потока, т. е. получить профиль скоростей. Для этого излучатель посылает в поток акустические импульсы длительностью 0.1-1 мкс и частотой 15-23 кГц. Приемное устройство открывается лишь на мгновение через время задержки после посылки импульса. Измеряя время задержки, можно получить информацию о скорости частиц, находящихся в разных точках сечения потока.
При небольших диаметрах труб (менее 50-100 мм) встречаются доплеровские расходомеры, у которых длины излучающего и приемного пьезоэлементов равны внутреннему диаметру трубы. Они реагируют не на одну, а на несколько местных скоростей частиц, находящихся в диаметральной плоскости сечения трубы. Пример такого прибора показан на рис. 16. Пьезоэлементы из титаната бария, длиной 20 мм, шириной 6-5 мм, частота излучения 5 МГц, допплеровский сдвиг частот порядка 15 кГц. Измеряемое вещество — однопроцентная суспензия бетонита, имеющая диаметры частиц не более 0,1 мм. Для исключения неопределенности показаний в переходной зоне пьезоэлементы в средней части были экранированы. Благодаря этому отношение скоростей в ламинарной зоне резко возросло и практически стало таким же, как и у турбулентной зоны, и наклон градуировочной прямой стал одинаковым в обеих зонах. Для предотвращения образования вихрей в сравнительно больших карманах, где установлены пьезоэлементы, свободной пространство в них заполнено фольгой из полистирола, имеющего одинаковое с водой акустическое сопротивление.
Теперь в большинстве случаев пьезоэлементы у допплеровских расходомеров помещают снаружи трубы. Это особенно необходимо в случае измерения загрязненных и абразивных веществ, но при этом надо считаться с дополнительными погрешностями, обусловленными, в частности, преломлением луча в стенке трубы.
По сравнению с другими ультразвуковыми расходомерами допплеровские имеют наименьшую точность ввиду того, что выходной сигнал представляет целый спектр частот, возникающих вследствие сдвига исходной частоты не одной частицей — отражателем, а рядом частиц, имеющих различные скорости. Поэтому относительная погрешность измерения расхода обычно не менее 2-3 %.
Допплеровские ультразвуковые расходомеры находят все более широкое распространение. Они применяются главным образом для измерения расхода различных гидросмесей, в том числе пульп, суспензий и эмульсий, содержащих частицы, отличающиеся по плотности от окружающего вещества. Но и естественных неоднородностей (в том числе газовых пузырей), имеющихся в различных жидкостях, бывает достаточно для проявления эффекта Допплера. При их отсутствии рекомендуется вдувать в поток воздух или газ через трубку с отверстиями 0.25-0.5 мм на расстоянии перед преобразователем расхода. Расход вдуваемого газа составляет 0.005 - 0.1 % от расхода измеряемого вещества.
В отличие от всех ранее рассмотренных ультразвуковых расходомеров длинноволновые акустические расходомеры работают на низкой (звуковой) частоте. Схема преобразователя расхода опытного образца такого расходомера показана на рисунке ниже.
Источник акустических колебаний — громкоговоритель 1, установленный на входном участке латунной трубы диаметром 50 мм. Этот участок с помощью муфты 2, предотвращающей передачу вибраций и других помех, соединен с трубой 3, на которой на расстоянии 305 мм друг от друга размещены два микрофона 4. Их крепление снабжено прокладками 5 из пористой резины. Приемные диафрагмы микрофонов расположены заподлицо с внутренними стенками трубы. Акустические колебания, создаваемые источником 1, имеют длину волны, в несколько раз превосходящую диаметр трубопровода, что благоприятно для устранения высокочастотных помех. Эта волна отражается от обоих концов трубы, в результате чего в последней навстречу друг другу движутся две волны. Эти две волны образуют стоячую волну в трубопроводе. Амплитуда последней в узлах не равна нулю, так как амплитуды волн, движущихся навстречу, не равны друг другу. Так, если источник звука 1 установлен до микрофонов, то волна, движущаяся по потоку, образуется из сложения волны, образованной источником 1, и волны, отраженной от переднего конца трубы, в то время как обратная волна — только отраженная от выходного конца и местных сопротивлений между ним и микрофонами. Следует избегать установки микрофонов вблизи узлов стоячей волны. При скорости потока = 0 фазы синусоидальных сигналов обоих микрофонов совпадают. С появлением скорости возникает сдвиг фаз, возрастающий с увеличением скорости. Расстояние $L$ между микрофонами выбирают так, чтобы оно равнялось длине волны или ее половине.
Из четырех рассмотренных разновидностей акустических расходомеров наибольшее применение получили приборы с ультразвуковыми колебаниями, направляемыми по потоку и против него. Ультразвуковые расходомеры со сносом применяются очень редко. Они значительно менее чувствительны, чем первые. Допплеровские приборы служат преимущественно для измерения местных скоростей потока. Длинноволновые акустические расходомеры появились недавно, и нет еще достаточного опыта их применения.
Из трех методов измерения разности времен прохождения ультразвуковых колебаний по потоку и против него наибольшее распространение получил частотно-импульсный метод с одноканальным преобразователем расхода. Он может обеспечить наибольшую точность измерения, а приведенная погрешность измерения может быть снижена до (0.5-1) %. Созданы приборы с еще меньшей погрешностью, вплоть до ±(0.1 - 0.2) %, что позволяет применять такие приборы в качестве образцовых. Измерительные схемы двухканальных расходомеров проще, но точность их ниже. Фазовые расходомеры имеют преимущество перед частотными при необходимости измерения малых скоростей вплоть до 0.02 %, а также при измерении загрязненных сред.
Основная область применения ультразвуковых расходомеров — измерение расхода различных жидкостей. Особенно целесообразны они для измерения расхода неэлектропроводных и агрессивных жидкостей, а также нефтепродуктов.
