• Энергосберегающие Технологии
  • (383) 38-087-38
Зыряновская 6300102 Россия, НСО, Новосибирск (383) 38-087-38

Ультразвуковой метод измерения расхода

Ультразвуковой метод измерения расхода

Ультразвуковыми расходомерами называют расходомеры, принцип работы которых основан в прохождении ультразвуковой волны через поток жидкости или газа. Ультразвуковые расходомеры работают в диапазоне частот от 20кГц до 1000 МГц.

Диапазон частот от 20кГц до 1000 МГц.

Ультразвуковой спектр излучения

         Для прохождения волны и её интерпретации необходимы приемник и передатчик, которые обладают пьезоэлектрическим эффектом. Таким эффектом обладают следующие материалы кварц, турмалин, тартрата калия, сульфата лития, титанат бария, цирконат титаната свинца. Помещая пьезоэлектрический кристалл в электрическое поле упругая деформация вызывает уменьшение или увеличение его длины в соответствии с величиной и направлением полярности поля.

Датчики на основе пьезоэлементов

Прикладывая напряжение, размеры пьезокерамических элементов изменяются. При механических воздействиях пьезокерамический элемент генерирует электрический ток.
Поэтому пьезокерамические элементы используются в качестве излучателей и приемников сигнала, т.е. как приемопередатчики.

1. Конструкция ультразвуковых расходомеров

         Преобразователь ультразвукового расходомера состоит из отрезка трубы, на котором установлены пьезоэлемента.
         Диаметр пьезоэлемента находится в пределах 5-20 милиметров, а его толщина выбирается в зависимости от частоты. В частотных и время-импульсных расходомерах для повешения точности измерений используют частоты 5-20 Мгц.. Обычно в жидкостях применяются частоты ( 50 кГц - 2 МГц. В газовых средах необходимо уменьшать частоты до сотен и десятков Кгц, это вызвано сложностью создания в газах интенсивных акустических колебаний, особенно высокой частоты.

Преобразователи сферического излучения

Ультразвуковые преобразователи сферического излучения

Данные конструкции применяются в трубах малого диаметра. В качестве преобразователей используются кольцевые пьезопреобразователи, которые создают сферическое излучение. В схеме А , каждый из двух пьезоэлементов по очереди излучает и принимает акустические колебани

Преобразователи с отражателями

Ультразвуковые преобразователи с отражателями

Преобразователи с отражателями. Одна из лучших схем для защиты пьезопрезобрателей от условий агрессивной среды и механических примесей в жидкости. В данном случае волна подается от передатчиков-излучателей и, отражаясь от стенок отражателя, попадает на приемник Конструкция 2 А применяется в расходомерах фирмы Kamstrup диаметром до 40 мм.

Схемы с угловым вводом направленных акустических колебаний.

Ультразвуковые преобразователи с отражателями

На рисунках А,В,С показаны однолучевые конструкции расходомеров. На рисунке А,D, E трубопровод снабжается особыми впадинами - карманами, в глубине которых находятся пьезоэлементы. Данные конструкции применяются для чистых и неагрессивных сред, так как возможно засорение данных полостей. Также вследствие свободных полостей возможно появление вихрей, влияющих на показание расходомера. Конструкция В лишена данных недостатков, за счет заполнения данных полостей металлом или органическим стеклом. В конструкции С , пьезоэлементы находятся снаружи трубопровода. Они передают акустические колебания через металлические стенки трубы и измеряемому веществу. Чувствительность сигнала гораздо хуже, из-за паразитных сигналов и помех, вызванных прохождением колебаний по стенке трубы. Для увеличения точности используется схемы с двумя, черемя, восьми парами преобразователей-излучателей рисунок D, E .

2. Принцип действия ультразвуковых расходомеров

2.1. Принципы определения расхода основанные на зависимости от времени

         Метод основан на факте, что ультразвуковому сигналу, направленному против движения потока, для прохождения расстояния от излучателя до приемника требуется больше времени, чем сигналу, направленному по ходу движения потока.

Ультразвуковой метод принцип

Анимация для объяснения принципа определения расхода, основанного на зависимости от времени.
         Понимая, что определить время с помощью секундомеров невозможно для данного метода, так как временная разность находится в пределах нано или пикосекунд были реализованы следующие принципы интерпретации сигнала:
- Фазные
- Частотные
- Время импульсные

2.1.1. Фазный принцип определения расхода

         Фазовыми называют ультразвуковые расходомеры, основанные на зависимости фазовых сдвигов уз - колебаний, появляющихся на приемных пьезоэлементах. Данный принцип, также основан на разности времен прохождения этими колебаниями одного и того же расстояния по потоку движущейся жидкости или газа и против него. Частота и амплитуда импульсов совпадают в данных расходомерах. Но иногда в конструкциях применяются близкие частоты 6 МГц и 6.01 МГц. В фазовых расходомерах частота выбирается так, чтобы при максимальном расходе получить наибольшую разность фаз, которая может быть измерена фазометром

Ультразвуковой Фазный принцип определения расхода

Сравнивания два сигнала, одинаковых по частоте и амплитуде получаем график, как на рисунке ниже. Из данного графика можно определить фазовый сдвиг одного сигнала относительно другого (Т), после чего определить время и соответственно поток.

Ультразвуковой Фазный принцип определения расхода

2.1.2 Частотный принцип определения расхода

         Суть их работы в следующем: синтезатор частоты подбирает такое значение частоты ультразвукового сигнала, чтобы по направлению потока укладывалось целое число волн ультразвуковых колебаний. Затем направление излучения реверсируется, и подбирается значение частоты, которое обеспечивает целое число волн против потока. Величина расхода в этом случае пропорциональна разности частот сигналов по потоку и против него. Частотные расходомеры в сравнении с импульсными и фазовыми более устойчивы к загрязнению измеряемой среды, так как прекращают измерение только тогда, когда достигнут результат, а не когда закончилось время импульса.

Ультразвуковой частотный принцип определения расхода

2.1.3 Время - импульсный принцип определения расхода

         Для определения времени прохождения импульса по потоку, генератор подает импульс на пьезоэлемент П1, который посылает в жидкость затухающие колебания. В момент передачи звуковых колебаний включается зарядное устройство, которое начинает вырабатывать напряжение. В момент прихода сигнала на пьезоэлемент П2 зарядное устрйтсво отключается. Максимальное значение напряжение пропорционально времени прохождения ультразвуковой волны по потоку жидкости. Таким же образом за время прохода ультразвукового импульса против потока от П2 к П1 вырабатывается напряжение, пропорциональное времени. Разность напряжений измеряется устройством.

Ультразвуковой Время - импульсный принцип определения расхода

2.2 Ультразвуковые расходомеры с колебаниями, перпендикулярными движению.

         Данные расходомеры отличаются от ранее рассмотренных тем, что в них не используются акустические колебания, направленные по потоку и против него. В данных расходомерах звуковые колебания направлены перпендикулярно потоку. При этом происходит измерение степени отклонения луча, зависящего от скорости и химического состава измеряемого вещества, направленного перпендикулярно потоку. При этом лишь один пьезоэлемент (И) излучает акустические колебания. Регистрируются эти колебания одним или двумя пьезоэлементами (П1, П2).

Ультразвуковые расходомеры с колебаниями, перпендикулярными движению.

         При скорости = 0 здесь выходной сигнал равен нулю, благодаря равенству акустической энергии, поступающей на пьезоэлементы П1 и П2, включенных навстречу друг другу. При движении жидкости правый приемный пьезоэлемент (П2) по сравнению с левым (П2) получает большее излучение . Рассматриваемые расходомеры просты по устройству. В данном методе точность измерения расхода ограничена малой чувствительностью самого метода.

2.3. Ультразвуковые расходомеры, основанные на эффекте Доплера

         Метод Допплера использует эффект изменения частоты звука, отражающегося от движущихся частиц. Датчик расходомера излучает сигнал, направленный в поток жидкости. Этот сигнал отражается присутствующими в жидкости твёрдыми частицами или газовыми пузырьками. Частота отраженного сигнала отличается от исходной из-за движения жидкости (эффект Доплера). Контроллер расходомера измеряет сдвиг частоты и определяет значение скорости жидкости, которое используется для расчета расхода.

Ультразвуковые расходомеры, основанные на эффекте Доплера

Отраженный от движущихся частиц УЗ сигнал, с помощью быстрого преобразования Фурье – БПФ (Fast Fourier Transform – FFT) трансформируется из временной области в частотную.

         Поскольку спектр отраженного сигнала достаточно широк, то находится усредненная частота. Далее вычисляется разница частоты исходного сигнала (сигнала передатчика) и полученной усредненной частоты отраженных сигналов. Эта разница частот в дальнейшем используется для определения скорости движения потока и, затем, для вычисления расхода.
         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.

3. Применение

Ультразвуковой расходомер жидкости находит применение во многих отраслях промышленности, а также в научных исследованиях:
- Нефтедобыча и переработка
-Тепло и электрогенерация
-Водоочистка
-Коммунальное хозяйство
-Противопожарные системы
-Измерение скорости потоков подземных вод
         Экономичность и простота монтажа способствуют росту популярности ультразвуковых расходомеров. Они постепенно вытесняют механические счетчики за счет более высокой точности измерений и простоты обслуживания.
         Расходомеры с накладными датчиками используются для экспресс анализа потока без остановки технологического процесса.
         В настоящее время начинает прослеживаться тенденция к переходу от механических индивидуальных теплосчетчиков к ультразвуковым.

4. Преимущества и недостатки ультразвуковых расходомеров

Преимущества:
+ высочайшая точность
+ отсутствие вращающихся частей
+ широкий диапазон рабочих температур
+ Низкие потери давления
+ возможность измерения как жидких, так и газообразных продуктов
+ наличие врезных и накладных моделей
+ стабильность показаний
+ высокая надежность
+ Низкое потребление электричества, в результате чего производятся модели питаемые от батареек, повышенной емкости.
Недостатки:
- Высокие требования к однородности среды (чувствительность к наличию пузырьков воздуха в воде)
- Зависимость измерения от температуры воды
- подверженность электромагнитным помехам
- Грамотная настройка расходомера для конкретной цели
Решение проблемы :
         Для устранения Зависимость измерения от температуры воды в тело расходомера погружается термосопротивление, после обработки сигналов микропроцессором происходит коррекция потока по температуре. Для снижения зависимости от однородности среды используется поправка по методу Доплера. Для защиты от электромагнитных помех достаточно сделать выравнивание потенциалов между трубопроводами и расходомером. Данные принципы используется в расходомерах компании KAMSTRUP серии ULTRAFLOW® 54 (H), что делает данные расходомеры лидерами среди всех типов расходомеров для измерения тепла и холода.

5. Какого производителя выбрать

         Из выше изложенного становится понятно, что ультразвуковые расходомеры достаточно сложное изделие, требующее высокоточных расчетов и грамотного производственного процесса. Основная сложность изготовления данных расходомеров - это правильная интерпретация сигнала и точное расстояние между пьезоэлементами.
         Наша компания не рекомендует сомнительные ультразвуковые расходомеры Китайского производства. При выборе лучше остановиться на зарубежных расходомерах фирм:
kamstup (только для жидкостей)
krone (газ и жидкость)
panametrics(газ и жидкость)
endress+hauser
siemens
или на отечественных расходомерах научно-произведственных предприятий.

  • Автор: eno-tek.ru

Мы очень долго писали данный материал, будем рады если Вы поставите лайк